Spinte laterali (prima parte)

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La Ferrari SF90 numero 16 di Charles Leclerc in azione a Suzuka

Nell’articolo “Aerodinamica deportante: curve da paura” abbiamo visto come la deportanza, “schiacciando” la vettura al suolo, consenta di percorrere curve a velocità altrimenti impossibili da raggiungere con il solo grip meccanico.
Ma quali forze laterali entrano in gioco quando una Formula 1 percorre una curva?

Semplificando i concetti al massimo ed evitando una carrellata di formule e definizioni, si può dire che quando il pilota imposta una curva, si generano due forze uguali e contrarie: una forza centripeta ed una centrifuga.
Quella centripeta è la forza che “tira” la vettura verso l’interno della curva. Quella centrifuga è la forza che “spinge” la vettura verso l’esterno. L’equilibrio tra le due forze consente la percorrenza della curva. 

Spinte laterali (prima parte)
Le forze che si generano in curva

La forza centripeta.
Si genera grazie all’aderenza tra gomma e asfalto. Tale aderenza (in gergo: grip) si occupa di “costringere” la vettura a percorrere la curva, perché altrimenti proseguirebbe di moto rettilineo a causa dell’inerzia (per il primo principio della dinamica o principio di inerzia).

La forza centrifuga.
La forza centrifuga si genera perché la vettura, per l’inerzia, tenderebbe a conservare il proprio moto rettilineo, ma ne viene deviata dalla forza centripeta e ad essa oppone (per la terza legge della dinamica) una forza uguale e contraria. 

La sua formula è:

Fcf = mv2/r

Nella lettura di questa formula si possono fare alcune osservazioni interessanti.

Fcf è, appunto, la forza centrifuga;
m è la massa del veicolo che percorre la curva;
v è la velocità;
r è il raggio della curva. 

Spinte laterali (prima parte)
La formula della forza centrifuga

La formula della forza centrifuga ci dice che essa è direttamente proporzionale alla massa, è direttamente proporzionale al quadrato della velocità ed è inversamente proporzionale al raggio.
Così parlerebbe un professore di fisica lisciandosi un baffo, ma cosa vuol dire nel concreto?
Vuol dire che più massa c’è, più il veicolo è spinto verso l’esterno.
Vuol dire anche che all’aumentare della velocità aumenta, chiaramente, la forza centrifuga. Ma è bene notare che l’apporto della velocità è esponenziale! Vuol dire che se al posto di v metto 2, avrò 4; ma se metto 4 avrò 16!
All’aumentare del raggio di curvatura, invece, la forza centrifuga decresce. Detto diversamente, a parità di massa e di velocità, più larga è la curva, minore è la forza centrifuga: ecco perché le traiettorie hanno tanta importanza; “raddrizzare” le curve vuol dire poterle percorrere più velocemente!

Facciamo un esempio concreto, giocando un po’ con i numeri:

m = massa = 1 t = 1000 kg;
v = velocità = 100 km/h = 27,8 m/s;
r = raggio = 5 m.

Fcf  = forza centrifuga = 154568 N = 15762 kg

Se raddoppiamo la velocità (da 100 passiamo a 200 km/h), mantenendo uguali gli altri valori, la forza centrifuga sarà pari a: 618272 N, ovvero 63046 kg. Come si vede è bastato raddoppiare la velocità per avere un aumento della spinta laterale ben più che doppio!

Se adesso, tenendo uguale la massa e la velocità di 200 km/h, aumentiamo il raggio di curva (curva più larga) a 10 m, vedremo che la spinta laterale si riduce: 309136 N, che sono 31523 kg.

Momenti.
Vediamo ora come la forza centripeta e la forza centrifuga entrano in relazione tra loro su un veicolo.
Il punto di applicazione del vettore della forza centripeta coincide col vincolo che obbliga la vettura a seguire la curva: ovvero, il punto di contatto tra ruota e asfalto; è lì che viene applicata questa forza.
Nel caso della forza centrifuga, invece, il punto di applicazione è il baricentro della vettura. 

Spinte laterali (prima parte)
Punti di applicazione della forza centripeta e della forza centrifuga

E poiché il baricentro non è sull’asfalto ma più in alto, la diversità dei punti di applicazione della forza centripeta e di quella centrifuga forma una coppia il cui effetto può compromettere l’equilibrio della vettura (ecco perché più alto è il baricentro, più è facile ribaltarsi in curva). Questa coppia di forze costituisce un momento ribaltante Mc.
In curva il veicolo si inclinerà verso l’esterno e verrà a crearsi una seconda coppia, il momento raddrizzante Mr, costituito dalla forza peso p e dalla reazione vincolare del piano di appoggio.

Spinte laterali (prima parte)
Momento ribaltante e momento raddrizzante

Chiaramente quando la coppia Mc supererà la coppia Mr, l’auto si ribalterà.
Per ridurre al minimo il momento ribaltante, è utile abbassare il più possibile il baricentro; e per aumentare il momento raddrizzante, invece, è utile una carreggiata larga della vettura.
Beh, le Formula 1 hanno un baricentro molto basso e una carreggiata molto larga: è quasi impossibile vederle ribaltarsi se non in seguito ad un contatto con un’altra vettura o ad un impatto contro le barriere.

Fare una curva al limite.
Alla luce di quanto visto finora, possiamo provare a dare un’accezione più concreta alla definizione un po’ “poetica” di percorrere una curva al limite: vuol dire percorrerla alla massima velocità possibile tale che la forza centrifuga non superi la forza che il grip è in grado di generare per opporsi a tale forza. Vuol dire riuscire a stare su un precario equilibrio, superato il quale viene “scardinato” il vincolo su cui è applicata la forza centripeta e la vettura esce di traiettoria. Inutile sottolineare quanto conti la sensibilità del pilota in questo frangente: è lui che, “sentendo” quel grip, “saggiando” quel limite, si “aggrappa” a quel confine tra l’andare veloce e l’andare fuori… Il pilota “gioca” con i limiti della fisica.

Nella seconda parte di quest’articolo vedremo gli effetti delle spinte laterali sul pilota.

Autore: Mauro Mondiello@mauro_mondiello
Illustrazioni grafiche: Mauro Mondiello@mauro_mondiello

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