L'Aerodinamica

Discussione in 'Schede Tecniche' iniziata da Mattia GT, 19 Settembre 2006.

  1. L’aerodinamica e l’automobile

    Air force, il nemico invisibile

    Il nemico più dell’automobile è l’aria, ecco come nasce la sua forza e perché aumenta con la velocità.
    L’auto è fortemente condizionata dall’aerodinamica delle sue forze perché queste alteraneo vari fattori come la velocità, i consumi e la tenuta di strada con l’aumentare della velocità.
    L’andatura è in contrapposizione con gli altri benefici, ed è difficile trovare un giusto compromesso che li soddisfi tutti.
    Sono le forme della carrozzerie che decretano l’efficienza dell’aerodinamica.


    Resistenza all’avanzamento

    La forza che si oppone all’avanzamento dei veicoli in una strada pianeggiante sono la somma tra la resistenza aerodinamica e quella di rotolamento delle ruote. Entrambe aumentano al crescere della velocità (non in maniera lineare).
    La prima forza aumenta partendo da zero in maniera esponenziale e la seconda più gradualmente e da un certo valore.
    La figura 1 mostra proprio questo (curva rossa resistenza di rotolamento, curva blu resistenza aerodinamica).
    Si può notare una gran differenza tra le 2 curve pur appartenendo alla stessa tipologia di vettura (segmento C); la curva blu 1 rappresenta quella di un veicolo moderno con forme curate (Cx 0.34) mentre la curva blu 2 è relativa ad un auto datata con una scarsa penetrazione aerodinamica (vettura tipo Ritmo prima serie Cx 0.44).
    Notare come il punto di pareggio sulla curva 2 si attorno hai 75km orari mentre sulla curva 1 corrisponda a circa 120 km orari. Una differenza abissale che giustifica enormemente le scarse velocità massime delle vetture più anziane a parità di potenza e categoria.

    foto L'Aerodinamica - 1 Qui era presente un link corrotto ed è stato eliminato.
    Fig.1


    L’aerodinamica

    E’ una scienza derivata della fluidodinamica che studia la dinamica dei gas, nel nostro caso l’aria, e la loro interazione con corpi solidi, nel nostro caso l’automobile.
    Lo spostamento di quest’ultima è fortemente condizionato dalla resistenza che l’aria esercita su di esso e dalle interazioni reciproche che si esercitano. Il fluido non avvolgendo la sagoma del veicolo in modo omogeneo e simmetrico crea le forze aerodinamiche, determinando turbolenze e attriti sulle superfici. Se così non fosse il veicolo posteriormente godrebbe di una controspinta equivalente alla spinta anteriore, annullando di fatto questa resistenza all’avanzamento. Quest’ultima, apparentemente di modesta entità a bassa andatura, cresce in modo esponenziale con la velocità, assumendo una notevole importanza per i consumi di carburante e per la massima punta velocistica raggiungibile dall’auto. Da evidenziare che la resistenza aerodinamica riveste maggiore importanza sulle vetture piccole che sulle grandi berline (perché al crescere del volume la massa aumenta molto mentre la sezione frontale s’ingrandisce poco).


    Forze aerodinamiche

    Le forze resistenti agiscono sulle vetture in 3 direzioni: frontalmente, verticalmente e lateralmente (quest’ultima da considerare solo in caso si asimmetria delle fiancate o vento).
    La prima si oppone all’avanzamento e la seconda tenta di sollevare la vettura da terra (portanza).
    In figura 2 si capisce meglio come sono disposte le forze che agiscono sulle vetture. Visto la diversa forma dell’avantreno rispetto al retrotreno le forze Fz non saranno mai uguali sui due assi.
    Le forze resistenti si possono calcolare moltiplicando i fattori di forma (Cx e Cz) per l’area delle rispettive sezioni (nel calcolo figurano anche la densità dell’aria e il quadrato della velocità).

    foto L'Aerodinamica - 2 Qui era presente un link corrotto ed è stato eliminato.
    Fig.2


