Tesi Aerodinamica in Ambito Automobilistico

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 L'aerodinamica è una scienza derivata della fluidodinamica che studia la dinamica dei gas, in  particolare dell 'aria, e la loro interazione con corpi solidi. La risoluzione di un problema di aerodinamica comporta generalmente la risoluzione di equazioni per il calcolo di diverse proprietà dell'aria, come ad esempio velocità,  pressione, densità, e temperatura, in funzione dello spazio e del tempo. Classificazione e campi di applicazione In genere i problemi di aerodinamica sono classificati in base all'ambiente in cui è definito il flusso. L'aerodinamica esterna studia i flussi attorno a corpi solidi. Tipici campi di applicazione prevedono, ad esempio, la determinazione della portanza e della resistenza di un profilo alare in campo aeronautico piuttosto che automobilistico. Altri campi di applicazione possono essere trovati più in generale nella progettazione di qualsiasi tipo di veicolo, così come anche in applicazioni navali. Anche l'ingegneria civile si occupa di aerodinamica e, in particolare, di aeroelasticità per la determinazione dei carichi dovuti al vento su  ponti o grandi strutture ed edifici alti. L'aerodinamica interna studia invece i flussi all'interno di corpi solidi, come possono essere, ad esempio, i flussi in un motore o in dei canali di condizionamento. Forze aerodinamiche Uno dei risultati più importanti dell'aerodinamica è la determinazione delle forze aerodinamiche che agiscono su un corpo. Il loro calcolo preciso è di importanza fondamentale nel progetto di un velivolo, di una barca a vela o di un'autovettura da corsa. Le forze resistenti originate dall’aria agiscono su una vettura in tre direzioni diverse: frontalmente, verticalmente e lateralmente (da considerare solamente in presenza di vento o di asimmetrie nelle fiancate della carrozzeria). La prima si oppone all’avanzamento, la seconda (portanza) tenta di sollevare il veicolo da terra. Vista la diversità delle forme tra il profilo della zona anteriore e di quella posteriore, le spinte verticali non coincidono mai sui due assi e la Fz (portanza totale) viene suddivisa tra avantreno e retrotreno come mostra la figura. Schema delle forze agenti in un autoveicolo  Le forze resistenti si possono calcolare moltiplicando i fattori di forma (Cx e Cz) per l’area delle rispettive sezioni (nel calcolo figurano anche la densità dell’aria e il quadrato della velocità).  Nel caso di un velivolo in condizioni di volo orizzontale rettilineo uniforme le forze resistenti originate dall’aria sono tre: il peso del velivolo "W" (dall'inglese Weight), dovuto alla forza della gravità; la spinta dei motori "T" (dall'inglese Thrust); la forza aerodinamica risultante "R". Per convenzione, per semplificare i calcoli la forza aerodinamica risultante viene scomposta in una componente perpendicolare alla velocità del velivolo (velocità asintotica) e in una componente  parallela alla velocità del velivolo; rispettivamente:  portanza "L" (dall'inglese Lift) resistenza "D" (dall'inglese Drag).

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L'aerodinamica è una scienza derivata della fluidodinamica che studia la dinamica dei gas, in

 particolare dell'aria, e la loro interazione con corpi solidi. La risoluzione di un problema di

aerodinamica comporta generalmente la risoluzione di equazioni per il calcolo di diverse proprietà

dell'aria, come ad esempio velocità,  pressione, densità, e temperatura, in funzione dello spazio e del

tempo.

Classificazione e campi di applicazione In genere i problemi di aerodinamica sono classificati in base all'ambiente in cui è definito il flusso.

L'aerodinamica esterna studia i flussi attorno a corpi solidi. Tipici campi di applicazione prevedono,

ad esempio, la determinazione della portanza e della resistenza di un profilo alare in campo

aeronautico piuttosto che automobilistico.

Altri campi di applicazione possono essere trovati più in generale nella progettazione di qualsiasi

tipo di veicolo, così come anche in applicazioni navali. Anche l'ingegneria civile si occupa di

aerodinamica e, in particolare, di aeroelasticità per la determinazione dei carichi dovuti al vento su

 ponti o grandi strutture ed edifici alti.

L'aerodinamica interna studia invece i flussi all'interno di corpi solidi, come possono essere, ad

esempio, i flussi in un motore o in dei canali di condizionamento.

Forze aerodinamicheUno dei risultati più importanti dell'aerodinamica è la determinazione delle forze aerodinamiche che

agiscono su un corpo. Il loro calcolo preciso è di importanza fondamentale nel progetto di un

velivolo, di una barca a vela o di un'autovettura da corsa.

