INVENZIONI E LORO APPLICAZIONI “2” …

…NEL MONDO DELLA FORMULA 1

di: DOTT. GIUSEPPE COTELLESSA (ENEA)

La gestione delle vetture di Formula 1 è molto complessa. L'invenzione del  mio procedimento fisico-matematico può contribuire a migliorare la gestione delle vetture soprattutto fuori gara per ottimizzarne le prestazioni.

Le vetture di Formula 1 sono monoposto usate per correre nella massima formula dell'automobilismo mondiale; nel corso del tempo hanno cambiato più volte il loro aspetto, anche radicalmente, sia per effetto delle invenzioni ed intuizioni di progettisti e costruttori, sia per rispettare i mutevoli parametri del regolamento, che più volte è intervenuto a limitare gli eccessi di talune soluzioni, o a ridefinire alcuni parametri (ad esempio, la cilindrata dei motori), spesso per ragioni di sicurezza.

Aerodinamica e prestazioni velocistiche

La configurazione aerodinamica delle moderne auto di Formula 1 si è definita nelle sue grandi linee nel periodo 1968/1974; 6 anni durante i quali fecero la loro comparsa gli alettoni (posteriori ed anteriori), le “pance” laterali ed il “periscopio” centrale. Sono questi gli elementi che ancora oggi, seppure con un’infinità di sviluppi ed affinamenti, caratterizzano queste vetture, con l’aggiunta della raffinatissima (ma poco evidente dall’esterno) struttura aerodinamica che caratterizza la parte inferiore del retrotreno; nonché di una serie di variopinte appendici, giunte al loro massimo sviluppo nel periodo 2005-2008, ma abolite per regolamento a partire dalla stagione 2009.

Contrariamente a quanto credono i “profani”, le straordinarie prestazioni velocistiche delle auto di Formula 1 non dipendono dalla velocità di punta, bensì dalla velocità di percorrenza in curva. La velocità massima mai registrata durante un Gran Premio è stata quella di 369,9 km/h toccata da Antonio Pizzonia con la BMW a Monza, circuito dove l’abbondanza di rettilinei consente di viaggiare con gli alettoni quasi scarichi.Infatti, tutte le appendici aerodinamiche che consentono di accrescere la velocità in curva hanno anche l’effetto di rallentare l’auto in rettilineo; da cui un complicatissimo lavoro di bilanciamento che impegna piloti ed ingegneri per adattare le auto alle caratteristiche di ciascun circuito. Monoposto in grado di produrre un grande carico aerodinamico col semplice corpo vettura (diffusore incluso) hanno potuto usare ali più scariche anche in condizioni che richiedessero molto carico aerodinamico, diminuendo la resistenza (drag) all'avanzamento e riuscendo quindi ad essere competitive in ogni circostanza (sia in circuiti lenti dove il carico aerodinamico è fondamentale per garantire trazione, sia nei rettilinei in cui è fondamentale non offrire resistenza all'avanzamento). Altre monoposto, meno performanti in condizioni tipiche, in certe situazioni particolari (come Monza ed il vecchio Hockhenheim, soprattutto) grazie ad un grosso vantaggio in termini di potenza del motore sono riuscite ad ottenere vittorie perché i cavalli in più hanno consentito l'uso di ali più cariche delle altre monoposto (guadagnando il carico aerodinamico, la stabilità e la trazione in curva in cui erano deficitarie, compensando così l'inefficenza del pacchetto meccanico/aerodinamico) malgrado la maggiore resistenza all'anvanzamento dovuta agli alettoni più carichi.

 Eliminando quasi completamente le appendici aerodinamiche tipiche del tempo, nei primi mesi del 2006, una Honda di Formula 1 in un doppio test al Bonneville Speedway e nel Deserto del Mojave, usufruendo anche di pneumatici più stretti, raggiunse una velocità di 416 km/h, pari a 258 miglia orarie. Secondo la Honda, la vettura era totalmente conforme ai regolamenti della Federazione.

