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Un' esempio sull'importanza
dell'aria sui movimenti dei corpi, la caduta dei gravi:
La
legge di Gravitazione Universale di Newton afferma che ogni
corpo sulla terra è soggetto a questa forza:
con
m1che rappresenta la massa del corpo, M
e R sono la massa e il raggio della terra e g
è la costante di gravitazione universale. Possiamo scrivere la
forza F che agisce sul corpo come prodotto della massa del corpo
stesso per l'accelerazione che subisce (incognita).
Otteniamo:
vediamo
quindi che l'accelerazione di un corpo sulla terra non dipende
dalle caratteristiche del corpo!! Come mai allora una piuma cade
a terra più lentamente di una pallina di piombo di ugual peso?
Per il semplice motivo che la piuma offre più superficie a
contatto con l'aria che frena il moto di caduta. Per ottenere un
risultato più vicino a quello dedotto da Newton bisogna
ripetere l'esperimento facendo il vuoto. In assenza di aria la
piuma cadrà con la stessa velocità del piombino!
Il
profilo a goccia dà una resistenza 7 volte inferiore alla
sfera!!!
Esiste anche una formula per
calcolare approssimativamente la resistenza F dell'aria rispetto
ad un corpo:
dove
D è la densitàdell'aria, A è l'area frontale del corpo e V è
la velocità.
Basi
di Fluidodinamica:
L'aerodinamica
non è che un caso particolare della fluidodinamica, che è lo
studio della dinamica, del movimento dei fluidi in generale. Il
moto di un corpo in un fluido, quando è abbastanza lento,
risulta "laminare", cioè il fluido si sposta come se
fosse costituito da tante lamine sottili che scorrono l'una
sull'altra. Quando il moto del corpo nel fluido è troppo
veloce, si definisce "turbolento", in quanto si
formano in modo caotico tanti piccoli vortici e le velocità
differiscono notevolmente anche per punti molto vicini e
cambiano rapidamente nel tempo. Una opportuna forma dell'oggetto
può favorire il moto laminare: la forma a goccia: Il
moto laminare è quello che garantisce la minor resistenza
all'avanzamento, in più facilita notevolmente lo studio dei
fenomeni che caratterizzano la fluidodinamica.
Moto
turbolento
moto laminare
Se
qualcuno avesse dubbi sui vantaggi aerodinamici della forma a
goccia, notate bene i coefficienti scritti sotto ad ognuna delle
seguenti figure:
Il
profilo a goccia dà una resistenza 7 volte inferiore alla
sfera!!!
Esiste
anche una formula per calcolare approssimativamente la
resistenza F dell'aria rispetto ad un corpo:
1/2DAV²
dove
D è la densità dell'aria, A è l'area frontale del corpo e V
è la velocità.
Come
funzionano le ali:
Il
principio di funzionamento delle ali può essere ricondotto al
teorema di Bernoulli per la fluidodinamica, secondo il quale
(per il moto laminare) lungo un alinea di flusso la pressione è
inversamente proporzionale al quadrato della velocità. Nella
figura in basso sono indicati due profili, uno curvilineo, ed
uno piano. Facendo scorrere un fluido su queste superfici si
nota che il la linea di fluido che scorre sul profilo superiore
deve percorrere più strada, nello stesso tempo, rispetto al
profilo inferiore. L'aria è quindi più veloce sopra l'ala ed
è minore la pressione dell'aria.
Questa
differenza di pressione fa sì che l'ala subisca una spinta
verso l'alto detta PORTANZA (la freccia blu).
La
freccia rossa indica la resistenza al mezzo.
Rovesciando
il profilo (come si è fatto in F1) si ottiene DEPORTANZA.
Inclinando
il profilo aumenta la depressione ed aumenta di conseguenza la
deportanza, ma aumenta anche il freno dell'aria (la sezione
frontale è maggiore).
Inizialmente
questo "inconveniente" venne superato con lo
stratagemma delle ali mobili, ma nella F1 moderna, in tempi di
ali fisse (o quasi, vedi: Ali che si flettono), è fondamentale
trovare il miglior compromesso fra carico deportante e
resistenza dell'aria. Dato che le ali servono fondamentalmente
in curva, saranno i circuiti più tortuosi a richiedere un
maggior carico alare, sacrificando la velocità massima in
rettilineo, mentre nei circuiti con i rettifili più lunghi
saranno utilizzate ali quasi orizzontali.
 
Configurazioni
alari della F399 rispettivamente a Monte Carlo e a Monza.
Effetto
Venturi:
Anche
l'effetto Venturi è un'applicazione del teorema di Bernoulli
che sfrutta l'accelerazione dell'aria in un condotto ricavato
fra l'asfalto ed il fondo vettura.
Il
condotto era sigillato perfettamente dalle
"minigonne", le bandelle laterali che, scorrendo lungo
le fiancate, impedivano all'aria di entrare nel fondo vettura
dai lati.
