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ali e alettoni in formula 1
nome
ali e alettoni in formula uno
descrizione
articolo base sui concetti di aerodinamica, portanza e deportanza
autori
annina motta, antonella ponti, clarissa steiner, Dario Colombo, debby viganò, jessica alberti, Maria Fumagalli, Michele De Angelis, ottorino piccinato, piero bertè, russel davidson
come sempre premettiamo che questa pagina, come la maggior parte delle pagine web di Beyond research, è stata redatta con lo scopo di illustrare i principi generali che regolano le leggi dell'aerodinamica, e l'efficienza delle ali in formula 1 in modo discorsivo e non scientifico

prima di affrontare l'argomento ti raccomandiamo di leggere queste pagine:

- l'effetto venturi

- la forma aerodinamica

- perché un aereo vola

- come aumentare l'efficienza aerodinamica
una vettura da competizione, e in particolare una formula 1 che rappresenta l'apice in materia di tecnologia e prestazioni, è in genere progettata per percorrere un tratto di strada libera, cioè una strada che comunemente è aperta al pubblico (esempio: rally) o un percorso chiuso, creato apposta per le competizioni e chiuso al pubblico (esempio circuito per formula 1 o altre categorie)

queste vetture, dalle più veloci alle meno performanti in funzione della categoria a cui appartengono, in genere devono percorrere rettilinei e curve nel minor tempo possibile e quindi alla maggior velocità possibile

l'automobile ha subito una lunga evoluzione dalla sue prime partecipazioni alle competizioni fino ai giorni nostri

per esempio negli anni tra il 1920 e il 1940 i percorsi erano composti da lunghi rettilinei collegati fra loro da pochi tratti di curva

in seguito invece i circuiti chiusi cominciarono a cambiare in funzione di una più massiccia presenza di curve e tratti misti a discapito dei veloci rettifili dei decenni precedenti

con questo cambio di configurazione i progettisti e gli ingegneri dovettero cambiare la forma delle vetture e cominciare a pensare che la tenuta in curva era altrettanto importante delle prestazioni puramente velocistiche

ma cosa intendiamo per tenuta di strada e perché è così importante?

guarda la figura sottostante e immagina che la vettura - abbiamo scelto la forma di una moderna formula 1 - stia procedendo a forte velocità da destra a sinistra su un rettilineo asfaltato (l'auto è vista dall'alto)
come puoi notare siamo ben lontani dalla forma aerodinamica ideale che avevamo descritto negli altri articoli e che ti ripresentiamo ora
infatti una moderna formula 1 è composta da molte componenti e appendici aerodinamiche a volte difficili da comprendere da parte di chi non è addetto ai lavori

ma andiamo per ordine e diamo uno sguardo alla figura successiva che rappresenta una vettura che sta percorrendo una curva verso destra
notiamo subito che il casco del pilota e le ruote anteriori sono orientate verso la curva

la freccia rossa indica che infatti la vettura sta seguendo una traiettoria verso l'interno della curva, ma una freccia blu è orientata verso l'esterno: rappresenta la forza centrifuga, ossia la vettura tende a proseguire la precedente traiettoria rettilinea

più aumenta la velocità in curva più sale anche il valore della forza centrifuga: se pensiamo alla nostra lavatrice di casa capiamo che i nostri indumenti sono spinti verso l'esterno del cestello durante il programma "centrifuga"

qui è la stessa cosa

la vettura aderisce all'asfalto attraverso il contatto delle gomme: queste permettono all'auto di resistere alla forza centrifuga e di impostare la traiettoria voluta

ciò avviene grazie alla composizione chimica del battistrada, studiato apposta per aderire all'asfalto, e al peso dell'auto che la spinge verso il basso permettendo alle gomme di aumentare la propria aderenza

guardiamo la figura sotto e vediamo che:

- la vettura ha un proprio peso, evidenziato dalla freccia "b" verso il basso

- la vettura avanza da destra a sinistra ma, poiché la sua forma non è la più aerodinamica possibile per la presenza di ali e appendici varie, subisce un rallentamento evidenziato dalla freccia tratteggiata "3"

- vi è la presenza di paratie verticali (quelle bianche) all'interno delle quali sono sistemate le ali

per aumentare l'aderenza in curva e quindi darci la possibilità di percorrerla a maggior velocità ci occorrono principalmente due cose:

- una miglior composizione del battistrada: infatti tutti i costruttori di pneumatici da competizione studiano e portano in pista delle mescole chimiche volte a migliorare tali condizioni