    Coefficienti di forma

    Tra i coefficienti di forma, il Cx è certamente il più noto poiché decreta l’efficienza aerodinamica dell’auto (consumi e prestazioni velocistiche); sfortunatamente non figura tra i dati solitamente dichiarati dai costruttori, eccetto i casi in cui se ne debbano vantare perché il valore è inferiore a 0,34! La Figura 3 mostra il Cx di alcuni corpi dalle forme geometriche facilmente riconoscibili. La prima immagine è l’unica insensibile alle dimensioni e alla velocità dell’aria, mentre le altre presentano variazioni dei fattori di forma quando si modificano alcuni parametri. Le ultime due sagome sono uguali ma posizionate specularmente; quella sotto è decisamente più efficiente delle altre, poiché genera una modesta turbolenza (linea rossa) nella zona di ricongiungimento della vena fluida. In assenza di quest’ultima, il Cx sarebbe uguale a “0”, poiché il corpo subirebbe una controspinta da dietro che compenserebbe la spinta frontale. Del Cz, si sente comunque parlare perché è legato alla portanza degli aerei o alla deportanza degli alettoni delle Formula 1. La Figura 4 mostra come, inclinando il corpo in basso nella Figura 3 (che posizionato orizzontalmente non genera spinte verticali), nasce una Forza (Fz) perché è stato modificato il coefficiente di forma Cz. Nel disegno 4, in alto a sinistra, l’ala inclinata obbliga la vena fluida che scorre superiormente (sullo sfondo rosso) a compiere un percorso più lungo rispetto a quella inferiore, prima di ricongiungersi con essa. Affinché ciò avvenga, l’aria sovrastante deve muoversi più velocemente di quella sotto (compie orizzontalmente la stessa distanza nello stesso tempo ma il tragitto effettivo è più lungo). Per il noto effetto Venturi (se cresce la velocità diminuisce la pressione) sappiamo che la pressione sopra all’ala risulta inferiore a quella sottostante, dando vita alla Forza verso l’alto (Fz) definita “portanza”. I due disegni in basso nella Figura 4 illustrano sullo sfondo verde il caso opposto (se sopra l’ala diminuisce la velocità dell’aria conseguentemente aumenta la pressione), in cui la spinta Fz è rivolta verso il basso (portanza negativa o deportanza), come quella generata dagli alettoni di una monoposto di Formula 1.

    foto L'Aerodinamica - 3 Qui era presente un link corrotto ed è stato eliminato. foto L'Aerodinamica - 4 Qui era presente un link corrotto ed è stato eliminato.
    Fig.3 Fig.4


    Cx e sezione frontale

    Per valutare la resistenza all’avanzamento di una vettura, non basta individuare il coefficiente di forma Cx, perché caratterizza esclusivamente la sagoma della sezione frontale, non le sue dimensioni (i coefficienti Cx, Cz e Cy sono tutti adimensionali). Costruire un modello dell’automobile in scala 1:4 per studiarlo nella galleria del vento, permette di stabilire il coefficiente di forma dei due veicoli (che è identico); la resistenza al moto invece è assai diversa, perché l’area della sezione frontale dell’auto è 16 volte maggiore di quella del modellino. La Figura 5 mette a confronto una vettura sportiva con una berlina. La sagoma gialla che individua la prima è decisamente più aerodinamica di quella azzurra. Inoltre, l’area della sezione frontale interessata è minore, come si evince dal disegno di sovrapposizione in basso a destra. Il vantaggio aerodinamico (Cx) dell’auto sportiva sembra evidente anche a parità di area, ma diventa abissale (sempre più la crescere della velocità) in virtù della ridotta superficie esposta all’aria. Il motivo è chiarito dalla formula sullo sfondo rosso, che individua la forza resistente all’avanzamento, frutto del prodotto tra il Cx e la sezione frontale (moltiplicato nuovamente per la costante di densità del fluido e per il quadrato della velocità). Vale la pena rimarcare che nella formula per il calcolo della “F resistente (ovvero Fx)” la velocità figura al quadrato, mentre per stabilire la potenza che il motore deve erogare per vincerla, la velocità compare al cubo (infatti la potenza è il prodotto di una forza per una velocità) come indica la formula in basso sullo sfondo verde. Insomma, se per viaggiare a 120 km/h bastano più o meno 40 cavalli, per andare a 180 servono circa 90 CV, mentre per superare i 330 km/h occorrono 600 CV! La curva verde nella Figura 6, relativa a un veicolo del segmento medio di moderna concezione, indica l’andamento della resistenza totale all’avanzamento, frutto della somma tra quella rossa di rotolamento (su strada pianeggiante) e quella blu aerodinamica.

