I progressi tecnologici corrono forse più veloci delle auto da Formula 1 e i team di scienziati e ingegneri automobilistici sono costantemente al lavoro con un unico obiettivo: creare l’auto vincente. Le leggi della fisica possono essere un ostacolo oppure, se sfruttate a proprio piacimento, possono diventare alleate dei piloti e delle loro auto. Scopriamo insieme alcune delle caratteristiche delle auto da corsa che sfruttano a loro favore la fisica partendo dalle ali.
Ali: fra aerodinamica e attrito
Le auto da Formula 1 presentano varie ali in diverse zone: nella zona anteriore, laterale e posteriore. Esse hanno due principali funzioni, una aerodinamica e una d’attrito. Analizziamole nel dettaglio.
Aerodinamica delle ali
L’aria è un fluido e, quando un oggetto ci si muove attraverso, essa offre una certa resistenza al movimento. L’effetto della resistenza dell’aria lo sperimentiamo anche sulla nostra pelle quando semplicemente camminiamo per strada, anche se la resistenza offerta è minima e solitamente non ce ne accorgiamo.
Per comprendere meglio ciò di cui stiamo parlando, possiamo pensare all’acqua che, così come l’aria, è un fluido, seppur più denso e viscoso: camminare in mare, ad esempio, è più faticoso che per strada, perché l’acqua offre una certa resistenza fluidodinamica al nostro movimento. Questo tipo di resistenza dipende da diverse caratteristiche, sia del fluido (come, ad esempio, la sua viscosità) e sia del corpo che lo attraversa (come, ad esempio, la sua forma).
Con le ali delle auto da F1 ha senso quindi lavorare per rendere il profilo, e quindi la forma dell’auto, più tagliente e aerodinamica possibile: l’obiettivo, a grandi linee, è quello di fare in modo che l’aria investita dall’automobile scorra dolcemente lungo la sua silhouette in modo da creare meno turbolenze, e quindi resistenze, possibili.
Deportanza e attrito
Un ulteriore effetto derivante dalla presenza delle ali sulle auto da F1 è quello della deportanza: analogamente alla portanza, forza che si manifesta durante il volo degli aeroplani e diretta verso l’alto, la deportanza è una forza generata dalla differenza di pressione del flusso d’aria tagliato dall’auto, ed è diretta verso il basso.
Per la particolare forma delle ali e dell’auto, l’aria che scorre sopra l’ala sarà ad alta pressione mentre quella che scorre sotto avrà pressione più bassa, risultando in una spinta all’auto verso il basso, chiamata appunto deportanza.
L’importanza della deportanza sta nel suo stretto collegamento con il grip degli pneumatici, ovvero dell’attrito fra pneumatici e asfalto. Maggiore è la forza di attrito fra pneumatici e asfalto e maggiore è la capacità dell’auto di trasmettere a terra le forze generate durante il moto. Per comprendere meglio potremmo immaginare un’auto su una pista di ghiaccio: in questo caso la forza di attrito sarebbe praticamente nulla ed infatti osserveremmo le ruote dell’automobile girare o, meglio, slittare, a vuoto, senza riuscire a trasmettere a terra la potenza dell’auto.
Dato che la forza di attrito aumenta con la forza verticale che schiaccia l’oggetto al suolo, maggiore è la deportanza e maggiore è lo schiacciamento dell’auto al suolo, con un maggiore attrito delle gomme al terreno ed effetti positivi per la guida dell’auto.
Forza centrifuga e baricentro
Quando l’automobile sterza in curva ad una certa velocità, varie forze agiscono su di essa e la situazione fisica diventa più complicata. Per via del principio di inerzia, l’automobile che sterza in curva tenderebbe ad assumere una traiettoria rettilinea nella direzione precedente a quella della sterzata, ovvero il pilota durante la curva avverte una forza che dall’interno lo spinge verso l’esterno della curva: la forza centrifuga. Ciò che permette all’automobile di mantenere la propria traiettoria curva è proprio il grip fra le ruote e l’asfalto, che generano una forza centripeta che si oppone alla forza centrifuga.
La forza centrifuga e centripeta sono dirette nella stessa direzione e hanno verso opposto, ma non sono applicate nello stesso punto dell’auto: la forza centrifuga è applicata al baricentro dell’auto, mentre la forza centripeta è applicata a terra. Allora ciò che succede è che si crea una coppia di forze che tendono a mettere l’auto in rotazione, con possibili effetti negativi come l’instabilità dell’auto o addirittura il suo ribaltamento: possiamo quantificare questi effetti rotanti negativi con una quantità fisica chiamata trasferimento di carico.
Ricavando l’espressione del trasferimento di carico notiamo che esso è direttamente proporzionale all’altezza del baricentro e alla massa dell’auto mentre è inversamente proporzionale alla sua carreggiata, ovvero la distanza fra due ruote (anteriori o posteriori). Questo significa che all’aumentare della massa dell’auto e/o dell’altezza del suo baricentro, l’automobile risulta meno stabile in curva e più propensa al ribaltamento; al contrario, all’aumentare della larghezza dell’auto la macchina acquisisce stabilità.
Per questo le auto da formula 1 sono spesso molto leggere, basse e larghe, ovvero per guadagnare il più possibile in stabilità.
a cura di Nicola Salvemini