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Kimimathias

Come funziona una Formula 1?

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Comportamento Aerodinamico di una Formula 1

 

La legge fisica che governa il comportamento aerodinamico di una monoposto di Formula 1 ? la legge di Bernoulli, detta anche trinomio di Bernoulli:

 

p + 1/2 ρ v2 + ρ g h = costante

dove:

p = pressione del fluido

ρ = densit? del fluido

v = velocit? del fluido

g = accelerazione di gravit?

h = altezza del fluido

 

La legge di Bernoulli governa il comportamento aerodinamico di una monoposto di Formula 1. L'aerodinamica ? composta sostanzialmente da due elementi tra loro interconnessi: uno ? la deportanza ottenuta attraverso l'ala anteriore e quella posteriore, l'altro ? l'effetto suolo.

Deportanza

La deportanza ? l'esatto contrario della portanza. La portanza ? quella forza che sfruttando il profilo alare delle ali di un'aeroplano, genere una forza diretta verso l'alto che solleva l'aeroplano da terra. La deportanza invece la si ottiene "girando sottosopra" le ali dell'aeroplano, quindi la forza generata dal profilo alare di una F1 che gerera deportanza, ? diretta verso il basso. Tale profilo ? disegnato in modo che la velocit? dell'aria sia pi? elevata nella parte inferiore del profilo, il che provoca un pressione maggiore sopra l'ala che sotto. Il risultato ? appunto una forza verso il basso. La deportanza ? sfruttata sia all'anteriore, dove la forza generata dall'ala anteriore ? applicata per ottenere aderenza all'avantreno della monoposto, sia al posteriore, per ottenere aderenza al retrotreno al fine di scaricare meglio la potenza.

p + 1/2 ρ v2 + ρ g h = costante

Applicando la legge di Bernoulli sopra e sotto il profilo alare, la densit? del fluido ρ, l'accelerazione di gravit? g sono costanti, mentre l'altezza del fluido h non ha variazioni tali da generare grandi differenze di energia potenziale, quindi solo la pressione p e la velocit? v influenzano sulla deportanza. Il profilo alare viene quindi progettato al fine di generare differenze di velocit? che generano differenze di pressioni tali da ottenere la forza detta deportanza.

L'ala anteriore contribuisce al 25% del carico aerodinamico totale tuttavia essendo davanti la sua aerodinamica ? la prima ad essere alterata,basti pensare che la turbolenza generata da una monoposto che si trova davanti l'ala anteriore ne fa perdere il 30% del suo carico aerodinamico. L'aerodinamica dell'ala anteriore ? studiata accuratamente perch? il flusso d'aria che lascia l'ala ? lo stesso che attraverser? il fondo piatto e il diffusore,per i quali il rendimento ? migliore se il flusso che li investe non ? turbolento.

L'ala posteriore contribuisce a un terzo del carico aerodinamico totale della monoposto ed ? dotata di un numero variabile di profili alari a seconda del tipo di pista,veloce o lenta,su cui deve correre.I profili alari sono incernierati alle paratie laterali in modo da regolare l'incidenza e quindi il carico che essi generano,inoltre le paratie laterali,oltre a funzionare da supporto dei profili servono a ridurre l'intensit? dei vortici di estremit? che condizionano l'efficienza dell'ala stessa.

L'effetto suolo

Per capire l'effetto suolo di una monoposto occorre partire dall'ala anteriore. L'ala anteriore ha una doppia funzione: quella di generare deportanza all'avantreno e quella di convogliare pi? aria possibile sotto la vettura, tra il fondo e l'asfalto. Quindi una monoposto ? investita da un flusso d'aria, parte del quale scorre sopra la monoposto, l'altra parte scorre sotto. In definitiva tutta la vettura si comporta come un grande profilo alare. L'aria che scorre sotto la vettura ? costretta a passare in uno spazio ristrettissimo, di pochi centimetri (altezza da terra della vettura), quindi man mano che la sezione si restringe, per l'effetto Venturi, velocit? dell'aria aumenta, facendo diminuire la pressione stessa al di sotto della vettura. Al contrario, sopra la monoposto, l'aria non ? costretta a passare attraverso una sezione ristretta, quindi la velocit? pi? bassa in relazione a quella sotto la vettura, e la pressione ? pi? grande. Questa differenza di pressione genera altra deportanza aerodinamica, quindi altra aderenza. Quindi per aumentare l'effetto suolo non devo far altro che aumentare la velocit? del flusso che scorre sotto la vettura. Per ottenere questo aumento di velocit?, come ho gi? detto, occorre convogliare la maggior quantit? possibile l'aria sotto la vettura, ma non ? l'unico sistema per velocizzare il flusso. Infatti se un sistema ? immettere aria in entrata, un'altro sistema ? risucchiarla in uscita. Un metodo per risucchiare l'aria in uscita (velocizzando il flusso sotto la vettura) ? quello di applicare un diffusore al retrotreno che accompagna il flusso in uscita da sotto la monoposto. L'aumento della sezione, di fatto fa diminuire la velocit? del fluido facendogli recuperare la pressione ambientale. Questo per? non ? del tutto vero poich? la depressione turbolenta generata dall'ala posteriore diminuisce la pressione nella zona del diffusore. Di fatto la pressione in uscita dal diffusore ? inferiore a quella in entrata, generando un'ulteriore accelerazionde del flusso aerodinamico sotto la monoposto. Un'altro fattore importante che riguarda l'effetto suolo, ? il controllo dei flussi laterali della monoposto, per intendersi quelli che scorrono attorno alle pance. In prossimit? delle prese d'aria di raffreddamento nelle pance, subito prima, ci sono delle appendici aerodinamiche chiamare deflettori o deviatori di flusso. Queste paratie hanno lo scopo di convogliare l'aria all'esterno, attorno alle pance laterali, e di immetter l'aria sotto la vettura in prossimi? delle stesse pance laterali. Questo flusso non fa altro che aumentare il flusso d'aria al di sotto della vettura, incrementando ulteriormente l'effetto suolo.

