Aerodinamica ed effetto scia in Formula 1

Spesso durante le gare sentiamo parlare di effetto scia e aria sporca. Come mai questo fenomeno è così importante per le monoposto di F1?

aerodinamica effetto scia formula 1

 

L’effetto scia è un fenomeno che agisce su qualsiasi oggetto solido che si muove attraverso un fluido. Nonostante influisca nella vita di tutti i giorni, spesso è troppo poco intenso perché si possa avvertire. Al contrario, in Formula 1, sfruttare al meglio tale effetto è essenziale per ottenere buoni risultati. Aerodinamica effetto scia Formula 1

Come una macchina di F1 riesce a veicolare l’aria

Per comprendere l’effetto scia dobbiamo per prima cosa capire come si muovono i flussi d’aria attorno ad un corpo. Nel nostro caso osserveremo il funzionamento delle superfici deportanti, presenti in grande quantità sulle monoposto di Formula 1.
L’aria può muoversi di moto laminare, ovvero in modo ordinato, offrendo poca resistenza al moto, oppure in modo turbolento, vale a dire creando vortici che modificano l’andamento del flusso stesso.
Le monoposto sono studiate per trattenere il flusso il più laminare possibile attorno alle superfici. Questo permette di ottenere forza deportante in curva, ma anche una moderata resistenza all’avanzamento in rettilineo.

Le ali hanno una forma tale da dividere il flusso d’aria in arrivo in due filetti, modificandone così la pressione sulla superficie. Il flusso che passa al di sopra avrà una pressione minore rispetto a quello che passa al di sotto dell’ala, generando la forza desiderata diretta verso il basso (secondo il teorema di Bernoulli che lega pressione e velocità).

Il principio alla base delle ali in Formula1 è lo stesso che viene utilizzato negli aerei, ma con finalità opposte. Infatti, gli aeroplani sono progettati in modo tale che il flusso ad alta pressione passi al di sotto del profilo alare, generando così la forza deportante che solleva l’aereo. Approssimando, possiamo dire che la somma di tutte le forze verso il basso generate dalla vettura forma il carico aereodinamico della monoposto.

Aerodinamica effetto scia Formula1
Dettaglio dell’ala anteriore – Copyright: motorsport.com

La turbolenza e la scia

Quando il flusso d’aria si stacca dal profilo, genera inevitabilmente dei vortici che causano turbolenze. In genere le ali e la forma stessa della carrozzeria direzionano i flussi d’aria con altissima precisione lungo un percorso ben definito dagli ingegneri. Ciò tiene sotto controllo la turbolenza lungo il profilo della vettura, cercando così di minimizzare gli effetti dannosi.
Questo però, non accade se prendiamo in considerazione l’aria che si stacca dall’ala posteriore; quest’ultima infatti genera un flusso di aria particolarmente turbolenta. E’ il fenomeno della scia, cioè la porzione di aria che precede la vettura che insegue, investendola.  Aerodinamica effetto scia Formula 1

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In genere, la pressione viene calcolata tenendo in considerazione  una forza e l’area sulla quale essa è applicata. Tale definizione risulta inesatta per i calcoli aereodinamici, nei quali viene sfruttata la pressione dinamica. A differenza della pressione utilizzata in statica, la pressione dinamica cresce all’aumentare della velocità del fluido.
Quando una vettura viaggia a distanza ravvicinata da un’altra, l’aria turbolenta che la investe è caratterizzata da minore velocità. La differenza tra le pressioni dinamiche che si formano sugli alettoni e sul corpo vettura sono quindi minori, garantendo una minore resistenza all’avanzamento. Aerodinamica effetto scia Formula 1

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Le aree rosse sono caratterizzate da maggior pressione dinamica – Copyright: Alex Guerrero, Robert Castilla

Gli effetti e le caratteristiche della scia

La scia comporta numerose conseguenze, originate dalla minor differenza di pressione capace di generare così una forza deportante meno intensa. Questo effetto non è sempre negativo: in rettilineo una macchina più scarica raggiunge velocità più elevate grazie alla minore resistenza all’aria. L’effetto scia risulta particolarmente importante in circuiti con molti rettilinei, determinando un notevole guadagno in termini di velocità. Aerodinamica effetto scia Formula 1
Ovviamente più ci si allontana dalla macchina che genera la scia, più il suo effetto sarà inferiore, fino a scomparire. Lo stesso principio viene sfruttato dal DRS che le vetture aprono in precisi punti del tracciato. Esso infatti modifica il flusso d’aria che investe l’alettone posteriore, inclinando momentaneamente un profilo deportante in posizione neutra diminuendo così la resistenza all’avanzamento (il drag).

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Come la scia varia con la distanza – Copyright: Alex Guerrero, Robert Castilla

L’aria sporca e gli svantaggi dati dalla scia

Giunti a questo punto probabilmente vi starete chiedendo perché l’uso del DRS è limitato solo ad alcuni punti del tracciato, visto che i suoi vantaggi sono così grandi. Come detto in precedenza, il suo utilizzo rende la monoposto più scarica a livello aereodinamico, inficiando la forza con cui la vettura viene “spinta” verso il terreno. La scia genera le stesse conseguenze del DRS generando problemi in curva.

Inoltre, subire le turbolenze generate dalla vettura precedente aumenta notevolmente il consumo delle gomme. Durante i rettilinei quest’effetto non è un problema in quanto la distanza tra le due macchine tende ad essere alta fino al momento del sorpasso. Lo è invece nelle zone guidate del circuito dove le monoposto sono molto vicine tra di loro.

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La turbolenza dietro l’alettone posteriore – Copyright: Alex Guerrero, Robert Castilla

La scia: dalla teoria alla pratica

Gli ingegneri tengono conto di queste considerazioni durante la scelta dell’assetto. Per tracciati ricchi di curve, l’assetto scelto genererà più carico aereodinamico, garantendo velocità maggiori in curva a discapito dell’usura gomme e del consumo di carburante. Per circuiti con molti rettilinei, invece, la scelta cadrà su un assetto che generi una minore resistenza all’avanzamenti, permettendo alla vettura di raggiungere velocità massime più elevate.

Lo studio di questi fenomeni, e dell’aereodinamica in generale, è cruciale per lo sviluppo delle monoposto di Formula 1. Negli anni i team che hanno investito di più in questo settore hanno ottenuto risultati migliori in pista. Purtroppo fare misurazioni in questo ambito risulta particolarmente dispendioso in termini economici, attraverso decine e decine di ore di simulazioni in galleria del vento. Per questo si preferisce utilizzare simulazioni eseguite da potentissimi computer per ottenere dei dati attendibili da utilizzare poi nei calcoli. Dunque, non è difficile comprendere il perché Ferrari abbia investito decine di milioni di euro in un nuovo simulatore. Grazie ad esso gli ingegneri potranno verificare, senza scendere in pista, come si comportano le soluzioni aerodinamiche appena progettate.

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