Analisi Tecnica F1: La forza di portanza

In questo articolo faremo amicizia con la forza di portanza, e cercheremo di visualizzarla, per semplici profili alari, con l’aiuto del software

CC BY-SA 3.0

Cos’è la portanza?

Se la fluidodinamica fosse un libro di fiabe la portanza sarebbe l’eroina positiva, la protagonista, quella attorno alla quale girano le vicende narrate. In effetti, non si può negare che la portanza non rivesta un ruolo fondamentale anche nella vita di tutti i giorni; un uccellino che fa un saltello dal nido e spiegando le ali prende le vie del cielo, un aereo che decolla e si libra in volo, una vettura da competizione incollata all’asfalto, la punizione di Roberto Carlos contro la Francia, e poi chi non si è mai emozionato quando il comandante di un velivolo affonda la manetta al massimo e l’areo accelera sulla pista fino a ruotare, puntare verso l’azzurro e prendere lentamente quota?Tutto questo è reso possibile solo grazie alle forze aerodinamiche che nascono semplicemente dal passaggio di un fluido su una geometria di forma opportuna.

Quando l’aria incontra un ostacolo, l’unica cosa che può fare è, banalmente, scavalcarlo (a meno che l’ostacolo non si muova ad una velocità maggiore a quella del suono: in questo caso, invece, le particelle d’aria non fanno in tempo a spostarsi e si frantumano, dando luogo al tipico rumore fragoroso che si sente quando un velivolo rompe la barriera del suono).

Consideriamo un profilo alare con curvatura verso il basso, e chiamiamo dorso la parte più in alto e ventre la parte più in basso. Quando il nostro profilo viene investito da un flusso d’aria, in generale, le particelle che scorrono vicino al dorso avranno velocità diverse rispetto a quelle sul ventre perché la presenza di un ostacolo solido induce nel campo di moto una vorticità che è negativa (oraria) vicino al corpo stesso: grazie alla regione vorticosa così formatasi, le particelle d’aria sul dorso, che si muovono da sinistra verso destra e quindi in maniera concorde col senso di rotazione della vorticità, saranno accelerate rispetto a quelle che scorrono sul ventre.

Abbiamo poi apprezzato l’efficacia e la semplicità del teorema di Bernoulli, che ci assicura che quando la velocità sale, la pressione deve necessariamente scendere, e viceversa. Allora si capisce bene che un profilo alare di forma opportuna investito da un fluido ad una certa incidenza avrà uno squilibrio di forze di pressione, che si sostanzia in una pressione maggiore sul ventre (perché la velocità è più bassa) e in una pressione minore sul dorso (perché la velocità è più alta).

Il risultato è la nascita di una forza diretta ortogonalmente alla direzione del flusso, verso l’alto: in altre parole, la portanza. Sembra difficile a credersi, ma sono proprio le forze di pressione che tengono un aereo in volo: d’altra parte, però, non c’è nemmeno da stupirsi troppo, dato che la pressione è comunque una forza un tantino sottovalutata. Una volta chiarito il concetto di portanza, si fa presto, prestissimo a trattare della deportanza: basta, in fin dei conti, mettere il profilo alare… al contrario.

Se fino ad ora abbiamo parlato di profili a curvatura verso l’alto, ci accorgiamo però che i profili alari usati per le appendici aerodinamiche delle vetture da competizione hanno tutti la curvatura opposta, ovvero verso l’alto, di modo tale da garantire stavolta una circuitazione di velocità (in altre parole, vorticità) positiva (antioraria) nell’intorno del corpo investito dal flusso, che fa aumentare la velocità sul ventre e diminuire la velocità sul dorso, generando una pressione diretta verso il basso.


Analizziamo adesso con XFLR5 il flusso attorno ad alcuni profili

Una volta chiariti questi concetti, per la prima volta vorrei introdurvi al magico ma sudatissimo universo della fluidodinamica computazionale: niente panico però, per stavolta ci andremo leggeri. A proposito delle forze di portanza, mi sono servito di un software open-source chiamato XFLR5, che si basa sul linguaggio di calcolo XFOIL, a sua volta sviluppato dal MIT, Virginia, negli anni 80 in grado di risolvere le equazioni del moto di un fluido per flusso incomprimibile bidimensionale accoppiate alle equazioni di strato limite, con un criterio per la turbolenza.

