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ALA ANTERIORE: STRUTTURA IN MATERIALE COMPOSITO

L’ala anteriore, come sappiamo, è un elemento di fondamentale importanza aerodinamica, ma è di fatto anche un elemento strutturale. Ciò significa che i progettisti devono dimensionarla massimizzando il carico aerodinamico ma in modo che essa riesca a sopportare efficacemente le sollecitazioni a cui è soggetta.
L’ala è legata al muso da due piloni che sono gli unici elementi di sostegno. Dunque tutte le sollecitazioni che si generano, vanno a caricarli per poi scaricarsi lungo il corpo vettura.

Tali sollecitazioni sono dovute alle forze, resistente e deportante, di natura aerodinamica. La prima, orizzontale, si oppone al moto della vettura; la seconda, in direzione verticale, aumenta l’aderenza della vettura con la pista e viene ampliata con il miglioramento delle prestazioni dell’ala anteriore.
Figura 1 - RESISTENZA
Da un punto di vista dinamico la forza resistente vale Fr=1/2 Cr ρv^2 A, mentre quella di deportanza è   Fp=1/2 Cp ρv^2 A,, dove 1/2 ρv^2  è la pressione dinamica, A la sezione frontale, cioè la proiezione della superficie del corpo sul piano verticale,   Cp e Cr  sono i coefficienti di portanza e di resistenza che dipendono dallo stato di moto del fluido.

Figura 2 - DEPORTANZA
Quando la vettura effettua una curva, è soggetta a sollecitazioni laterali molto intense, dovute alla forza centrifuga con corrispondenti accelerazioni laterali che possono raggiungere anche i 5G!
Per permettere la curva si ha una torsione del telaio, che ovviamente viene trasferita anche all’ala attraverso i due sostegni verticali.
Figura 3  - TORSIONE
Oltre a ciò, si innescano forti vibrazioni, dovute a urti, ad esempio quando la monoposto passa sopra i cordoli (circostanza assai frequente), ma dovute anche al normale rotolamento delle ruote sull’asfalto, a causa delle asperità della superficie stradale.
Tutte queste sollecitazioni si ripetono durante tutti i giri di pista con cicli molto rapidi di carico e scarico, che inducono nell’ala forti stati di stress con possibili rotture per fatica di parti della stessa.
Figura 4 - VIBRAZIONE
Durante la progettazione dell’elemento ovviamente, tutte queste sollecitazioni devono essere quantificate in modo preciso, facendo uso di raffinate simulazioni computazionali e verifiche in galleria del vento. Una volta stimati i valori numerici delle forze che andranno a caricare l’ala, si dovrà procedere al suo dimensionamento, tenendo conto dei parametri dimensionali e di sicurezza imposti dalla FIA.
Un ruolo fondamentale è giocato dal materiale usato per la costruzione, che andrà ad incidere in maniera importante sulle prestazioni strutturali.
In F1 dal 1981, anno in cui per la prima volta la scuderia McLaren ha usato la fibra di carbonio nel telaio della propria vettura, tale materiale si è diffuso sempre di più, fino ad essere utilizzato nelle più recenti vetture per più del 60% della massa complessiva.

Questo materiale è un materiale composito, cioè è costituito da più materiali semplici. Infatti ci sono delle fibre di rinforzo intrecciate tra loro per formare un tessuto, immerse e legate insieme da una matrice polimerica.
Le fibre si ottengono dall’unione di migliaia di filamenti di forma cilindrica dal diametro di 5-8 µm. Nel caso delle fibre di carbonio, i filamenti derivano da residui dei prodotti del petrolio, che vengono prima ossidati a 300°C e poi riscaldati fino a 1500°C.
La matrice, che può essere di diversi materiali, ha la funzione di collegare tra loro le fibre mantenendole però separate le une dalle altre. Questo perché spesso le fibre sono fragili a rottura, quindi se il tessuto fosse costituito da fibre attaccate tra loro, la possibilità di rottura verrebbe moltiplicata. Le fibre immerse nella matrice vengono intrecciate, con diverse combinazioni, ottenendo così un vero e proprio tessuto.

Con una lavorazione come quella descritta si ottengo degli strati caratterizzati da una forte anisotropia. Ciò significa che il materiale, sotto carico, ha un comportamento diverso a seconda della direzione. Prendiamo ad esempio una sfera sottoposta ad un carico. Se la sfera è di materiale isotropo, come accade ad esempio per i metalli, si deforma in maniera simmetrica in un ellissoide, i cui assi coincidono con le direzioni principali, cioè quelle direzioni in cui le tensioni normali del corpo sono massime.  Se la sfera, al contrario, ha un comportamento anisotropo l’ellissoide che si ottiene a deformazione raggiunta, risulta inclinato rispetto al solito sistema di tensioni, per la presenza di scorrimenti angolari.                 
I parametri che rappresentano le proprietà meccaniche del materiale derivano da relazioni con i parametri della matrice e delle fibre. Ad esempio il modulo elastico longitudinale El , che è il rapporto tra la sforzo e la deformazione che subisce il materiale in direzione longitudinale, si ottiene come combinazione dei moduli elastici delle fibre Ef  e della matrice Em, cioè  El = VfEf + VmEm , dove le quantità V, Vm  sono i rapporti volumetrici delle fibre e della matrice, ovvero il rapporto fra il volume delle fibre/matrice e il volume totale.
 Come si può capire, nella progettazione di strutture in materiale composito si presenta una notevole complicazione dovuta al comportamento anisotropo del materiale; infatti la resistenza ai carichi in una parte della struttura non è garantita in un’altra, seppur simmetrica, che può reagire in maniera differente.
Tale complessità, rappresenta però anche un vantaggio. Infatti l’anisotropia è dovuta per la maggior parte alle diverse inclinazioni che le fibre occupano per formare il tessuto, cioè modificando la reciproca inclinazione delle fibre si ottengono comportamenti diversi. In questo modo è possibile adattare il comportamento del materiale alle specifiche sollecitazioni a cui quella particolare struttura è sottoposta.
L’utilizzo di materiali compositi porta, inoltre, a valori maggiori in termini di rigidezza, soprattutto torsionale, permettendo alla struttura di sopportare carichi più elevati prima di rompersi rispetto ai metalli comuni.
Tali considerazioni, ovviamente, valgono per tutti gli elementi strutturali presenti in una vettura, ma la resistenza ai carichi dell’ala anteriore, nonostante non sia il principale fattore che entra in gioco nella progettazione della stessa, che deve per prima cosa generare un corretto carico aerodinamico, risulta essere molto importante. 

Durante l’ultimo GP d’Ungheria, abbiamo assistito a ben due cedimenti strutturali ai piloni dell’ala anteriore, prima di Raikkonen nelle prove libere e poi di Hulkenberg durante la gara, che oltre a minacciare la sicurezza del pilota ha rischiato di compromettere la vittoria di Vettel.
Nonostante in entrambi i casi il cedimento dei piloni fosse dovuto a forti vibrazioni, causate dal passaggio sui cordoli, quindi probabilmente circoscritti alle particolari condizioni di quella pista, sarebbe forse il caso di inserire nel regolamenti tecnico norme più precise sulla resistenza strutturale dell’ala, per scongiurare futuri episodi che possono minacciare la sicurezza dei piloti.

di Ivan Crepaldi



Cristiano Sponton

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