La velocità in curva di una macchina di Formula 1 è determinata principalmente dalle forze aerodinamiche che spingono la vettura verso il basso, aumentando così la tenuta delle gomme e l’aderenza al suolo. In pratica: le auto sono leggerissime, ma gli alettoni con l'aumentare della velocità conferiscono ad esse un peso aggiuntivo che però non ha inerzia, e che cresce con l’aumentare della velocità, sfruttando il principio opposto a quello che fa volare gli aerei (“schiacciando” così l’automobile al suolo: si veda il Principio di Bernoulli, e si consideri che le ali di una monoposto sono rovesciate rispetto a quelle di un aereo, schiacchiando la vettura al suolo a tutto vantaggio della guidabilità). A 160 km/h, la forza generata verso il basso è uguale al peso della vettura; ma quando si viaggia alla massima velocità, essa può essere pari a 2,5 volte il peso della vettura. Inoltre, in curva si genera una forza trasversale che può arrivare a 4,5 g (= 4 volte e mezzo la forza di gravità; mentre in una normale vettura stradale essa è di circa 0,85/1,00 g). Con queste forze laterali respirare diviene difficoltoso e la guida si trasforma in una vera e propria attività atletica.

Tecnologie abolite

Una grande varietà di tecnologie sono state progressivamente bandite dai regolamenti, fra queste:

•sospensioni attive;

•vari dispositivi per l'effetto suolo: divieto di parti a contatto col terreno (prima solo le minigonne dalla stagione 1983, poi generalizzato a tutta la vettura); proibito fondo vettura sagomato ad eccezione di zone indicate nel regolamento; proibiti aspiratori motorizzati di aria al posteriore; proibito il doppio diffusore dal 2011;

•appendici aerodinamiche mobili (divieto parzialmente rimosso nella stagione 2009: ai piloti è stato consentito di regolare dall'abitacolo l'incidenza dei flap anteriori di un massimo di 6 gradi, per 2 volte nell'arco di ogni giro). Nel 2011 è invece consentito di regolare l'incidenza dell'ala posteriore, ma soltanto in un tratto di pista predeterminato e solo al pilota che segue da vicino un avversario (sistema DRS);

•sovralimentazione del motore (dalla stagione 1989); i motori turbo verranno ripristinati, con nuove caratteristiche, dalla stagione 2014);

•zavorre mobili (come mass damper o doppi serbatoi); dispositivo di stallo "F-Duct" (utilizzato solo nel 2010).

La Lotus 79 ad effetto suolo

Nel corso degli anni, la tecnica di guida ha conosciuto costanti evoluzioni, ma l’obiettivo di tutti i piloti è sempre stato quello di accelerare il più possibile ed il prima possibile durante i tratti curvilinei]; sicché il lavoro di telaisti, motoristi e gommisti è costantemente andato in questa direzione. Particolarmente fantasiosa (ma anche pericolosa) fu la soluzione adottata nel periodo 1977/1982 e basata sul cosiddetto "effetto suolo", ottenuto sigillando il flusso d'aria tra monoposto e suolo mediante delle bandelle laterali (le cosiddette minigonne, dapprima spazzole a diretto contatto con l'asfalto, in seguito paratie con un'estremità resistente all'abrasione e spinte al suolo da un sistema di molle) abbinate al disegno del fondo vettura ad ala rovesciata. Esse furono poi vietate dopo i gravi incidenti della stagione 1982 per motivi di sicurezza, onde diminuire la velocità in curva delle auto, anche perché l'effetto suolo, schiacciando le vetture al terreno, rendeva difficilissimi i cambi di direzione. Inoltre, se la "minigonna" non si trovava più a perfetto contatto con il suolo (cordoli, sollevamento di una ruota, incidenti), l'auto perdeva improvvisamente aderenza e diventava ingovernabile, pericolosissima da guidare.

Ideazione di una vettura

Fino alla fine degli anni ’80, ogni auto di Formula 1 fu principalmente il frutto del genio creativo del capo-progettista di ciascun Team, nomi come Colin Chapman, Harvey Postlethwaite, Mauro Forghieri, John Barnard, Gordon Murray o Patrick Head erano indissolubilmente legati alle monoposto di cui curavano la nascita e lo sviluppo.

Negli ultimi 20 anni le cose sono molto cambiate ed ogni auto è stata frutto di un lavoro collettivo, anche se alcuni nomi (come quelli di Adrian Newey e Rory Byrne) ancora oggi si contraddistinguono per il loro genio creativo.

Innovazioni tecniche e limitazioni regolamentari

Telaio

La McLaren MP4/1 fu la prima monoposto di Formula 1 con telaio realizzato in fibra di carbonio

Fu il geniale Colin Chapman della Lotus a realizzare nel 1962 la prima monoposto dotata di telaio “monoscocca”]: non più una serie di tubi orizzontali ai quali venivano ancorati i diversi componenti della vettura; bensì una “vasca” in alluminio, nel quale veniva alloggiato il pilota ed alla quale veniva agganciato il motore. Una soluzione che garantiva valori di rigidità torsionale fino ad allora impensabili.

