F1 | Aerodinamica – Vetture in scia ed altri effetti sulle monoposto

Andiamo ad analizzare come l’aerodinamica delle vetture di Formula 1 vada ad influire sulle vetture in scia e come sia integrata con le altre componenti della monoposto.

aerodinamica vetture scia

Cosa succede all’aerodinamica di due vetture in scia?

Facciamo prima una breve analisi di cosa succede quando due corpi semplici sono in scia, analizziamo due corpi tozzi e due profili alari.

coefficiente di resistenza – corpi tozzi
coefficiente di resistenza – profili aerodinamici

Questi grafici indicano la resistenza dei due corpi in funzione della distanza tra di essi. Il corpo 1 è sempre davanti e il corpo 2 sempre dietro. Come possiamo notare gli andamenti sono opposti. Nel caso di corpi tozzi il corpo anteriore non subisce una grossa influenza da quello posteriore, invece il corpo 2 avrà una resistenza minore. La resistenza all’avanzamento resta minore per il corpo 2 anche aumentando la distanza dal corpo1. Questo fenomeno è dovuto al fatto che il corpo 1 mi modifica le linee del flusso, facendo così ridurre la resistenza di attrito sul secondo corpo. Per i corpi tozzi, come il telaio, conviene quindi stare in scia.

Il grafico inerente i profili aerodinamici ha andamento diverso rispetto a quello precedente: in questo caso il corpo 1 è sempre avvantaggiato. In questo caso però allontanando i due profili i valori di resistenza all’avanzamento tendono a diventare simili. Il corpo 2 avrà però sempre un coefficiente più elevato. Questo risultato è dovuto al fatto che il corpo 1 modifica le linee di corrente dell’aria, il corpo 2 è penalizzato da ciò, non come avviene per i corpi tozzi. Questo è dovuto al fatto che i profili aerodinamici lavorano correttamente con il fluido indisturbato. Per i corpi aerodinamici, come gli alettoni, conviene stare davanti.

Simulazioni CFD di veicoli in scia

Per spiegare i concetti di prima vediamo alcune simulazioni CFD

Queste due immagini sono state catturate nello stesso punto, la fine dell’alettone anteriore. Quella sopra rappresenta il veicolo davanti mentre quella sotto quello dietro. Notiamo subito una presenza di linee di flusso molto più disordinate nella seconda immagine, ciò mi fa lavorare in modo non ottimale i dispositivi aerodinamici del secondo veicolo, come ci aspettavamo dalle considerazioni precedenti.

Notiamo queste linee disordinate anche in questa vista laterale. La macchina in scia è avvolta da un fluido molto più turbolento.

Le immagini sotto sono sempre riferite alla macchina in scia. Queste immagini indicano l’andamento del Cp (coefficiente di pressione) nelle varie zone della vettura. Questo coefficiente mi indica il valore della pressione relativa nel mio campo di flusso. Nel caso delle vetture di Formula 1 voglio avere dei valori negativi nella parte inferiore della vettura, più il valore è basso più la macchina sarà spinta verso il basso. Come notiamo dal grafico, la vettura in scia, ha valori del Cp più elevati, i colori sono meno freddi. Questo implica una minore efficienza aerodinamica della vettura che segue, effetto negativo che mi fa perdere tempo nei tratti guidati.

In conclusione, per una vettura di Formula 1, conviene stare davanti, soprattutto nei tratti guidati, dove ho bisogno che i dispositivi aerodinamici lavorino al meglio. Solo nei rettilinei, dove i dispositivi aerodinamici non lavorano, la macchina che sta in scia è avvantaggiata.

Integrazione aerodinamica e powertrain

Lo studio dell’aerodinamica non è solo importante per aumentare la velocità della vettura, serve anche a mantenere alla corretta temperatura tutti i componenti interni. La gestione termica, come viene chiamata questa sottodivisione, è fondamentale sia per l’affidabilità della vettura che per il corretto funzionamento di tutti i sensori. Un motore a combustione termica genera una potenza termica paragonabile alla potenza meccanica. Come viene dissipato questo calore prodotto?

Come si vede da questa immagine, nelle pance della monoposto, sono nascosti dei radiatori che hanno il compito di dissipare questo calore. Questi componenti sono molto difficili da progettare correttamente. Un radiatore grande raffredderebbe più velocemente il motore, opporrebbe però una maggiore resistenza aerodinamica, viceversa un radiatore piccolo influenzerebbe meno sull’aerodinamica ma raffredderebbe anche molto meno. Bisogna quindi fare un compromesso tra le due cose.

Aerodinamica e dinamica

Un altro aspetto da considerare è la dinamica della vettura, cosa succede mentre la macchina percorre un giro di pista?

Le sospensioni sono un componente fondamentale delle vetture, garantiscono sempre il corretto contatto a terra delle ruote, ma servono anche a non far abbassare troppo la vettura.

L’aerodinamica genera una deportanza, che essendo una forza diretta verso il basso, fa abbassare ancora di più le sospensioni. Questo abbassamento non è però uguale su tutte le ruote, la vettura può quindi ruotare lungo tre assi. Questa rotazione comporta quindi delle modifiche ai valori di carico e di resistenza aerodinamica: si genera una nuvola di punti. I punti evidenziati in rosso sono quelli che voglio ottenere in particolari situazioni, vado così a stabilire l’assetto.

posizioni dell’aerodinamica durante un giro di pista

Grafico velocità-altezza da terra

Questo grafico rappresenta l’altezza dell’ala anteriore alle varie velocità, i colori sotto servono ad indicare il coefficiente di portanza in quella posizione. Come notiamo, per determinare la posizione, non basta la sola velocità ma dobbiamo anche considerare se stiamo accelerando, frenando o procedendo a velocità costante.

Quando la vettura è in fase di accelerazione l’ala anteriore tenderà ad alzarsi mentre l’ala posteriore si abbasserà, viceversa in frenata l’ala anteriore tenderà ad abbassarsi e quella posteriore ad alzarsi. Questi due fenomeni sono positivi, in frenata aumento il carico e la forza scaricata a terra mentre in accelerazione diminuiscono ed ottengo una maggiore accelerazione.

 

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Federico Martello

Vehicle Engineer student, Euroracing (Indy autonomous challenge) vehicle dynamics team member