Mentre la deportanza ottenuta tramite i profili alari li paghiamo in termini di resistenza aerodinamica, poich? si aggiungono i profili alari che altrimenti non ci sarebbero proprio, peggiorando drasticamente il CX della monoposto, l'effetto suolo non lo si paga in termini di resistenza aerodinamica, o meglio, non modifico il CX originario della vettura, poich? i cambiamenti sono minimi. Va detto per? che l'effetto suolo e la deportanza alare sono due sistemi che collaborano simultaneamente.

Occorre precisare inoltre che le monoposto di Formula 1 sono sempre state vetture a ruote scoperte per regolamento e con l'abitacolo aperto. Le ruote scoperte incidono molto sul CX, che a causa delle loro grandi dimensioni sono responsabili di un terzo della resistenza aerodinamica totale della monoposto. Una carenatura permettebbe di controllare meglio l'aerodinamica, ma essendo vietata da regolamento, per ovviare a questo inconveniente, gli estremi dell'ala anteriore sono sagomati in maniera tale da deviare l'aria sopra e attorno alla ruota creano cos? una sorta di carena aerodinamica. Questo sistema ? adottato anche per le ruote posteriori, con le appendici aerodinamiche poste subito prima la ruota stessa. Per quanto riguarda l'abitacolo aperto, i progettisto hanno saputo fare ben poco. Il casco sagomato permette all'aria di fluire maggiore nell'airscoop, una presa d'aria sopra la testa del pilota (sistema di sovralimentazione).

Per quanto riguarda la progettazione della parte anteriore della monoposto, tutta la monoposto ? disegnata per fare in modo che il flusso che colpisce l'ala posteriore sia il pi? "pulito" e diretto possibile.

Infine un ruolo cruciale per l'aerodinamica di un Formula 1 ? il posizionamento degli scarichi. Le soluzioni solo sostanzsialmente tre: sotto la vettura, sopra la vettura e nel retrotreno.

Posizionando gli scarichi sotto la vettura, a seconda del funzionamento del motore, quindi di come vengono soffiato i gas di scarico, vi sarabbe un incremento dell'aria nel fondo vettura, con relativo aumento dell'effetto suolo. Questo sistema genera discontinuit? di deportanza dovuta all'effetto suolo.

Posizionando gli scarichi nel retrotreno, tra il diffusore e l'ala posteriore, si andrebbe ad aumentare la pressione dell'aria in quella zona, compromettendo la depressione utile a risucchiare aria tramite il diffusore.

Posizionandolo sopra la vettura, sopra il motore, poco prima delle ruote posteriori, si pu? aumentare il flusso d'aria che investe l'ala posteriore e le relative appendici alari. Studiando questo flusso d'aria in particolare si cerca di impedire che i gas di scarico investano i bracci delle sospensioni posteriori per evitare forti sollecitazioni termiche.

 

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Guest alessio mazzocco

evvai ogni tanto un po di cultura fa sempre bene. che ne dite di fare un capitolo a settimana di come funziona una f1?

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Finalmente qualcosa di serio wink.gif almeno in questo tipo di topic le discussioni saranno pari a zero.Complimenti!

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Beh c'? poco da correggere! L'unica cosa in pi? che posso dire ? che le appendici davanti alle ruote posteriori hanno anche un effetto benefico per quanto riguarda i vortici indotti dall'alettone posteriore (me l'ha detto il prof di fluidodinamica all'universit?).

Da parte mia potrei spiegare pi? in dettaglio nei prossimi capitoli come funziona un alettone (come mai l'aria sotto va pi? forte di quella sopra, ad esempio), che ? molto interessante anche se un po' lungo, e magari anche qualcosa sulla resistenza (perch? si genera, perch? alcuni corpi ne generano di pi? e altri meno e cos? via). Se vi interessa, naturalmente

Beh io ci sto... 

Anzi ci sono gi? stato! 