Le forze resistenti originate dall’aria agiscono su una vettura in tre direzioni diverse: frontalmente,

verticalmente e lateralmente (da considerare solamente in presenza di vento o di asimmetrie nelle

fiancate della carrozzeria). La prima si oppone all’avanzamento, la seconda (portanza) tenta di

sollevare il veicolo da terra. Vista la diversità delle forme tra il profilo della zona anteriore e di

quella posteriore, le spinte verticali non coincidono mai sui due assi e la Fz (portanza totale) viene

suddivisa tra avantreno e retrotreno come mostra la figura.

Schema delle forze agenti in un autoveicolo

 

Le forze resistenti si possono calcolare moltiplicando i fattori di forma (Cx e Cz) per l’area delle

rispettive sezioni (nel calcolo figurano anche la densità dell’aria e il quadrato della velocità).

 Nel caso di un velivolo in condizioni di volo orizzontale rettilineo uniforme le forze resistenti

originate dall’aria sono tre:

• il peso del velivolo "W" (dall'inglese Weight), dovuto alla forza della gravità;

• la spinta dei motori "T" (dall'inglese Thrust);

• la forza aerodinamica risultante "R".

Per convenzione, per semplificare i calcoli la forza aerodinamica risultante viene scomposta in una

componente perpendicolare alla velocità del velivolo (velocità asintotica) e in una componente

 parallela alla velocità del velivolo; rispettivamente:

•  portanza "L" (dall'inglese Lift)• resistenza "D" (dall'inglese Drag).

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Per avere un volo rettilineo e uniforme queste forze devono essere in equilibrio, ovvero deve

sussistere:

• L = W

• D = T

Schema delle forze agenti su un velivolo

PortanzaLa portanza è definita come la forza aerodinamica agente in direzione perpendicolare alla direzionedel vento che investe il profilo e permette al velivolo di alzarsi in volo. Essa è positiva se orientata

verso l'alto. La portanza è dovuta alla particolare forma del profilo alare che sfrutta le leggi

dell'aerodinamica, quali ad esempio il principio di Bernoulli, che stabilisce che all'aumentare della

velocità del fluido la pressione statica diminuisce. Essendo la velocità dell'aria maggiore

sull'estradosso (parte superiore dell'ala), e minore sull'intradosso (parte inferiore dell'ala), la

conseguente differenza di pressione genera la portanza. 

 Forze agenti sul profilo alare

La portanza si calcola con la formula generale:

dove "ρ" è la densità dell'aria, "V" è la velocità di volo; "S" è la superficie di riferimento (nel caso

di velivoli si tratta di superficie alare). CL è un coefficiente adimensionale detto coefficiente di portanza. Esso varia in funzione della forma geometrica dell'ala, dell'angolo d'attacco, del numero

di Reynolds e del numero di Mach. In particolare per angoli d'attacco inferiori all'angolo di stallo è

 possibile esprimere il coefficiente di portanza come:

CL = CLαα

dove con α è indicata l'incidenza del profilo (angolo formato dalla corda del profilo con la direzione

del vento indisturbato che lo investe). Oltre l'angolo di stallo tale relazione lineare non è più valida

e si nota un brusco decremento del coefficiente di portanza.

DeportanzaLa deportanza è una forza verticale diretta verso il basso, generata dall’aria che investe un profilo

alare rovesciato come quello usato per gli alettoni di Formula 1. La deportanza generata da unalettone dipende dalla sua corda (distanza dal bordo di entrata al bordo di uscita del profilo alare),

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dall’incidenza dell’ala (inclinazione) e dalle paratie laterali particolarmente elaborate sulle attuali

monoposto.

La deportanza viene sfruttata in ambito automobilistico quando i veicoli raggiungono velocità

elevate, per garantire l'aderenza al suolo dello pneumatico.

Si applicano allora degli appositi alettoni, che sfruttano lo stesso principio delle ali degli

aeromobili, ma in senso opposto.

Per ottenere ciò, il profilo alare è inclinato in modo da deviare l'aria verso l'alto.  

Un altro metodo è quello d'adoperare un fondo piatto della vettura, assieme alle minigonne e a un

estrattore posteriore, in modo da creare una depressione sotto l'auto.

 Nelle auto moderne ci si accontenta in genere di avere un valore di deportanza zero o leggermente

 positivo in grado di aiutare la tenuta di strada in velocità: a questo proposito è interessante rilevare

l'ottimo risultato ottenuto dalla Ferrari con la nuova 360 Modena che a 290 Km/h sviluppa una

deportanza di 180 kg equamente divisi tra avantreno e retrotreno, senza far ricorso ad alcuna ala

aggiuntiva, ma solo grazie alla forma e all'effetto suolo creato dal fondo piatto e libero da

 protuberanze.