Tutti i costruttori si dotarono progressivamente di telai monoscocca, che vennero realizzati in metallo leggero (in particolare con uso di pannelli di alluminio a struttura di alveare, il cosiddetto “honeycomb”), finché nel 1981 venne realizzata la McLaren MP4/1 con telaio in fibra di carbonio.

Tale soluzione risultò subito così superiore alle tecniche precedenti (anche sotto l’aspetto della sicurezza per il pilota) che nel giro di due anni venne adottata da tutti gli altri costruttori

Alettoni ed altri elementi aerodinamici

La prima Formula 1 dotata di alettone posteriore  fu la Ferrari 312 F1 del 1968, con cui Jacky Ickx vinse il G.P. di Francia.

Alla fine di quell’anno, era già stata copiata da tutte le altre squadre.

La Ferrari 312 F1 era in origine una classica vettura anni '60 con forma affusolata; solo a metà del 1968 le fu aggiunto un alettone posteriore.

L'incidenza (cioè l'angolo di inclinazione) dei primi alettoni era variabile in ragione della velocità e dell'accelerazione dell'auto; e, con essa, anche il carico aerodinamico che veniva generato. Inoltre, essi erano collocati molto in alto rispetto al corpo-vettura, su tralicci in metallo assai brutti a vedersi, ed anche pericolosi. La Federazione li vietò dopo i gravi incidenti registratisi nel Gran Premio di Spagna del 1969; e nel successivo G.P. di Monaco le auto corsero senza alettoni, che però vennero riammessi dal G.P. di Olanda, ma con incidenza fissa (cosiddetto "divieto di appendici aerodinamiche mobili") e con regolamentazione della loro altezza massima dal suolo. Da allora, nessuna vettura di Formula 1 ne è stata priva e la Federazione è intervenuta più volte per stabilire la loro larghezza, altezza e sporgenza.

Parallelamente, vennero adottati i cosiddetti “baffi” (o "flap") anteriori, per bilanciare meglio la vettura (ma nel periodo 1971-73 la Tyrrell li sostituì con un profilo avvolgente, che ricordava quelli della Bugatti 251 e delle Ferrari 555 "squalo" del 1955; e che fino al 1977 venne adottato anche da altre vetture). In alcune gare, le vetture ad effetto-suolo dei primi anni ottanta ne furono privi, perché l'effetto deportante garantito dalle "minigonne" li rendeva superflui.

Anche in questo campo non sono mancati gli esperimenti: la Mclaren M26 nel 1978 utilizzò un doppio alettone anteriore; la Lotus "JPS9" (che corse solo le prime gare del 1974) utilizzò invece un doppio alettone posteriore. All'inizio del 1977, prima dell'inizio del campionato, la Ferrari 312 T2 si presentò con un alettone anteriore munito di parafanghi che vennero definiti irregolari in quanto definitiappendici aerodinamiche mobili.

La Benetton fu la prima auto che innalzò il muso anteriore della vettura

Un residuo effetto-suolo (progressivamente divenuto, comunque, molto rilevante) è stato garantito dagli "scivoli" (o "profili estrattori") introdotti per prima sulla Renault RE40 del 1983 e collocati oltre l'asse delle ruote posteriori. Dapprima molto semplici, essi hanno conosciuto una grandissima evoluzione nel corso degli anni, venendo più volte regolamentati, soprattutto per quanto riguarda la loro sagomatura interna.

In tal modo è stato in parte vanificato l'obiettivo di ridurre le prestazioni aerodinamiche, che la Federazione aveva perseguito con una drastica riduzione delle dimensioni dell'alettone posteriore, bilanciata dall'ampliamento di quelle dei flap anteriori. Tale soluzione avrebbe dovuto diminuire la sensibilità delle vetture (soprattutto nelle curve veloci) alle turbolenze generate dalle altre auto, rendendo più agevoli i sorpassi. Tuttavia, all'atto pratico non si è assistito ad un'apprezzabile incremento dei duelli ravvicinati ed in più di un caso gli inseguitori hanno dovuto interrompere le loro rimonte per l'impossibilità di avvicinarsi a stretto contatto con le vetture che li precedevano.

