Resistenza aerodinamica: Tipologie, soluzioni automobilistiche & DRS simulativo

In questo nuovo approfondimento per la rubrica aerodinamica dei veicoli, parleremo dell’importanza del profilo alare in funzione, però, delle prime vere e proprie applicazioni pratiche. Un’attenta analisi sulla resistenza prodotta da un’ala non basta per capirne l’importanza. Pertanto, si andranno a definire i problemi legati alla natura fluidodinamica del mezzo in cui viaggerà la nostra vettura, cercando di definire le soluzioni escogitate nel tempo: Una sorta di problem solving continuo.

Innanzitutto definiamo la resistenza e specifichiamo meglio le tipologie di resistenza presenti in ambito aerodinamico.

Drag e tipologie:

La resistenza può essere: viscosa, di forma e indotta. Definiamole:

Resistenza viscosa:

• La prima, come ci suggerisce anche il nome, è dovuta all’attrito per forze viscose dello strato limite. Lo spessore δ ne quantifica l’effetto: maggiore sarà, maggior resistenza per l’aria in arrivo in prossimità del profilo e di conseguenza diminuisce la penetrabilità del veicolo nell’aria. Lo strato limite laminare definisce una minor resistenza rispetto ad uno turbolento (le forze viscose rallentano a tal punto da invertire localmente la direzione del flusso, aumentando la resistenza).
  In termini pratici, bisogna progettare un corpo vettura o un’appendice aerodinamica in modo tale da ritardare il più possibile il passaggio da un regime all’altro. Come ribadito in precedenti articoli, questo non vale nella coda del veicolo per i motivi illustrati nell’articolo linkato.In altre parole, una volta aver definito le caratteristiche dei profili alari, possiamo dire che con bassi angoli di attacco, lo strato limite, risulta essere molto sottile, quindi poco drag, buono!

Resistenza di forma:

• In fase di atterraggio (landing) di un velivolo, potrete notare come l’ala (generalmente a più elementi) aumenti notevolmente l’angolo di attacco e di conseguenza aumenta la resistenza. Nel caso in cui ci trovassimo in condizioni di massima downforce, il limite da superare (come angolo) è davvero breve, per arrivare alla condizione di stallo. Il tutto frena il flusso d’aria che localmente investe l’ala, creano un effetto frenante molto potente (gratis ed efficiente).

Nella foto in basso si nota come in fase di frenata, con un’ala a più elementi, viene ridotto notevolmente il valore di portanza, aumentando la resistenza. Il percorso dell’aria è notevolmente maggiore, deve superare una cavità e gli elementi (flap/slat) finali ostacolano il flusso. In questo modo definiamo una resistenza di forma: Drag Form.

Resistenza indotta:

• L’ultimo tipo di resistenza è indotta, per l’appunto, dalla differenza di pressione tra dorso e ventre dell’ala. L’aria tende a muoversi da zone a più alta a zone a più bassa pressione. In questo senso, quindi, essendoci la struttura alare di mezzo e non potendo aggirare il bordo d’attacco e d’uscita, l’aria tenderà ad aggirare l’ostacolo in prossimità dell’estremità trasversale dell’ala. Non essendoci una geometria come guida, l’aria inizia a roteare, creando vortici che aumentano la resistenza aerodinamica.
  Ricordate i vortici d’aria visibili sull’ala posteriore delle monoposto di formula 1? Ecco.

Come risolvere questo inconveniente? End plates, li affronteremo nella seconda parte di questo approfondimento.

Calcoliamo il Drag:

Definendo una resistenza, il Drag, non è che una forza che si oppone all’avanzamento, si esprime in Newton [N] e come abbiamo precedentemente visto si calcola come:

Non vi sembra molto molto simile alla formula del calcolo del Cx? Ovvio, è la stessa! Le relazioni non cambiano, non a caso parliamo di Drag e coefficiente di resistenza aerodinamica. Sono parametri dipendenti l’un l’altro, come è ovvio che sia. Minor Cx vuol dire minor resistenza aerodinamica. I più anziani ricorderanno sicuramente la Citroën CX, un concentrato di eleganza ed efficienza.
Venne chiamata CX proprio perché negli anni ’70 fu una delle prime auto ad abbassare notevolmente (di qualche punto) il coefficiente in questione. Primeggiando fra tutte come una delle auto più aerodinamiche di quei tempi, infatti:

Basti notare il corpo vettura di profilo: sembra un profilo alare. Muso leggermente inclinato per la parzializzazione, altezza da terra limitata, in grado di definire il cosiddetto effetto suolo, parabrezza con inclinazione intorno ai 60° (ottimali), curve eleganti e omogenee: un vero e proprio concentrato di stile e tecnica, chapeau per i progettisti!

Prendiamo la CX come riferimento: L’area frontale A definisce la sezione di veicolo che si nota osservandolo frontalmente, come se fossimo aria. Nella CX il valore di area frontale è decisamente basso, questo a maggior ragione definisce un cx basso. Inoltre la stima del CX definisce solo la penetrabilità del veicolo nella corrente d’aria, non quantifica la resistenza complessiva agente sul veicolo, da cui si possono più o meno quantificare i consumi (assieme ad opportune schede tecniche del propulsore e del peso veicolo).

Dinamica: Centro di pressione e forza risultante

La distribuzione delle pressioni varia lungo il profilo, pertanto ci saranno vettori forza differenti, corrispondenti alla singola sezione alare in considerazione. La risultante di tutte queste forze è applicata nel centro di pressione a distanza x dal punto d’attacco lungo c (corda alare media).

Dalla dinamica è evidente che una forza deportante tenda a far ruotare la geometria attorno all’asse trasversale del corpo alare (uscente dal piano dello schermo).

Il momento della risultante di tutte le forze rappresenta il risultante di tutti i momenti applicati dalle singole forze deportanti, da un noto teorema della meccanica razionale.
Pertanto, una volta definito il centro di pressione, possiamo calcolare il momento generato. Sempre dalla meccanica razionale sappiamo che tal valore è nullo se calcolato in corrispondenza del centro di pressione, o meglio dire, il punto di applicazione di Ftot.

Durante la fase di regolazione dell’effetto deportante, il momento e l’intensità della Downforce dipende dal centro di pressione che si sposta al variare dell’angolo di attacco.

Il valore del momento di drag è pari a:

Con Cm il coefficiente di momento dipendente dalla rigidezza della struttura alare e con c la lunghezza della corda media del profilo stesso.

Gli altri termini sono già ben noti.

DRS: Drag Resistance System

La tecnologia DRS, nata in Formula 1 ed espatriata nel mondo automotive stradale, rappresenta una delle tecnologie più efficienti per la regolazione. Essenzialmente si basa sui principi appena definiti.

In curva/ DRS off/ Configurazione normale:

 

In rettilineo:

Varia la configurazione dell’ala posteriore, in modo da ridurre la resistenza aerodinamica e il CX, in modo da guadagnare circa 15/20 km/h in più. Chiaramente questo sistema è limitato per ogni giro e serve solo per agevolare i sorpassi, rendendo più divertente la competizione, che di per sè, almeno fino al 2017 con l’avvento dei pneumatici larghi, risultava un po’ troppo noiosa (meno sorpassi e colpi di scena). Limitato anche nei punti in cui è consentito, anche perché non avrebbe senso in curva…diminuirebbe solo la stabilità.