Downforce e Drag: due facce della stessa medaglia

Downforce e Drag: due facce della stessa medaglia

La Formula 1 è sempre stata terreno fertile per moltissime rivalità ormai divenute storiche: Prost e Senna, Piquet e Mansell, Hunt e Lauda… eppure, nessuna tra queste riesce a tenere testa al binomio più temuto dagli ingegneri, nonché oggetto degli incubi di molti di questi: l’eterna lotta tra drag e downforce.

Da sempre, infatti, il motorsport si è basato sulla ricerca dell’auto che offrisse più carico aerodinamico possibile al minor prezzo espresso in resistenza aerodinamica. Lo scopo di questo articolo vuole quindi essere quello di fare un po’ di chiarezza su questi due concetti e su come si possa giungere, effettivamente, a trovare il compromesso perfetto.

 

Per iniziare, un paio di definizioni: quando si parla di carico aerodinamico, o downforce, si intende quella forza verticale agente sulla vettura e risultato degli squilibri di pressione generati dalle ali e appendici aerodinamiche della vettura stessa. Il funzionamento delle ali, ed in generale di qualsiasi appendice della vettura ad esclusione dell’estrattore (che meriterà una trattazione a parte, argomento di un futuro articolo) è analoga al funzionamento dell’ala di un aeroplano. Prima di immergerci in questo argomento è bene tenere a mente una cosa: per il teorema di Bernoulli all’aumentare della velocità del flusso diminuisce la pressione, viceversa il contrario. Quando l’ala dell’aeroplano avanza, l’aria tende a seguire la sua forma geometrica rimanendo aderente a quest’ultima (Effetto Coanda) generando uno squilibrio di velocità tra ventre e dorso e quindi, per Bernoulli, uno squilibrio di pressione. La differenza di pressione che si crea tra “il sopra e il sotto” dell’ala porta alla nascita di una forza diretta dalla zona di alta pressione a quella di bassa pressione. Il risultato è quindi quello di una forza che “spinge” l’ala verso l’alto (portanza). La stessa cosa accade sulle auto da corsa, solo che questa volta la forza verticale non sarà più rivolta verso l’alto ma verso il basso a sommarsi con la forza peso, schiacciando l’auto a terra e permettendole così di mantenere una velocità di percorrenza in curva molto maggiore.

In ogni caso, se per rendere un’auto più performante bastasse semplicemente aumentare il carico che essa genera (con superfici alare più ampie o angoli di inclinazione maggiori, ad esempio) non ci sarebbe bisogno di tutti i milioni di euro che ogni anno vengono investiti dalle varie scuderie nella ricerca aerodinamica. Infatti, la generazione di carico si inserisce in un quadro ben più ampio dove trovano spazio due ulteriori aspetti fondamentali: resistenza e bilanciamento dell’auto.

Per quanto riguarda quest’ultimo, in quest’articolo ci limiteremo a dire che non basta generare tanto carico, ma è necessario che questo sia generato più o meno uniformemente su tutta la lunghezza della vettura: avere troppo carico al posteriore e poco all’anteriore porterebbe infatti ad avere un’auto sottosterzante, oppure sovrasterzante se l’eccesso di carico fosse localizzato all’anteriore. Quindi, piuttosto, è meglio limitarsi a una minor downforce ma meglio distribuita su tutta la vettura. Fondamentale infine, in tutto questo processo, l’opinione (oserei dire quasi insindacabile) del pilota che dovrà poi gestire quel mezzo e le sue eventuali sovra/sotto sterzate.

Per quanto riguarda la resistenza aerodinamica all’avanzamento del veicolo (drag), è necessario sapere che questa è profondamente legata al carico generato. Si può infatti ragionevolmente affermare che più carico viene generato, più resistenza viene generata, a causa dei così detti “vortici d’estremità” che nascono sulla punta delle ali e che sono tanto più intensi quanta più downforce è presente su quella specifica appendice. Inoltre, così come la downforce è dipendente dall’angolo di incidenza della superficie alare rispetto al vento relativo che la investe, allo stesso modo lo è la resistenza aerodinamica: ciò significa che più le ali saranno inclinate, più carico genereranno, e più resistenza all’avanzamento offriranno alla vettura.

Già con queste poche e superficialissime informazioni si possono capire molti argomenti “caldi” della Formula 1 moderna, primo fra tutti il funzionamento del DRS: questo risulta aperto sul rettilineo, dove c’è bisogno di minor resistenza possibile e dove non è richiesto molto carico aerodinamico in quanto l’auto non dovrebbe dover curvare, e si richiude una volta giunti in prossimità della fine del rettifilo, dove è necessaria moltissima downforce per poter curvare senza perdere anteriore/posteriore e frenare senza “bloccare” o far slittare le ruote sull’asfalto (e qui viene in aiuto anche il maggior drag generato dal DRS chiuso, che risulta più inclinato rispetto all’aria che lo investe e che dunque garantisce un minore spazio d’arresto). Tra gli altri argomenti legati alla gestione del carico mi sento di citare anche il degrado gomme, che risulta eccessivo solo quando il carico è troppo poco, poiché le gomme tendono a resistere meno ad accelerazioni laterali elevate e dunque tendono a slittare più facilmente, rovinandosi.

Oltre ai vortici d’estremità, un’ulteriore aspetto che causa un aumento vertiginoso nel valore della resistenza aerodinamica di un veicolo è la separazione del fluido lungo la superficie alare. Questa avviene quando il flusso non riesce più a seguire la superficie alare che investe e dunque si stacca, letteralmente, perdendo velocità e guadagnando pressione, ovvero smettendo di garantire quella differenza di pressione che, abbiamo detto, assicura la generazione di carico. Ci troviamo quindi di fronte ad un’ala che genera poco carico e molti vortici. Lo strumento più efficace per contrastare questo fenomeno sono i così detti “vortex generator”, che agiscono creando tanti vortici minori e controllati che aumentano l’energia cinetica del flusso d’aria che, energizzato, tenderà a rimanere più aderente alla superficie investita e dunque a generare la deportanza richiesta senza aumentare esponenzialmente la resistenza.

 

Concluderei questo articolo introducendo l’argomento di quello futuro: l’effetto suolo. Perché estrattore e fondo sono dei componenti così importanti nel design di una vettura da corsa? Non solo perché sono dei componenti che riescono a generare più downforce, ma anche e soprattutto perché riescono a farlo offrendo pochissima resistenza aerodinamica, praticamente zero. Questo perché non sono investiti direttamente dal flusso e dunque non si pongono a quest’ultimo come una “barriera”, cosa che invece avviene con le alte superfici aerodinamiche che, investite direttamente dal vento, tendono a deviare, interrompere e disturbare il flusso d’aria.

Lorenzo Donati

Lorenzo Donati, 20 anni, studente di Ingegneria Aerospaziale e appassionato di motorsport, videogiochi e orologeria. Membro del Polimi Motorcycle Factory.