Nel 2010 è comparsa un'inedita soluzione sulle vetture McLaren, il cosiddetto F-Duct: il sistema prevedeva una presa d'aria indipendente, collegata ad un condotto che correva lungo tutta la vettura, fino all'alettone posteriore. La canalizzazione era forata all'altezza del cockpit; chiudendo il foro col braccio o col ginocchio, il pilota impediva al flusso d'aria canalizzato di uscire e sfogarsi nell'abitacolo. A foro chiuso, il flusso d'aria era forzato a percorrere il resto del condotto fino ad arrivare all'alettone posteriore, mandandolo in stallo ed incrementando così la velocità massima in rettilineo di circa 10 km/h. Il sistema del foro, essendo completamente passivo e basandosi sull'azione del pilota, permetteva di modificare il percorso di un flusso d'aria aggirando il divieto di parti aerodinamiche mobili. A partire dai G.P. di Cina e di Spagna è stato copiato ed utilizzato anche da altre scuderie, tra cui anche la Ferrari che ha ridenominato il sistema "ala soffiata"

Tale dispositivo è stato proibito a fine stagione, con la motivazione che distraesse il pilota, costringendolo a togliere le mani dal volante; al suo posto è stata introdotta un'importante novità: il DRS. Esso permette l'apertura dell'alettone posteriore in rettilineo, riducendo la resistenza all'avanzamento con consistente incremento di velocità; l'utilizzo del DRS è però limitato dalla federazione soltanto alla vettura che insegue un avversario, in uno o due tratti predeterminati del circuito (le "DRS Zone"), e solo se al momento del passaggio in una zona dotata di sensori (il DRS Detection point) l'inseguitore abbia un distacco inferiore al secondo. L'obiettivo è quello di agevolare i sorpassi, ed in effetti dalla sua introduzione sono aumentati molto;

Sospensioni

Dopo l’invenzione dei telai monoscocca, le molle degli ammortizzatori vennero alloggiate all’interno della carrozzeria (Lotus/Ferrari nel 1963). Ciò contribuì a migliorare la rigidità e l’aerodinamica delle vetture.

Le "sospensioni attive" vennero bandite a partire dalla stagione 1994, perché intervenivano eccessivamente sulla qualità di guida, rischiando di falsare il valore sportivo delle competizioni tra piloti, tramutandole in una sfida tra ingegneri.

Nel 2009 sulla Red Bull RB5 viene reintrodotta una sospensione posteriore "pull-rod", dotata di un tirante (una soluzione vecchia di circa 20 anni), ottenendo buoni risultati. Questo "passo indietro" tecnologico in realtà ha un senso: permette di migliorare la qualità del flusso d'aria al retrotreno (meno disturbato dal tirante rispetto al puntone diagonale), zona a cui il progettista Adrian Newey ha sempre prestato la massima attenzione, ad esempio carenando i semiassi (sia pur con un profilo neutro, obbligatorio per regolamento) per impedire che i flussi fossero disturbati dalla loro rotazione.

Sistema d'accensione, controlli elettronici e telemetria

Sin da quando sono stati banditi i sistemi elettronici di ausilio alla guida, ogni progettista ha cercato di reintrodurne delle parti in via legale, o aggirando i regolamenti. Negli anni a venire destarono scalpore gli sportellini del rifornimento, visti spesso aperti in curve a bassa trazione: questi erano collegati al limitatore di giri (per assicurare che nella pit lane, cioè in prossimità del rifornimento, il limitatore rendesse impossibile il superamento della velocità massima in corsia box ed al contempo aprisse lo sportellino). La loro apertura fuori dalle zone designate sembrò testimoniare che i team usassero il limitatore di giri per evitare erogazioni troppo brusche della potenza in uscita di curva; un traction control mascherato.

A partire dal 2008 le vetture utilizzano solo una centralina unica per tutti, fornita dalla McLaren e Microsoft, scelta che ha generato scompiglio e polemiche, inoltre tale centralina ha destato sospetti, per via anche dei suoi bug e della Spy Story del 2007.

Inoltre sempre a partire dal 2008 vi è l'abolizione dei controlli elettronici di trazione, così come quelli meccanici, inoltre viene abolito anche l'assistenza alla frenata.

La telemetria è fondamentale per conoscere i dati della vettura, come la temperatura del motore e altri valori della vettura, nel 2002 debutta la telemetria bidirezionale, che oltre alla sola raccolta dati, permette anche una modifica di alcuni parametri della vettura, senza passare per i box, nel 2003 questa tecnologia viene abolita.

Biblio: Wikipedia