 Ferrari 360 Modena nella galleria del vento

ResistenzaLa resistenza è definita come la forza aerodinamica agente in direzione parallela (e con verso

opposto) alla direzione del moto. Essa è composta fondamentalmente da tre termini:

• resistenza di attrito 

• resistenza di pressione 

• resistenza indotta (o resistenza di vortice)

La resistenza di attrito è dovuta alla viscosità del fluido.

La resistenza di pressione è dovuta alla differenza di pressione agente sulla parte anteriore e

 posteriore del corpo in moto. Anch'essa è fondamentalmente dovuta alla viscosità del fluido, però

 per comodità di calcolo viene trattata separatamente dalla prima.

La resistenza indotta è dovuta al meccanismo di generazione della portanza. Sull’estradosso del profilo alare la pressione è inferiore rispetto all'intradosso. Le equazioni di Navier-Stokes 

stabiliscono che in tali condizioni il flusso d'aria tenderà a passare dall'intradosso all'estradosso

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laddove questo è possibile. Nel caso di un'ala di lunghezza finita questo si verifica in

corrispondenza delle estremità alari. In questi punti l'aria acquista una componente di velocità

 perpendicolare alla direzione del volo che, sommandosi alla componente parallela (velocità di volo)

genera un movimento vorticoso che dissipa l'energia creando resistenza.

La resistenza si pone uguale a:

dove ρ è la densità dell'aria, V è la velocità di volo, S è la superficie di riferimento (nel caso di

velivoli si tratta di superficie alare, nel caso di autovetture si usa la superficie frontale del mezzo).

CD (indicato anche con CX nell'ambito automobilistico) è un coefficiente adimensionale detto

coefficiente di resistenza. Esso varia in funzione della forma geometrica dell'ala, dell'angolo

d'attacco, del numero di Reynolds e del numero di Mach.

I progressi compiuti nella fluidodinamica computazionale, unitamente alle prestazioni sempre più

elevate dei calcolatori elettronici, consentono oggi di fare una stima molto precisa dei vari

coefficienti aerodinamici (CL, CD ed altri ancora). Tuttavia, dato il notevole costo computazionale di

questo tipo di simulazioni, la complessità matematica dei problemi aerodinamici e la non completa

conoscenza di fenomeni fisici che li governano, tali coefficienti vengono tuttora spesso determinatiempiricamente, misurando (all'interno della galleria del vento o mediante le prove in volo) le forze

che agiscono su aerei o sui modelli in scala ridotta o naturale.

 Andamento tipico di coefficienti C  L e C  D di un' ala finita

Resistenza all’avanzamentoLa forza che si oppone all'avanzamento dei veicoli (su strada pianeggiante) è la somma della

resistenza aerodinamica e di quella di rotolamento del pneumatico. Entrambe crescono sempre più

all’aumentare della velocità (non in modo lineare), ma la prima forza in modo esponenziale e

 partendo da zero, mentre la seconda più gradualmente e da un certo valore iniziale.

Come si può notare dal grafico, le curve delle resistenze aerodinamiche sono molto diverse tra loro

 pur appartenendo alla stessa tipologia di vettura del segmento “C”; la curva 1 rappresenta quella di

un veicolo moderno (Cx 0,34), dalle forme più curate, la seconda invece è relativa a un’auto datata

con una scarsa penetrazione aerodinamica, come potrebbe essere una Fiat Ritmo prima serie,

caratterizzata da un Cx di 0,44, un valore decisamente elevato che nel 1982 fu mitigato con

ammorbidimenti estetici e soprattutto con i quattro fari meglio integrati nell’insieme, facendodiminuire il Cx fino a 0,4. Da notare che il punto di pareggio tra le due forze resistenti

(aerodinamica e rotolamento) sulla curva 2 si ha intorno ai 75 km/h, mentre sulla curva 1

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corrisponde a circa 120 km/h. Una differenza abissale che giustifica ampiamente le scarse velocità

massime delle vetture più anziane rispetto a quelle moderne di pari categoria e potenza.

 Andamento della resistenza di rotolamento (curva rossa) e aerodinamiche (curve blu) 

Effetto suolo

L'effetto suolo consiste in una modificazione del campo aerodinamico attorno al corpo, quando essosi muove in vicinanza del suolo, e nella corrispondente variazione delle forze aerodinamiche ad

esso applicate. Nelle autovetture da corsa risulta necessario creare deportanza (ovvero avere il

massimo grip sfruttando l'aerodinamica), anche se non bisogna dimenticare che la natura intrinseca

dell'effetto suolo è quello di creare portanza, e solo per mezzo di forme opportune è possibile

invertirne il funzionamento.