- una maggior spinta verso il basso senza avere un maggior peso: infatti non sarebbe difficile avere una vettura molto pesante per aumentare l'aderenza ma ciò influirebbe negativamente sulle prestazioni in accelerazione, velocità massima e frenata

quindi si deve trovare una soluzione per ottenere maggior spinta senza il maggior peso

fu nel 1967 che gli ingegneri di una vettura americana, la chaparral, introdussero un'enorme ala rovesciata rispetto alle ali che da molti decenni facevano decollare gli aerei

quindi - vedi figura sotto - l'aumento di spinta verso il basso, volta a migliorare l'aderenza in curva, è ottenuto grazie alla spinta dell'ala verso il basso che crea un effetto di deportanza, quindi opposto a quello dell'ala tradizionale denominato portanza
nota che il profilo dell'ala, evidenziato in rosso, non ha una forma particolarmente evoluta ma è semplicemente angolato verso il basso

nei decenni successivi le ali per auto, speso denominate alettoni, hanno subito una grande evoluzione perché gli ingegneri hanno capito che la velocità in curva è fondamentale anche per la velocità in rettilineo perché lo si affronta uscendo dalla curva a velocità maggiore

comunque, anche in questo caso come nel caso degli aeroplani, è tutta una questione di compromessi perché un'ala molto efficace (deportante) comporta un maggior rallentamento, come puoi vedere nella figura sotto)
nell'immagine sopra abbiamo evidenziato in fucsia i profili alari anche se in realtà sarebbero nascosti dalle paratie verticali bianchi (1 e 5)

la freccia verso il basso "b" rappresenta il peso della vettura a macchina ferma, cioè la normale attrazione di gravità

la freccia verso il basso "a" rappresenta la spinta in basso ottenuta grazie alla presenza dell'ala anteriore deportante

la freccia verso il basso "c" rappresenta la spinta in basso ottenuta grazie alla presenza dell'ala posteriore deportante

le frecce tratteggiate 2, 3, 4 rappresentano l'effetto di rallentamento che la vettura subisce sia a causa della forma non perfettamente a goccia sia per la presenza delle ali che, come sappiamo, influisce negativamente sulla velocità di avanzamento perché genera vortici e situazioni simili al vuoto alle spalle di ogni ala

quindi quanto si deve accentuare l'effetto deportante delle ali rovesciate? è impossibile rispondere perché si devono prendere in considerazione tantissimi fattori tra cui:

- potenza del motore

- larghezza delle gomme

- conformazione del circuito: infatti un circuito con molte curve lente richiede ali più grandi rispetto a un altro che ha poche curve e lunghi rettilinei
come puoi notare la conformazione del circuito di montecarlo (il più lento del campionato di formula 1) è decisamente più tortuoso di monza (il più veloce del campionato di formula 1)

nel corso degli anni gli alettoni e tutte le varianti possibili e immaginabili hanno assunto un ruolo preponderante nella progettazione di questo tipo di vetture; lo si può notare dalle immagini successive in cui vediamo delle sezioni di ali sempre più complesse

infatti guardiamo la sezione qui sotto in cui i nostri amici mosquito pino, gino, dino, vino sono costretti a seguire traiettorie che passano sopra, sotto e tra le ali

le frecce bianche rappresentano le spinte verso il basso e quelle tratteggiate rosse le forze contrarie all'avanzamento delle vetture
rispetto alla prima ala quasi piatta della chaparral l'evoluzione è stata notevole

nei decenni 1970 e 1980 le ali furono inclinate all'indietro per cercare di opporre meno sezione frontale e quindi migliorare l'avanzamento (vedi due figure sotto)
da notare che il bordo di attacco si trova praticamente alla stessa altezza del bordo di uscita sia nel caso di un alettone composto da tre ali che da quattro

una costante a tutti i profili alari è comunque la continuità della forma, sia essa molto semplice e regolare come l'ala della chaparral, sia essa più complessa come quella delle ali qui sopra (vedi figura sotto)
abbiamo inserito la linea sottile sotto l'ala per evidenziare questa forma a cucchiaio che è molto continua e anche molto deportante

nel precedente articolo su come aumentare l'efficienza di un'ala avevamo introdotto il concetto di appendice retrattile, che ha il compito di offrire grande portanza all'aereo in fase di decollo e che, una volta che la spinta in alto si rende meno necessaria, vengono riportate all'interno o sotto l'ala (figura sotto)
in formula 1 non è possibile perché è vietato lo spostamento in corsa delle appendici aerodinamiche per evitare manovellismi che in passato si sono inceppati e hanno causato incidenti mortali

in questi ultimi anni è stata introdotto la possibilità di riportare orizzontale una parte dell'ala posteriore per aumentare la velocità e facilitare il sorpasso di chi ci precede; viene chiamato "drs" (drag reduction system)

è una soluzione che in effetti ha favorito i sorpassi (solo chi sta dietro può utilizzare il drs) ma che noi troviamo assolutamente ridicola e contraria ad ogni genere di ricerca in campo aerodinamico

ma si sa che la federazione dell'automobile ha introdotto così tante regole e regolette che oggi le vetture sono tutte uguali, mentre invece negli anni 1970 potevamo assistere a partecipazione di vetture molto diverse tra loro, a cui lavoravano ingegneri che hanno fatto la storia della formula 1, come per esempio colin chapman che ha inventato l'effetto suolo e le minigonne, oppure ken tyrrell che ha introdotto la famosa vettura a sei ruote

questo articolo non si conclude qui ma è in continua evoluzione perché la ricerca va avanti giorno dopo giorno; inseriremo quindi tutte le ultime novità e azzarderemo possibili soluzioni per il futuro; in questo caso c'è spazio anche per le tue idee e per le tue ricerche: contattaci in qualsiasi momento