Downforce e Drag: due facce della stessa medaglia [PARTE 2]

Downforce e Drag: due facce della stessa medaglia [PARTE 2]

Quando siete in autostrada, avete mai provato a mettere fuori dal finestrino la mano? Ponetela parallela alla strada e non avrete problema a tenerla in tale posizione. Tuttavia, nel caso in cui provate a farla ruotare un po’ verso l’ alto, noterete che tenderà ad andare verso l’ alto e, contemporaneamente, a spostarsi all’indietro. Bene, avrete generato una portanza (mano verso l’ alto) e una resistenza (mano che tende ad andare all’indietro). Qui un video dimostrativo.   Si è già spiegato qual è il legame fra le due grandezze e la loro genesi. Qui si cercherà di spiegare come mai una auto di F1 che genera tanto carico, genererà, con alta probabilità, tantissima resistenza. Dal punto di vista matematico, generalmente (e con buona pace degli aerodinamici), la portanza (lift) è definita tramite la seguente formula:

Invece, la resistenza (drag) è indicata come segue:

dove possiamo indicare:

  • ρ densità dell’aria [kg/m2]
  • velocità del corpo al quadrato [m2/s2]
  • superficie alare che nel caso di una F1 può essere un flap dell’ala anteriore [m2]
  • CL e CD rispettivamente coefficiente di portanza e di resistenza

 

Tutto ruota intorno a questi due coefficienti, fissata la velocità del corpo. Al variare degli stessi aumenta o diminuisce la portanza (alto o basso carico) e la resistenza. Sono ricercati sperimentalmente tramite CFD e galleria del vento. I valori di tali coefficienti, differenti per ogni appendice aerodinamica, vengono custoditi sottochiave, in una teca di vetro antiproiettile sorvegliata continuamente da guardie giurate.
Ovviamente si scherza, ma non troppo…
La portanza e la resistenza sono indicate in Newton [N] e sono, quindi, forze.


Di seguito è riportato il grafico dell’andamento di un generico coefficiente di portanza. La figura prende il nome di curva di portanza.

Si può notare come all’aumentare dell’angolo di incidenza, denominato con α, aumenti anche il coefficiente di portanza, fino a raggiungere un massimo dove la portanza generata è la più alta possibile. Quando i piloti chiedono uno o più clicks sull’ala interiore, stanno richiedendo di aumentare di uno o più gradi l’angolo di incidenza di quest’ ultima. La domanda sorge spontanea: perché non utilizzare l’ala a un’incidenza tale da avere la portanza massima, cioè nella zona cerchiata in rosso? La risposta a breve.

Il legame matematico fra le due forze è il seguente:

 

Il coefficiente di resistenza aumenta con il quadrato del coefficiente di portanza a meno di una costante moltiplicativa K che può essere dell’ordine di 0.01-0.02. Inoltre, sarà sempre presente una resistenza definita parassita anche se non viene generata portanza (indicata dal coefficiente CD0).
Per rappresentare graficamente il legame fra i due coefficienti si sfrutta una figura definita polare, croce e delizia di tutti gli ingegneri aerodinamici. In tale grafico, normalmente, il  CD viene moltiplicato per un fattore di 104  per scopi ingegneristici che non verranno qui spiegati. Ciò non fa perdere valenza al grafico e alle informazioni che esso può fornire.

Notiamo come da un certo punto in poi un aumento del CL corrisponde un incremento non trascurabile del CD . La zona rossa cerchiata qui corrisponde a quella cerchiata nella stessa maniera nella prima figura. Bisogna trovare il giusto equilibrio fra le due forze ed è qui che si può introdurre un nuovo concetto: l’efficienza aerodinamica.
Quest’ultima, indicata con la lettera E è definita come:

Tale valore è massimo nella zona cerchiata in blu nella polare. In questa zona si hanno i minimi consumi. Tuttavia, non è detto che lavorare in condizioni di massima efficienza permetta di generare abbastanza carico aerodinamico per alcuni tipi di prestazioni (la Scuderia Ferrari ne sa qualcosa al riguardo).

Articolo di Giuseppe Marino

Ultima Staccata

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