Dato
che la portata (quantità di aria al secondo) dell'aria sotto le
fiancate non cambia, l'aria era costretta ad accelerare nel
punto di restringimento del condotto, portando ad una
diminuzione della pressione che determinava la deportanza.
 Era
fondamentale quindi garantire il massimo afflusso di aria con
moto non turbolento (il teorema di Bernoulli non è più valido
per il moto turbolento, si riduce l'efficienza del profilo
alare) e il massimo deflusso nella parte posteriore, che
avveniva per mezzo di opportuni "estrattori" (condotti
a sezione via via più grande.
Nel
tentativo di ridurre l'efficienza di tale soluzione la
federazione internazionale impose ben presto delle minigonne
fisse, non perfettamente aderenti al suolo ed arrivò nell'83 ad
introdurre un nuovo fondo piatto in cui l'effetto Venturi era
limitato ai soli diffusori (altro nome degli estrattori)
posteriori.
Anche
il fondo piatto tuttavia non è esente da rischi di
"decolli", basti vedere queste immagini:
Monza
'93
Le
Mans '99
Il
Cx delle F1 moderne:
Chi
pensa alle F1 come fossero dei Jet con le ruote si sbaglia. Il
coefficiente che quantifica la prestazione aerodinamica, il Cx
appunto, è molto alto (cioè indica una prestazione pessima!),
superiore a quello di una utilitaria, a causa delle ruote
scoperte, ma anche delle superfici alari, che si presentano come
vere e proprie barriere contro l'aria. Sotto questo aspetto sono
eloquenti i 280 Km/h di velocità di punta dell'Hungaroring ed i
360 Km/h di Monza (vedi: Come funzionano le ali).
Perché
non ci sono più sorpassi in F1?
E'
la domanda-tormentone che si fa
ogni appassionato di questo fantastico sport quando si ritrova a
dover assistere ad un Gran Premio nel quale solo qualche fumata
ogni tanto (si spera non delle rosse!) rompe la monotonia di un
trenino di vetture che si rincorrono senza la possibilità (o la
volontà?) di sorpassi da parte dei piloti. In realtà il
problema è decisamente vecchio e si può ricondurre alla
nascita delle ali, che incrementano la velocità di percorrenza
delle curve da parte delle vetture, ma risentono molto della
turbolenza di un'eventuale vettura che precede.
La
turbolenza generata dalla vettura davanti fa perdere carico
sull'ala anteriore della propria vettura, aumentando il
sottosterzo in curva, ovvero, la macchina, a parità di velocità
rispetto alla macchina davanti, non riesce a mantenersi in
traiettoria, tendendo ad allargare con l'anteriore.
Di
questo fatto si lamentavano già i piloti degli anni '70 e 80.
Verrebbe allora da chiedersi perché proprio in quegli anni sono
state scritte le pagine più belle della Formula 1,con gli epici
duelli a suon di sorpassi di Gilles Villeneuve, Arnoux, Senna,
Piquet, Alboreto, Mansell, Prost, etc...
In
effetti si potrebbe arrivare alla conclusione che quei piloti
erano fatti di un'altra pasta, ma in difesa dei piloti odierni,
si può obiettare che le monoposto moderne sono molto più
spinte, delicate, sono vetture "estreme", difficili da
guidare e con le quali è difficile far risaltare le doti di
ogni singolo pilota. La FIA poi, ci ha messo del suo prendendo
dei provvedimenti, come la riduzione delle carreggiate e
l'introduzione delle gomme scanalate, che di certo se hanno
migliorato la situazione dal punto di vista della sicurezza, non
hanno certo facilitato il lavoro dei piloti, aumentando
l'instabilità delle vetture. I rifornimenti in gara
costituiscono inoltre un ulteriore deterrente contro il
tentativo di sorpasso, visto che qualche posizione la si può
guadagnare al pit stop.
In
realtà l'unica via possibile per tornare a vedere sorpassi in
F1 su tutte le piste ed in tutte le condizioni sarebbe
incrementare il grip (aderenza all'asfalto) meccanico (cioè
quello dovuto al lavoro delle ruote, delle sospensioni e del
telaio) che facilita i piloti nel controllo della vettura nelle
manovre più ardite, e ridurre il grip aerodinamico (quello
dovuto alle ali ed al fondo piatto) che è disturbato
dalla vettura che precede.
Magari
gli sponsor non sarebbero molto contenti di veder tolti quegli
enormi cartelloni pubblicitari che sono le ali odierne, ma
probabilmente ritroveremo il gusto delle gare di 30 anni fa,
dove era determinante il gioco delle scie e l'astuzia e la
perizia dei piloti era esaltata ai massimi livelli.
Ecco
cosa succedeva alle F1 senza ali...
Muso
alto o muso basso? 