 Rappresentazione dell’effetto suolo su di un corpo

Un corpo simmetrico che si muove nell'aria ad una certa distanza dal suolo ha intorno a se un flusso

simmetrico, non esiste quindi portanza ma sola resistenza. Avvicinando questo corpo al suolo il

campo aerodinamico non è più perfettamente simmetrico: una frazione via via maggiore passa al disopra con una maggiore velocità (quindi minore pressione) mentre una frazione minore passa al di

sotto, con minore velocità (e maggiore pressione). Ne consegue l'insorgere di una forza, detta

 portanza, che è legata all’esistenza di una differenza di pressione nel corpo. Generalmente

l'insorgere di questa forza è accompagnata ad un incremento di resistenza R, legata principalmente

alle distorsioni del flusso. Una certa riduzione di questa maggiore resistenza si può concettualmente

ottenere facendo perdere simmetria al corpo nello stesso senso in cui il campo aerodinamico ha

 perso simmetria e cioè inarcando la sua linea media, in modo da riportare i punti di arresto a

coincidere con i bordi di ingresso e di uscita.

Per ottenere dall'effetto suolo occorre in sostanza modificare le forme in modo che sotto alla vettura

 passi un flusso d'aria con una velocità maggiore di quello che passa sopra la vettura.

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Velocità del flusso d’aria in una monoposto da Formula 1

Questa funzione in Formula1 viene svolta dall'alettone posteriore rispetto al profilo estrattore.

L'alettone, oltre a svolgere la sua funzione di ala deportante, permette quindi di realizzare le

condizioni al contorno in depressione necessarie al profilo estrattore.

In una vettura da Formula 1 si può osservare come:Il muso sia rialzato per avere una corretta collocazione del punto di arresto e per permettere

l'evacuazione dello strato limite.

Lo strato limite formato sotto alla parte anteriore del corpo vettura viene catturato dalla scanalatura

ed evacuato sui lati.

Grande importanza assume il mantenimento della depressione, per mezzo del contenimento dei

flussi laterali che, dall'esterno, tendono ad entrare sotto la vettura, richiamati dalla depressione che è

instaurata. Durante gli ultimi anni queste tecniche di contenimento, in base alla variazione dei

regolamenti, hanno avuto delle evoluzioni che hanno determinato anche cambiamenti radicali delle

monoposto.

Oggigiorno è stato introdotto un fondo scalinato, con l'unico compito di limitare la superficie di

fondo piatto e di aumentare l'altezza da terra, anche se non mancano esempi di fondi piatti (comequello McLaren) in cui si riesce a recuperare la deportanza persa con uno studio attento dei flussi

d’aria ed adottando un fondo piatto che assomiglia alla chiglia di una barca.

Principio di BernoulliUna delle leggi fondamentali che regolano il moto dei fluidi è il  principio di Bernoulli. Il principio

mette in relazione un incremento della velocità della corrente in un fluido perfetto (incomprimibile

e privo di attrito interno) con una diminuzione della pressione. Applicando il principio di Bernoulli

si può comprendere lo sviluppo della portanza sul profilo alare di un velivolo in volo. Un'ala, o una

superficie portante in generale, è progettata in modo che l'aria scorra più velocemente sulla

superficie superiore che su quella inferiore. La differenza di pressione che ne consegue, tra la facciasuperiore e quella inferiore, dà luogo a una forza verticale diretta verso l'alto (portanza) che sostiene

il velivolo durante il volo. Il principio di Bernoulli regola anche l'andamento della forza del vento

che agisce su superfici di forma aerodinamica. La vela di una barca in movimento, ad esempio, è

una tipica superficie aerodinamica. Anche le automobili da corsa vengono progettate in modo che

l'aria fluisca rapidamente tra la macchina e il terreno così da ridurre la pressione sotto l'automobile,

migliorando la tenuta di strada. Per incrementare questo effetto si aggiunge solitamente l'alettone,

una superficie aerodinamica montata sul retro della macchina.

Un altro importante aspetto dell'aerodinamica è lo studio della resistenza che si oppone al moto in

aria di un corpo solido. Tale forza può essere significativamente ridotta modificando in maniera

opportuna la forma dell'oggetto: quando quest'ultima non è perfettamente aerodinamica, l'intensità

della forza dissipativa aumenta in modo approssimato con il quadrato della velocità del corpo inmoto nell'aria. L'energia richiesta per guidare un'automobile a velocità costanti e medio-alte serve

 principalmente per vincere la resistenza offerta dall'aria.

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Air force, il nemico invisibileIl più energico nemico dell’automobile è l’aria, l’invisibile scudo che abbiamo imparato a fendere

 plasmando le carrozzerie. Ecco come nasce la sua forza e perché s’ingigantisce con la velocità

L’auto è fortemente condizionata dall’aerodinamicità delle sue forme perché alterano vari fattori

quali la velocità massima, i consumi e la tenuta di strada al crescere dell’andatura. Quest’ultima è in

antitesi con gli altri benefici, e trovare un buon compromesso che li soddisfi tutti non è facile.