Ehi Doc, che hai visto Ritorno al Futuro? tongue.gif

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Guest alexf1 fan

Non l' ho letto tutto ma mi sembra che sia spiegato molto bene

 

aggiungo io una cosa :

 

Per misurare la deportanza dell' alettone in questione che sia anteriore o posteriore :

 

1/2 p v^2 s cP ovvero : 0,5 x p( ro, densit? dell' aria in questo caso al livello del mare ) v^2(velocit? dell' aria al quadrato ) s (superficie in metri quadrati dell' ala) cP (coefficiente di portanza )

 

luigifox se ci sei conferma

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evvai ogni tanto un po di cultura fa sempre bene. che ne dite di fare un capitolo a settimana di come funziona una f1?

Yeah!!! biggrin.gif

 

 

Finalmente qualcosa di serio wink.gif almeno in questo tipo di topic le discussioni saranno pari a zero.Complimenti!

Grazie!!! sad.gif

 

Beh io ci sto... 

Anzi ci sono gi? stato! 

Ehi Doc, che hai visto Ritorno al Futuro? tongue.gif

Strade??? Dove stiamo andando.... non c'? bisogno di strade... sarcastico.gifcool.giflaugh.gif

 

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Non l' ho letto tutto ma mi sembra che sia spiegato molto bene

 

aggiungo io una cosa :

 

Per misurare la deportanza dell' alettone in questione che sia anteriore o posteriore :

 

1/2 p v^2 s cP ovvero : 0,5 x p( ro, densit? dell' aria in questo caso al livello del mare ) v^2(velocit? dell' aria al quadrato ) s (superficie in metri quadrati dell' ala) cP (coefficiente di portanza )

 

luigifox se ci sei conferma

Esatto: 1/2*ro*velocit? al quadrato*superficie alare*coefficiente di portanza(deportanza).

 

Molto interessante notare la dipendenza della portanza\deportanza dalla velocit? al quadrato, ossia a basse velocit? ? scarso l'apporto delle ali all'aderenza totale della vettura, viceversa ad alte velocit? la forza verso il basso ? mostruosa!

 

Da ricordare che anche la resistenza all'avanzamento (solo degli alettoni, eh!) ha una formula pressoch? identica

 

R(forza di resistenza all'avanz.)=1/2*ro*velocit? al quadrato* coefficiente di resistenza del corpo

 

Il discorso ? uguale: ad alte velocit? i motori devono sviluppare una coppia necessaria a vincere la resistenza delle ali davvero folle!

 

N.B. La velocit? ? dell'aria rispetto al corpo o viceversa

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beh.. complimenti!!vi leggo gi? da un p?, e devo ammettere che siete riusciti a realizzare delle discussioni davvero interessanti!! saltarello rosso.gif

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Guest AlKa105

Ciao Kimi, innanzitutto complimenti per l'articolo, chiaro e abbastanza completo.

 

Ci sono alcune cose che secondo me hai tralasciato:

 

1) Le ipotesi di validit? del teorema di Bernoulli

2) Le ruote generano una grande resistenza ma anche un portanza non trascurabile

 

E poi ci sono alcuni punti che mi sono poco chiari:

 

"In prossimit? delle prese d'aria di raffreddamento nelle pance, subito prima, ci sono delle appendici aerodinamiche chiamare deflettori o deviatori di flusso. Queste paratie hanno lo scopo di convogliare l'aria all'esterno, attorno alle pance laterali, e di immetter l'aria sotto la vettura in prossimi? delle stesse pance laterali. Questo flusso non fa altro che aumentare il flusso d'aria al di sotto della vettura, incrementando ulteriormente l'effetto suolo."

 

Sei sicuro che la funzione sia solo quella? Secondo me servono anche a deviare i flussi turbolenti che andrebbero direttamente sui radiatori aumentandone la resistenza aerodinamica e diminuendone il rendimento.

 

Il discorso sugli scarichi ? cos? semplice? Credevo fosse un po' pi? complesso!!!

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Guest AlKa105
Ahh.. gli studi di aerodinamica... che nostalgia... sad.gif

Perch?? Che studi hai fatto?

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salve!sono nuovo di questo forum,molto interessante devo dire...cmq riguardo la questione dei deflettori laterali piazzati davanti alle bocche d'ingresso dei cassoni laterali ebbene,la loro funzione ? molto piu complessa di quanto sembri a prima vista...il loro compito ? principalmente quella di deviare aria lungo i bordi laterali delle fiancate e nn sotto...di fatti il flusso turbolento deviato creerebbe una sorta di "minigonna pneumatica"atta a "sigillare"il flusso a bassa pressione transitante sotto la vettura cos? da ridurre al minimo l'afflusso di aria ad alta pressione dall'esterno con la conseguente riduzione dell'effetto deportante.

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riguardo il posizionamento dei gas di scarico...quando le formula 1 utilizzavano la soluzione dei gas di scarico sotto la monoposto,nel profilo estrattore,non era per aumentare la portata d'aria,come indicato nella prima lettera di questa discussione,ma per aumentare ulteriormente la velocit? di quest'ultima grazie all'effetto "soffiatura" con conseguente aumento della deportanza.

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