Una
delle grandi questioni di fine secolo che hanno animato le menti
dei progettisti in F1 è lo "scontro" fra i
sostenitori del muso alto, con al primo posto la Ferrari, e
quelli del muso basso, con il progettista Mclaren Adrian Newey
il primo piano.
Ogni
soluzione presenta sia dei vantaggi che degli svantaggi. Per
esempio il muso alto, sviluppato all'estremo nella F1-2000 da
Rory Byrne, l'ex progettista Benetton che per primo l'aveva
introdotto, permette un maggior afflusso di aria
"pulita" nel fondo scocca, favorendo l'effetto Venturi
(molto limitato, a causa del fondo scalinato, vedi: Come
funziona un F1 moderna). Per contro un muso più alto alza il
baricentro della vettura, sfavorendone le prestazioni (aumentano
il beccheggio ed il rollio), cosa che ha cercato di evitare il
Adrian Newey nella Mp4/13 del '98, abbassando il musetto di
molto rispetto alle vetture dello stesso anno e disegnandolo con
una particolare sezione a V in modo da permettere comunque un
discreto afflusso d'aria nella parte inferiore della vettura.
Nel
'98 e '99 ha nettamente prevalso la scelta di Newey, con la
duplice vittoria della sua monoposto e la tendenza da parte di
molti teams ad adeguarsi al muso basso. La Ferrari, però ha
proseguito per la sua strada e quest'anno ha con coraggio
ulteriormente sviluppato il muso rialzato e scavato nella parte
inferiore, in controtendenza rispetto alle altre squadre,
riuscendo ad ottenere un netto salto di prestazioni
(naturalmente dovuto anche ad altre componenti).
Le
sospensioni dell'Arrows A21:
In
tema di ricerca aerodinamica estrema, che dà un grande peso
anche ai dettagli vale la pena di citare l'Arrows che quest'anno
cha presentato la nuova vettura progettata dall'aerodinamico ex
Williams Eghbal Hamidy con una soluzione vecchia, ma comunque
interessante, dato che nessuna squadra la usava più da anni. si
Tratta della sospensione anteriore " pull
rod", ansiché "push rod", ovvero non c'é più
il puntone che preme quando la ruota viene spinta verso l'alto,
ma un tirante che svolge la stesa funzione di ammortizzamento
appunto in tiraggio.
Senza
entrare nel dettaglio basti sapere che un tirante a parità di
forza, può essere costruito con un diametro minore rispetto ad
un punto. In sostanza all'Arrows si sono messi a progettare una
sospensione nuova, difficile da metter a punto con il muso
semi-basso che va di moda oggi, solo per guadagnare qualcosa in
penetrazione aerodinamica.
Sono
impazziti? Le prestazioni, almeno quelle velocistiche, che hanno
mostrato fin'ora suggerirebbero proprio di no (anche se ancora
una volta, il complesso delle prestazioni dipende da molti
fattori).
Ali
che si flettono.
Il
caso è scoppiato a Suzuka nel '97 e da allora praticamente non
si è più chiuso. Anche in televisione era evidente la
flessione dell'alettone anteriore della Ferrari di Michael
Schumacher, flessione che avvicinava le paratie laterali
dell'ala al suolo, migliorandone il rendimento (maggior effetto
Venturi). Naturalmente l'alettone ritornava in posizione
corretta a vettura ferma, consentendo alla monoposto di superare
le verifiche post gara. Indiscrezioni parlarono di una soluzione
simile, proprio nello stesso GP, anche sull'alettone posteriore
della Williams di Jacques Villeneuve. Da
allora, con l'aumentare delle prove di nuovi materiali
deformabili da parte di molte squadre, sono diventate sempre più
frequenti le rotture di ali sia durante i test privati che
durante le gare, portando la FIA ad imporre dei test di
elasticità delle appendici alari (in precedenza il regolamento
diceva soltanto che queste dovevano essere rigidamente collegate
al corpo vettura, ma non specificava il coefficiente di
elasticità dei materiali di costruzione).
Il
vantaggio fornito da un'ala deformabile è facilmente intuibile,
dato che all'aumentare della velocità la resistenza dell'aria
appiattisce l'ala, tendendo a renderla più orizzontale, quindi
con una minor resistenza all'avanzamento.
La
difficoltà da parte della FIA nel l'imporre dei parametri sta
però nel fatto che le appendici alari devono avere una certa
elasticità, in modo da assorbire le notevoli vibrazioni causate
dagli alti regimi del motore, una eccessiva rigidità infatti
causerebbe lo spezzarsi dei supporti degli alettoni.
Il
problema della rigidità delle appendici alari è decisamente
complesso e rappresenterà probabilmente uno degli sviluppi
futuri della ricerca aerodinamica, che oggi si avvale di potenti
software di cam-cad e simulazione, prospettando un futuro nel
quale le gallerie del vento saranno sostiuite da potenti
calcolatori.
By Ricca
Critiche, consigli e suggerimenti saranno graditi, all'indirizzo
e-mail nricca@val.it.
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