L’aerodinamica nelle autoL'aerodinamica è lo studio del movimento dei fluidi nel quale si muove un corpo, nel nostro caso

rispettivamente l’aria e l’automobile; lo spostamento di quest’ultima è fortemente condizionato

dalla resistenza che il fluido esercita su di esso e dalle interazioni reciproche che si originano. Le

forze aerodinamiche sulla carrozzeria nascono perché il fluido non avvolge la sagoma in modo

omogeneo e simmetrico, determinando turbolenze e attriti sulle superfici. Se così non fosse il

veicolo posteriormente godrebbe di una controspinta equivalente alla spinta anteriore, annullando di

fatto questa resistenza all’avanzamento. Quest’ultima, apparentemente di modesta entità a bassa

andatura, cresce in modo esponenziale con la velocità, assumendo una notevole importanza per iconsumi di carburante e per la massima punta velocistica raggiungibile dall’auto. Da sottolineare

che la resistenza aerodinamica riveste maggiore importanza sulle vetture piccole che sulle grandi

 berline (perché al crescere del volume la massa aumenta molto, mentre la sezione frontale

s’ingrandisce poco); inoltre è più problematico realizzare un valido coefficiente di forma per le

automobili compatte (che solitamente hanno anche meno potenza), perché le forme allungate si

 prestano meglio allo scopo.

 

Coefficienti di forma 

  Fig 1 Cx delle principali forme geometriche Fig 2 Cz e forze agenti sul profilo

Tra i coefficienti di forma, il Cx è certamente il più noto, poiché decreta l’efficienza aerodinamica

dell’auto (consumi e prestazioni velocistiche); sfortunatamente non figura tra i dati solitamente

dichiarati dai costruttori.

La Figura 1 mostra il Cx di alcuni corpi dalle forme geometriche facilmente riconoscibili, molto

diverse da quelle sinuose delle automobili. La prima immagine, la lastra piana, è l’unica insensibile

alle dimensioni e alla velocità dell’aria, mentre le altre presentano variazioni dei fattori di forma

quando si modificano alcuni parametri. Le ultime due sagome sono uguali, ma posizionate

specularmente; quella sotto è decisamente più efficiente delle altre, poiché genera una modesta

turbolenza (linea rossa) nella zona di ricongiungimento della vena fluida. In assenza diquest’ultima, il Cx sarebbe uguale a 0, poiché il corpo subirebbe una controspinta da dietro che

compenserebbe la spinta frontale. Dell’altro coefficiente di forma, il Cz, si sente comunque parlare

 perché è legato alla portanza degli aerei o alla deportanza degli alettoni delle Formula 1. La Figura

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2 mostra come, inclinando il corpo in basso nella Figura 1 (che posizionato orizzontalmente non

genera spinte verticali), nasce una Forza (Fz) perché è stato modificato il coefficiente di forma Cz.

 Nella Figura 2, in alto a sinistra, l’ala inclinata obbliga la vena fluida che scorre superiormente

(sullo sfondo rosso) a compiere un percorso più lungo rispetto a quella inferiore, prima di

ricongiungersi con essa. Affinché ciò avvenga, l’aria sovrastante deve muoversi più velocemente di

quella sotto (compie orizzontalmente la stessa distanza nello stesso tempo, ma il tragitto effettivo è

 più lungo). Per il noto effetto Venturi (fenomeno fisico per cui la pressione di una corrente fluida

aumenta con il diminuire della velocità.) sappiamo che la pressione sopra all’ala risulta inferiore a

quella sottostante, dando vita alla forza verso l’alto (Fz) definita portanza. I due disegni in basso

nella Figura 2 illustrano sullo sfondo verde il caso opposto (se sopra l’ala diminuisce la velocità

dell’aria conseguentemente aumenta la pressione), dove viene esercitata una forza Fz rivolta verso il

 basso, definita deportanza, come quella generata dagli alettoni di una monoposto da Formula 1.

Cx e sezione frontalePer valutare la resistenza all’avanzamento di una vettura, non basta individuare il coefficiente di

forma Cx, perché caratterizza esclusivamente la sagoma della sezione frontale, non le sue

dimensioni (i coefficienti Cx, Cz e Cy sono tutti adimensionali). Costruire un modellodell’automobile in scala 1:4 per studiarlo nella galleria del vento, permette di stabilire il coefficiente

di forma dei due veicoli (che è identico); la resistenza al moto invece è assai diversa, perché l’area

della sezione frontale dell’auto è 16 volte maggiore di quella del modellino. La Figura 3 mette a

confronto una vettura sportiva con una berlina. La sagoma gialla che individua la prima è

decisamente più aerodinamica di quella azzurra. Inoltre, l’area della sezione frontale interessata è

minore, come si evince dal disegno di sovrapposizione in basso a destra. Il vantaggio aerodinamico

