F1 | La F1 e la Galleria del vento

Roma, 10 gennaio 2013 – La F1 di oggi sta basando sempre più la sua ricerca ed il suo sviluppo nel campo aerodinamico. Questo, infatti, resta l’unico campo in cui i progettisti possono ancora muoversi ed inventare nuove soluzioni. Il congelamento dei motori del resto, ed un regolamento tecnico molto restrittivo, non consentono certo la ricerca e lo sviluppo in altre aree tecniche.

Le squadre quindi principalmente si concentrano per lo più sulla ricerca aerodinamica, utilizzando tre diversi ma validi sistemi: il CFD (Computational Fluid Dynamics), oppure utilizzando le prove su pista (durante le prove libere o i pochi test permessi) ed infine attraverso i test in galleria del vento.

Proprio quest’ultimo sistema quest’anno ha generato molti problemi in casa Ferrari. Più volte la stampa specializzata ha riportato come i dati forniti dalla galleria del vento di Maranello non coincidessero poi con quelli, sicuramente più veritieri, raccolti dai test su pista. Causa questa che ha rallentato nella parte finale della stagione lo sviluppo tecnico della F2012.

A causa di questo inconveniente la Ferrari è spesso ricorsa all’utilizzo della galleria del vento dellaToyota Motorsport a Colonia, e ha deciso di rivedere la calibrazione dell’intera struttura costruita nel 1997.

Questa verifica/aggiornamento della struttura è ancora in corso, e la scuderia italiana si sta avvalendo di tecnici che presumibilmente provengono dall’industria aerospaziale. Non potremmo mai sapere, ovviamente, quali sono stati i risultati che hanno ottenuto verificando la struttura, ne potremo sapere che tipo di modifiche ad aggiornamenti saranno apportati. Quello che conosciamo però delle gallerie del vento sono gli aspetti tecnici, ciò che analizzano e le tecniche usate. Oggi proveremo a spiegarvi qualcosa di più sul loro funzionamento.

Cominciamo col dire che una Galleria del vento può costare tra i 50 e  i 60 milioni di dollari. Rappresenta quindi per un team o per una casa automobilistica un grosso investimento ed una importantissima  risorsa per la ricerca nel campo aereodinamico. Nell’ambito della F1 le scuderie possono utilizzare le gallerie del vento attenendosi a precise limitazioni imposte dal regolamento della FIA.

Per prima cosa la velocità del vento che non può essere superiore ai 50m/s, circa 180 km/h. Poi c’è la limitazione alle dimensione della vettura che deve essere pari al 60% delle dimensioni reali. Per questo, i team utilizzano un coefficiente (numero di Reynolds) di calcolo per correlare i dati ottenuti alle dimensioni reali al 100% con cui poi progetteranno il particolare studiato. Tutto questo, per quanto possa essere preciso il calcolo, comporterà sempre dei margini di errore, tanto piccoli quanto più precisa e ben calibrata sarà la struttura del tunnel.

Nel caso specifico della Ferrari, va ricordato un particolare. La galleria del vento della rossa fu costruita per modelli al 40% delle dimensioni reali. In seguito il regolamento consentì l’utilizzo di modelli più grandi e oggi a Maranello, dopo i dovuti accorgimenti, si testano i modelli al 60%. Questo potrebbe essere uno dei motivi alle origini dei problemi di calibrazioni di cui oggi la scuderia italiana soffre.

Infine, non perché sia meno importante, esiste anche una limitazione al numero di ore che un team può utilizzare la galleria del vento che oggi è fissato dalla Federazione a 60 ore a settimana.

Vediamo ora un esempio dei dati che vengono raccolti durante una sessione di test in galleria del vento.

I dati sono totalmente inventati e non reali a nessun componente.

Nella colonna LIFT è indicato il carico ottenuto, questo è sempre espresso con il segno negativo (essendo una forza che dall’alto spinge verso il basso) ed è misurato in Nm (ma anche in Kg) assecondo dell’impostazione date alla struttura.

Nella seconda colonna è invece riportato il DRAG, la resistenza che la vettura o il componente, genera contro il flusso d’aria da cui viene investita.

Nella terza colonna è riportato il risultato del rapporto tra carico ottenuto (LIFT) e resistenza aerodinamica (DRAG), ciò ci fornisce il valore dell’efficienza aerodinamica. Da questo valore già è possibile ottenere indicazioni importanti sulla bontà del progetto. Più il numero che si otterrà da questo rapporto sarà elevato, più indicherà una buona riuscita del progetto e quindi una maggiore efficienza aerodinamica. L’obbiettivo di ogni aerodinamico è infatti quello di ottenere, il maggior carico possibile ma al minor costo di resistenza all’avanzamento.