Analizzeremo assieme qualche profilo alare “classico”, ovvero profili alari della serie NACA a 4 cifre. Ad esempio, nella dicitura NACA xyzz, il parametro x indica la freccia (massima curvatura), il parametro y indica la posizione del punto di freccia e il parametro zz indica lo spessore del profilo: NACA 0012 indica un profilo alare simmetrico (non c’è curvatura), con spessore pari a 12% della lunghezza della corda. Il NACA 0012 è proprio il primo profilo che andiamo ad analizzare:

Il software ci riporta nella parte più in basso il disegno della forma del profilo (in chiaro), insieme alle freccette gialle;che indicano la pressione agente su di esso. La linea rossa tratteggiata rappresenta invece la posizione dello strato limite (proprio lui, il;mitico). Nella parte più;in alto invece è riportato il grafico del coefficiente di pressione, ovvero della pressione che;agisce lungo la corda del profilo adimensionalizzata dividendola per una costante che dipende dalla densità e dalla velocità del flusso asintotico.

Si vede da questa analisi, che per un profilo simmetrico posto ad un’incidenza di 0°, la portanza generata è nulla: in effetti, se aguzzate la;vista riuscite a leggere in basso a destra, tra gli altri valori, anche la scritta CL=0.000, dove CL rappresenta il coefficiente di portanza, che, come per;la pressione, rappresenta la portanza adimensionalizzata con la stessa costante di cui si parlava prima. Ci accorgiamo però che, variando l’incidenza del profilo e ponendola uguale a , le cose cambiano un po’:

Si vede bene che le freccette gialle della pressione sono più decise e;più convinte nella zona verso l’alto, vicino al bordo di attacco del profilo: inoltre il software ci fa vedere anche la risultante (in;giallo, più marcata) delle forze di pressione agenti sul profilo. Se andiamo a leggere in;basso a destra leggeremo stavolta CL=0.536 e anche a vedere il grafico in verde del coefficiente di pressione ci accorgiamo che stavolta sono comparsi due rami: il ramo più in;alto è quello relativo al ventre del profilo, mentre quello più in basso è relativo al dorso del profilo. Si vede allora che il ramo relativo al ventre starà sicuramente più in alto rispetto a quello relativo al dorso, dato che;la pressione sul ventre sarà, per quanto visto finora, maggiore rispetto a quella sul dorso.

Per chi mastica qualche integrale, si può dire che la portanza rappresenta l’area del grafico sottesa tra i due rami in verde. Analizziamo, a parità di incidenza di 4°, anche un profilo curvo, il NACA 6412 (la serie 6412 è una tra le più usate e fortunate: infatti, attraverso questa particolare geometria si riesce a garantire uno strato limite che è quasi tutto laminare alle basse incidenze e quasi tutto turbolento alle alte):

Possiamo leggere un CL=1.054: in pratica, con un profilo curvo abbiamo ottenuto il;doppio del coefficiente di portanza ottenuto con un profilo simmetrico a parità di incidenza! Questo è da associare al fatto che, come si vede dal grafico delle freccette di pressione, esse sono distribuite in maniera più uniforme e più continua sul dorso del profilo rispetto al caso del profilo simmetrico, in;cui, come si vede, le frecce erano più spostate verso il bordo di attacco ed erano più “appuntite”, meno continue, ovvero ce;ne erano alcune molto lunghe vicine ad altre che erano parecchio più corte. In questo caso, invece, il gradiente di pressione sul dorso del profilo è molto meglio distribuito.

Abbiamo raggiunto un CL=1.054: c’è da tener di conto che un aereo, per decollare, ha bisogno di un CL pari più o meno a 4. Questo si raggiunge mediante l’introduzione di flap e slat, di;cui però mi riservo di parlare nel momento in cui analizzeremo il DRS di una monoposto di F1.

Che succede, però, all’aumentare dell’incidenza? Purtroppo, non si può certo sperare che la portanza aumenti all’infinito. E infatti, mano a mano che l’incidenza continua ad aumentare andremo incontro ad un fenomeno piuttosto spiacevole, che è conosciuto come “distacco dello strato limite”: in pratica, più che sia aumenta l’incidenza e più che la scia che il profilo lascia diventa più spessa.

Abbiamo imparato che la scia è lo;strato che contiene la vorticità di un corpo, e succede che quando la scia diventa troppo spessa, la;vorticità che contiene viene rilasciata nel campo di moto creando un disturbo aerodinamico totalmente negativo. Insomma, progettare un’ala è estremamente difficile, in;quanto abbiamo visto che variare l’incidenza anche solo di qualche grado può modificare completamente la forma dei gradienti di pressione che investono un profilo. Eppure questo si riesce a fare, e funziona!

Nel corso delle prossime volte, dato che ormai siamo pronti, analizzeremo in 3D un particolare di una monoposto di F1. A presto!


Analisi Tecnica F1 | Aerodinamica: vorticità e strato limite

Analisi Tecnica F1: La forza di portanza
Lascia un voto