(Cx) dell’auto sportiva sembra evidente anche a parità di area, ma diventa abissale (sempre più la

crescere della velocità) in virtù della ridotta superficie esposta all’aria. Il motivo è chiarito dalla

formula in alto sullo sfondo grigio, che individua la forza resistente all’avanzamento, frutto del

 prodotto tra il Cx e la sezione frontale (moltiplicato nuovamente per la costante di densità del fluido

e per il quadrato della velocità). Vale la pena rimarcare che nella formula per il calcolo della “Fresistente (ovvero Fx)” la velocità figura al quadrato, mentre per stabilire la potenza che il motore

deve erogare per vincerla, la velocità compare al cubo (la potenza è il prodotto di una forza per una

velocità) come indica la formula in basso sullo sfondo grigio. Insomma, se per viaggiare a 120 km/h

 bastano più o meno 40 cavalli, per andare a 180 servono circa 90 CV, mentre per superare i 330

km/h occorrono 600 CV! La curva verde nella Figura 4, relativa a un veicolo del segmento medio di

moderna concezione, indica l’andamento della resistenza totale all’avanzamento, frutto della

somma tra quella rossa di rotolamento (su strada pianeggiante) e quella blu aerodinamica.

  Fig 3 Cx di un auto sportiva e berlina a confronto Fig 4 Grafico dell’andamento della resistenza totale

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Cx delle auto di serie  Nelle auto da turismo un coefficiente di penetrazione aerodinamico è importante per consumare

meno carburante perchè la resistenza aumenta con il quadrato della velocità: oggi in genere si hanno

valori del Cx inferiore al 0,35 tranne rare eccezioni.

Le grandi berline possono sfoggiare un coefficiente di penetrazione aerodinamica migliore di quelle

 più piccole che raramente scendono sotto lo 0,30; ad esempio la Lexus IS ha un Cx di 0,27, mentre

la Mini BMW, per via del design ispirato alla celebre antenata, ha un Cx decisamente penalizzante:

0,35-0,36 (a seconda delle versioni), ma l’area della sezione frontale è di soli 1,97 mq. Ciò perché

alla fine dei conti anche la superficie esposta all’aria pesa molto sulle prestazioni. Tra una sportiva

efficiente e una voluminosa SUV il divario di velocità e di consumi è impressionante, perché si

sommano gli effetti del Cx e dell’area esposta al vento. La Porsche Boxster (3.2 da 280 CV e 260

km/h) a 90 km/h consuma 13 km/litro e 9,7 a 120 km/h; la Mercedes ML 350 da 272 CV raggiunge

solo 218 km/h e alle stesse velocità consuma rispettivamente 10 e 8 km/litro. Per guadagnare le alte

velocità, superiori ai 200 km/h, è molto più proficuo lavorare sul Cx dell’auto (e limitare la sagoma

frontale) che aumentare la potenza del motore, perché colmare l’handicap richiede tantissimi cavalli

in più e al “prezzo” di consumi esorbitanti. La Mercedes Slr (5.5 da 626 CV con velocità massima

334 km/h) identifica nell’aerodinamica un punto di forza, esaltata dall'utilizzo di particolari quali gliscarichi laterali, la griglia, l'Airbrake (alettone posteriore regolabile manualmente che raggiunge

un'inclinazione di 65° agevolando la frenata e diminuendo lo spazio d'arresto).

 Mercedes SLR all’interno della galleria del vento

Il Cz delle auto di serie Sulle auto di serie si manifesta sempre una certa portanza su entrambi gli assali, perché l’aria che

scorre sopra la vettura compie un percorso più lungo (riducendo la pressione) di quella che passa

sotto. Solitamente il Cz non desta molte preoccupazioni sulle auto meno potenti (dato che non sono

in grado di raggiungere elevate velocità), anche perché in genere la spinta di sollevamento fino a

150 km/h non supera i 50 kg per ogni asse. Il discorso è diverso per le auto con parecchi cavalli,

quelle che oltrepassano abbondantemente i 200 km/h, perché la portanza cresce col quadrato dellavelocità e gli alleggerimenti riducono l’aderenza dei pneumatici causando l’instabilità del veicolo.

Per tale ragione molti costruttori utilizzano spoiler fissi e persino mobili, che fuoriescono alla

carrozzeria ad una certa velocità (a partire da 120 km/h come la Porche Boxster o da 130 km/h

come sulla Lamborghini Murciélago).

Aerodinamica nella Formula 1 Nei tempi passati, in Formula 1 l’interesse maggiore era quello di rendere la vettura più

aerodinamica possibile, dandole una forma che potesse ridurre al minimo la resistenza che la vettura

opponeva al flusso d’aria durante il moto. Questa resistenza è meglio conosciuta come drag.