    foto L'Aerodinamica - 5 Qui era presente un link corrotto ed è stato eliminato. foto L'Aerodinamica - 6 Qui era presente un link corrotto ed è stato eliminato.
    Fig.5 Fig.6

    foto L'Aerodinamica - 7 Qui era presente un link corrotto ed è stato eliminato. foto L'Aerodinamica - 8 Qui era presente un link corrotto ed è stato eliminato.


    Il Cx delle auto di serie

    Le vetture moderne in genere hanno un Cx inferiore a 0,35; le grandi berline, come la curatissima Lexus IS (Cx 0,27), possono sfoggiare un coefficiente di penetrazione aerodinamica migliore di quelle più piccole che raramente scendono sotto lo 0,30. La Mini BMW, per via del design ispirato alla celebre antenata, ha un Cx decisamente penalizzante: 0,35-0,36 (a seconda delle versioni), ma per fortuna l’area della sezione frontale è di soli 1,97 mq. Ciò perché alla fine dei conti anche la superficie esposta all’aria pesa molto sulle prestazioni. Tra una sportiva efficiente e una voluminosa SUV il divario di velocità e di consumi è impressionante, perché si sommano gli effetti del Cx e dell’area esposta al vento. La Porsche Boxster (3.2 da 280 CV e 260 km/h) a 90 km/h consuma 13 km/litro e 9,7 a 120 km/h; la Mercedes ML 350 da 272 CV raggiunge solo 218 km/h e alle stesse velocità consuma rispettivamente 10 e 8 km/litro! Per guadagnare le alte velocità, superiori ai 200 km/h, è molto più proficuo lavorare sul Cx dell’auto (e limitare la sagoma frontale) che aumentare la potenza del motore, perché colmare l’handicap richiede tantissimi cavalli in più e al “prezzo” di consumi esorbitanti.


    Il Cz delle auto di serie

    Sulle auto di serie si manifesta sempre una certa portanza su entrambi gli assali, perché l’aria che scorre sopra la vettura compie un percorso più lungo (riducendo la pressione) di quella che passa sotto. Solitamente il Cz non desta molte preoccupazioni sulle auto meno potenti (dato che non sono in grado di raggiungere elevate velocità), anche perché in genere la spinta di sollevamento fino a 150 km/h non supera i 50 kg per ogni asse. Il discorso è diverso per le auto con parecchi cavalli, quelle che oltrepassano abbondantemente i 200 km/h, perché la portanza cresce col quadrato della velocità e gli alleggerimenti riducono l’aderenza dei pneumatici causando l’instabilità del veicolo. Per tale ragione molti costruttori utilizzano spoiler fissi e persino mobili, che fuoriescono dalla carrozzeria ad una certa velocità (a partire da 120 km/h come la Porsche Boxster o da 130 km/h come sulla Lamborghini Murciélago).
     
  2. Gran bel articolo, anche se la prima frase è un pò forzata.

    Come chiaramente spieghi nell'articolo fra le forze dinamiche presenti c'è la portanza.
    Questa forza è ricercatissima (quella negativa) e fra elettoni, minigonne, effetto suolo... se non ci fosse l'aria anche Shummy avrebbe dei tempi sul giro molto più alti.
    Quindi l'aria non è un nemico ma un elemento da prendere in considerazione e sfruttare al meglio ! :cool001: :cool001: :cool001:
     
    A Rob.33 piace questo elemento.
  3. Bel lavoro......sicuramente è un articolo che allargala cultura sui motori!!!
     
  4. :ernaehrung004:
    Da fare leggere a degli elementi che lamentano cali di prestazioni........dopo avere montato l' alettone tipo stendipanni ( totalmente fuori luogo).