Il DRAG POWER invece rappresenta l’energia necessaria (misurata in HP) per vincere la resistenza aerodinamica. Questa la formula che viene utilizzata per misurare questa potenza.

DRAG HP = Efficienza aerodinamica (assumiamo 0,9 per vettura di F1) X area frontale in metri quadrati (assumiamo 1.35) X velocità dell’aria (180 km / h = 50 m / s) al cubo) / aria (1225 kg/m3) = ~ 124 CV per superare la resistenza aerodinamica. La stessa formula dà circa 380 cv a 250 km/h

Nota: il valore di 1225 Kg/m3 è riferito al peso specifico dell’aria misurato a 15C° ad una pressione di 1013 mbar.

Le successive tre colonne: FY, FX and FZ sono i momenti che il carico aerodinamico genera su i tre assi passanti per il centro di gravità della vettura. L’asse longitudinale, l’asse trasversale e verticale.

Le ultime due colonne invece riportano la quantità di carico verticale sull’asse delle sospensioni anteriori e posteriori. Parametro che ci fornirà indicazioni importanti sul bilanciamento aerodinamico della vettura.

Questi sono solo alcuni dei parametri più comuni che i team in fase di studio utilizzano per analizzare il singolo componente o la vettura in galleria del vento. L’accuratezza dei dati che si ricavano da questo studio sono importantissimi perché influiranno sullo sviluppo della monoposto e sulle azioni correttive che bisognerà adottare. Per questo motivo più i dati saranno precisi, più la correlazione con il modello a dimensioni reali risulterà avere un margine di errore basso.

Uno delle galleria del vento più all’avanguardia esistenti è sicuramente quella presente a Colonia, in Germania, di proprietà della Toyota motorsport. Famosa al grande pubblico della F1 perché utilizzata sia dalla Ferrari che dalla McLaren per i loro studi aerodinamici.

A Colonia in realtà sono presenti due gallerie del vento, una per modelli a grandezza naturale ed un’altra per i modelli in scala al 60%, quest’ultima utilizzata dai team di F1. Entrambi i tunnel utilizzano un nastro continuo (per simulare la velocità della strada) che può arrivare ad una velocità massima di 70 m/s. Un impianto tra i più precisi al mondo. E’ dotato infatti di ben 512 canali di misurazione della pressione disponibili. Inoltre sono dotati anche del sistema Particle Image Velocimetry (PIV) – un metodo ottico di visualizzazione del flusso utilizzato per avere visualizzazioni locali delle velocità dei flussi. Il sistema PIV di solito è usato per convalidare le previsioni CFD e quindi per calibrare meglio l’installazione.

Ma vediamo meglio in cosa consiste un test PIV. Innanzitutto va precisato che questo test viene eseguito solo su piccole zone della vettura per analizzare meglio il comportamento aerodinamico di un preciso dettaglio.

Quando deve essere eseguito, il flusso d’aria viene arricchito di piccolissime particelle, in modo da creare una nebbia abbastanza densa o del fumo. Le luci dell’intero tunnel vengono spente ed illuminato solo il dettaglio da analizzare per mezzo di un laser che disegnerà un piano in due dimensioni. Una telecamera posta ortogonalmente al piano registrerà dei fotogrammi in successione che poi verranno analizzati da un software che elaborerà delle immagini per gli ingegneri.

Il sistema utilizza delle particelle traccianti che lanciante nell’aria che investe la macchina vengono riprese da telecamere ad altissima risoluzione. I fotogrammi ottenuti vengono poi analizzati ed elaborati da un software, per ricrearne delle immagini che mostri il comportamento del flussi e le vorticosità che si creano.

Questo avanzatissimo sistema è stato utilissimo e molto usato dagli ingegneri di F1 per studiare con attenzione le turbolenze che vengono a crearsi dietro i pneumatici anteriori. Questi infatti creano molti problemi all’aerodinamica generale della macchina, l’obiettivo è stato quello di trovare delle soluzioni che spingessero questo flusso turbolento il più possibile esterno alla vettura. Questo studio è stato facilitato moltissimo dalla comparazione possibile tra i dati del CFD con quelli del sistema PIV.

In molti auspicano un ritorno ad una Formula 1 meno aerodinamica e più meccanica, per ora la massima categoria è caratterizzata dalla complessità di questi studi e di queste ricerche. Adrian Newey con il suo arrivo in F1 nei primi anni 90 ha contribuito molto con le sue idee ad una esasperazione aerodinamica della F1, ed oggi, proprio grazie a questo le sue vetture risultano essere le più competitive. Quello che anche noi ci auguriamo è che presto si possa tornare allo sviluppo anche di altre aree tecniche, rilanciando una sfida affascinante tra la scienza aerodinamica e la  scienza motoristica.