Diminuire le forze di drag significa, dunque, impiegare meno potenza per far sì che la vettura

avanzi passando attraverso l’aria. In altre parole, meno drag corrisponde ad una maggiore velocitàdella vettura.

Ridurre al minimo le forze di drag è stato l’obiettivo dello sviluppo aerodinamico delle vetture di

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Formula 1 fino agli anni ‘60, quando i vari team iniziarono a conoscere e prendere in

considerazione il fenomeno della deportanza. Gli ingegneri iniziarono a capire che aumentando la

 pressione verso il basso, esercitata dalla deportanza, era possibile aumentare il grip tra le ruote e la

strada, ossia l’attrito necessario per poter scaricare la potenza generata dal motore sulla pista. Si

verifica un aumento del grip all’aumentare della deportanza a cause del fatto che le forze di

adesione tra le gomme e la strada sono fortemente proporzionali al carico che queste devono

sopportare.

La scoperta della deportanza come fenomeno in grado di migliorare le prestazioni di una vettura di

Formula 1 si spinse poi ben oltre. Presto si capì che non solo la vettura poteva migliorare il grip con

la pista, con la conseguenza di poter meglio trasferire la potenza generata dal motore all’asfalto, ma

era possibile anche diminuire il pattinamento delle ruote sulla strada e rendere la macchina più

reattiva ai cambi di direzione repentini.

La generazione di forze di deportanza si basa su due teorie importanti: la teoria di Newton, secondo

la quale l’energia non può essere né creata né distrutta ma solo trasferita, ed il principio di

Bernoulli, che correla l’aumento della velocità del flusso di un fluido con la diminuzione di

 pressione che questo esercita sulle pareti del condotto entro cui scorre.

La Formula 1 funziona esattamente come se fosse un aereo rovesciato, in altri termini un’ala diFormula 1 è disegnata in modo tale che i flussi d’aria che passano sulla superficie inferiore abbiano

una velocità maggiore rispetto a quelli che lambiscono la superficie superiore. Questa differenza di

velocità genera una maggiore pressione sulla superficie superiore rispetto a quella inferiore ed il

risultato di questa differenza di pressione è una pressione risultante diretta verso il basso, chiamata

deportanza. La deportanza “spinge” la vettura verso l’asfalto, con la conseguenza di aumentare il

grip esercitato dalle gomme.

La deportanza, forza che schiaccia la vettura al suolo e il drag, resistenza dell’aria che si oppone

all’avanzamento della vettura, sono due fenomeni semplici, ma occorre ora unire insieme i due

effetti per capire cosa realmente succede su una vettura di Formula 1. Inoltre, la presenza di tratti

veloci e lenti nello stesso circuito fanno sì che la scelta degli assetti si addica solamente ad una parte

di uno stesso circuito.Alla fine degli anni ‘70 si conobbe poi un fenomeno noto come effetto suolo. Si scoprì che facendo

scorrere il fondo vettura molto vicino all’asfalto e controllando il flusso d’aria che scorreva al di

sotto del fondo della vettura era possibile aumentare drasticamente la deportanza senza però

aumentare significativamente le forze di drag.

Facendo scorrere l’aria più velocemente al di sotto della vettura si ottiene lo stesso effetto che si

avrebbe se si introducesse un aspiratore nel retro della vettura per aspirare l’aria. Proprio per questo,

il fondo delle vetture di Formula 1 viene sempre tenuto più basso possibile, compatibilmente con il

regolamento.

Il flusso di aria che scorre al di sotto del fondo vettura è controllato dal diffusore posto nel retro

della vettura. Il diffusore è un dispositivo di fondamentale importanza in quanto la sua forma

determina quanto velocemente l’aria abbandonerà il fondo della vettura. Più veloce questa saràallontanata e maggiore saranno le forze deportanti prodotte.

Altri dispositivi introdotti sulle vetture di Formula 1 moderne sono i deviatori di flusso, le strutture

sottili presenti dietro le ruote anteriori. Queste appendici hanno il compito di gestire i flussi che

saranno inviati sotto la vettura. I deviatori di flusso generano dei vortici che vanno a finire sul

fondo. I vortici creano una zona di bassa pressione che tende a richiamare aria dalle zone a

 pressione maggiore. In altre parole, la presenza di un vortice sul fondo della vettura non fa altro che

aumentare la deportanza.

Le appendici che si trovano ai lati esterni delle paratie verticali poste sull’alettone anteriore hanno

lo stesso compito, generano dei vortici che controllano l’aria che andrà ad interagire con i

 pneumatici anteriori.

Gli pneumatici rimangono attualmente le parti meno aerodinamiche di una vettura di Formula 1.

Queste hanno una forma abbastanza tozza e generano molti moti turbolenti. Non è prevista dal

regolamento la possibilità di introdurre delle coperture per le ruote, pertanto quello che si può fare

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 per limitare la turbolenza generata da queste è l’introduzione di paratie verticali e deviatori di flusso

in grado di fermare questi moti turbolenti che altrimenti disturberebbero gli strati di aria più

 prossimi al telaio.

La parte anteriore della vettura è sicuramente quella più importante sotto l’aspetto aerodinamico.

L’aria inizialmente va proprio a lambire la parte interiore della vettura e la direzione che i vari flussi

 prenderanno dipende quindi prevalentemente da come la parte anteriore della vettura lavora.

Analizzando le velocità che l’aria assume nella parte anteriore ed in quella posteriore, si vede che

questa subisce un decremento di circa 30% passando dal naso della vettura al punto in cui questa

abbandona la vettura stessa. Le ali poste nel retro della vettura sono molto meno performanti

rispetto a quelle presenti nella parte anteriore della vettura, che in altre parole significa che il retro

della vettura genera maggiori forze di drag rispetto alla parte anteriore.

Alettoni ed elementi aerodinamici vari vengono introdotti nelle monoposto per creare deportanza.

 Non si hanno dati precisi perchè sono fra i segreti più gelosamente custoditi, ma si sa cha piena

velocità la spinta aerodinamica può superare di oltre due volte il peso della vettura: 600 Kg con il

 pilota e un po’ di benzina, quindi 1500 Kg.

Con l'enorme spinta che produce, la carrozzeria di una monoposto si comporta come un'ala tanto è

vero che se questa spinta non fosse negativa cioè rivolta verso terra, la vettura decollerebbetranquillamente come un aereo assai prima di aver raggiunto la velocità massima. Ora una

monoposto sarà valida tanto quanto la sua efficienza, cioè a parità di spinta verso il basso richiederà

meno cavalli per muoversi. Con l'estrema raffinatezza dei motori di Formula 1, si raggiungono

 potenze vicine agli 800CV, ma guadagnarne altri 10-20 per compensare un maggior dispendio

richiesto dalla parte aerodinamica può significare mettere in crisi il propulsore, per questo

l’aerodinamica è uno dei punti più importanti per lo sviluppo di una monoposto da Formula 1.

Alla presentazione del mondiale di Formula 1 del 2008 molte squadre hanno mostrato uno studio

avanzato dell’aerodinamica apportando modifiche importanti alle monoposto:

 

FERRARI F2008

Il muso è alto, leggermente rialzato rispetto a quello del 2007. Colpisce la forma molto arrotondata

della punta del musetto che va ad integrarsi in maniera molto pronunciata ai flap dell'ala anteriore

sollevati posti in alto. Si va cosi a creare una soluzione aerodinamica molto ricercata e sofisticata

 per creare deportanza e garantire più fluidità aerodinamica.

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 BMW Sauber F1.08

Il muso e l'alettone sono molto particolari, L'ala è molto squadrata al centro, ma colpisce l'originale

introduzione di pinne a "corno" nella zona alta del musetto. Questi particolari aerodinamici

riprendono la forma delle corna poste ai lati del cofano motore. Per la prima volta una formula uno

adotta queste caratteristiche soluzioni aerodinamiche. Si deduce come sia stata molto curata e

ricercata l'aerodinamica di tutta la zona iniziale della vettura.

RENAULT R28

La particolarità della nuova monoposto Renault sta nell’alettone anteriore molto squadrato nella

zona centrale. I piloni che sorreggono l'alettone sono quasi orizzontali e si attaccano sempre ai flap

ma in maniera completamente diversa da tutti gli altri team. Le ruote anteriori ora presentano le

coperture lenticolari come su molte altre.

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RED BULL RB 4

Curioso ed inedito il cofano motore che nella zona posteriore presenta una vistosa pinna che si

estende verso il posteriore in maniera insolita e va quasi a toccare l'alettone posteriore. Questa

soluzione mai vista prima ha un preciso scopo aerodinamico, l'intenzione è quella di incanalare e

 pulire l'aria che va ad investire l'ala posteriore allo scopo di generare maggior deportanza.

MCLAREN MP4/23

Ormai ha fatto scuola il caratteristico flap sollevato che passa sopra il musetto e che si collega alle

 paratie laterali. Quest'anno il flap sollevato è stato ulteriormente perfezionato, ora presenta

un’ulteriore feritoia ai lati esterni in modo da creare quasi un doppio flap. L'aria soffia nella fessura

e crea un ulteriore carico aerodinamico alla zona anteriore della vettura.

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I.T.I.S. “A. Volta” Perugia

Anno Scolastico 2007/2008

  Allievo: Passeri PaoloClasse: 5°A/M