Perché le auto di F1 creano vortici?

Le auto di Formula 1 generano livelli incredibili di deportanza aerodinamica per rimanere incollate alla pista nelle curve ad alta velocità. Tuttavia, lo stesso flusso d’aria che produce deportanza porta anche alla formazione di strutture vorticosi complesse. Queste masse d’aria turbinante non sono semplici sottoprodotti; sono componenti chiave della filosofia aerodinamica moderna della F1.

I vortici si verificano quando flussi d’aria ad alta e bassa pressione interagiscono attorno a bordi taglienti, come le estremità delle ali o sezioni del fondo. Possono causare “aria sporca” turbolenta dietro l’auto, riducendo la stabilità e rendendo più difficile per le auto che seguono mantenere il passo. Allo stesso tempo, una manipolazione intelligente dei vortici aiuta i team a sigillare il fondo, energizzare il flusso d’aria sotto la vettura e deviare la turbolenza lontano da superfici aerodinamiche sensibili.

Comprendere perché e come si formano questi vortici rivela come i team bilanciano tra la riduzione della resistenza e la massima deportanza. Questo articolo analizza la scienza dietro i vortici in F1, i componenti responsabili e come gli ingegneri li controllano o li sfruttano per ottenere prestazioni massime.

Cosa sono i vortici in un’auto di Formula 1?

Un vortice è un flusso d’aria rotante che si avvolge attorno a un asse invisibile. Nel contesto della F1, i vortici si creano quando il flusso d’aria è costretto a cambiare velocità o direzione bruscamente, spesso a causa di elementi aerodinamici taglienti come le ali, le endplate o i bracci delle sospensioni.

Per immaginare un vortice, pensa al mulinello in una tazza di caffè mescolato o all’aria a spirale in un diavolo di polvere. Questi fenomeni quotidiani sono causati da una combinazione di differenze di pressione ed energia rotazionale nel fluido, in questo caso l’aria.

Perché i vortici sono importanti nell’aerodinamica:

• Sono sottoprodotti inevitabili di forme aerodinamiche aggressive.
• I vortici intrappolano il flusso d’aria ad alta energia, il che può creare resistenza (drag) o stabilizzare il flusso d’aria in zone cruciali.
• La scia caotica dietro un’auto di F1, spesso chiamata aria sporca, è composta da più vortici che interagiscono e possono disturbare sia l’auto stessa sia quella che segue.
• Studi di fluidodinamica computazionale (CFD) mostrano che la scia contiene una serie di strutture vorticosi che riducono l’energia disponibile per le auto dietro.

Nell’ingegneria della F1, i vortici non sono solo gestiti; sono deliberatamente ingegnerizzati. I team li usano per energizzare il flusso sotto l’auto, sigillare i bordi del fondo, ridurre l’interferenza della scia dei pneumatici o proteggere superfici aerodinamiche critiche da disturbi. L’obiettivo è sempre lo stesso: mantenere l’equilibrio aerodinamico minimizzando la resistenza non necessaria.

Perché i vortici sono importanti in F1?

I vortici svolgono un ruolo centrale nell’aerodinamica moderna della Formula 1. Non sono solo sottoprodotti inevitabili del flusso d’aria su forme complesse, ma strumenti che i team utilizzano per risolvere alcune delle sfide più difficili nel design delle auto e nella prestazione in gara.

La principale importanza dei vortici risiede nella loro capacità di manipolare il flusso d’aria. Guidando l’aria in regioni specifiche o sigillando aree a bassa pressione, i vortici aiutano ad aumentare la deportanza senza aggiungere troppa resistenza. Questo migliora l’aderenza in curva e aiuta a mantenere la stabilità alle alte velocità.

I vortici sono anche usati per gestire l’aria sporca. La scia creata da un’auto di F1 contiene aria a bassa energia e turbolenta che può disturbare l’aerodinamica delle auto che seguono. I team modellano strutture vorticosi per ripulire questa scia o deviarla lontano da aree sensibili come il fondo, il diffusore e l’ala posteriore.

Un altro ruolo chiave è la sigillatura del fondo. Con il ritorno dei regolamenti sul ground-effect, la gestione del flusso d’aria a bassa pressione sotto l’auto è diventata ancora più critica. I vortici ai bordi aiutano a contenere questo flusso, impedendo all’aria ad alta pressione esterna di entrare e ridurre l’aspirazione sotto la vettura. Un fondo ben sigillato può generare molta deportanza con resistenza minima.

La ricerca CFD conferma che le strutture vorticosi generate al bordo del fondo agiscono come “gonne” aerodinamiche, impedendo all’aria esterna di entrare nel flusso sotto l’auto e mantenendo l’aspirazione nel diffusore.

In breve, i vortici sono essenziali per bilanciare tre obiettivi contrastanti: massima deportanza, minima resistenza aerodinamica, e stabilità aerodinamica. Più efficacemente un team può controllare il comportamento dei vortici, maggiore sarà il vantaggio in termini di tempo sul giro, usura delle gomme e passo gara.

Come si formano i vortici in un’auto di Formula 1?

I vortici si formano quando flussi d’aria con pressioni differenti si incontrano e cercano di uniformarsi. In un’auto di F1, ciò avviene in molte zone dove superfici aerodinamiche creano intenzionalmente differenze di pressione per generare deportanza.

Per comprendere il meccanismo, considera un profilo alare invertito, base dell’ala di una F1. Il design forza l’aria a muoversi più velocemente sotto l’ala, riducendo la pressione sotto mantenendo una pressione maggiore sopra. Il risultato è una forza verso il basso che spinge l’auto verso la pista.

Tuttavia, alle estremità dell’ala, l’aria ad alta pressione da sopra cerca di entrare nella regione a bassa pressione sotto. Questo movimento laterale crea un flusso rotazionale noto come vortice.

Questo effetto è analogo ai classici vortici d’estremità alare, dove l’aria ad alta pressione trabocca in regioni a bassa pressione, creando un flusso rotante che contribuisce alla resistenza aerodinamica.

Lo stesso processo si verifica sull’ala anteriore, l’ala posteriore, le bargeboard, i bordi del fondo e intorno ai pneumatici rotanti. Ciascuno di questi componenti modella il flusso d’aria in modo da generare vortici sia come effetto collaterale che intenzionalmente per migliorare le prestazioni.

La forza e la lunghezza di un vortice sono influenzate dalla velocità dell’auto. Con l’aumento della velocità, l’energia dell’aria aumenta, permettendo ai vortici di allungarsi di più e interagire in modo più dinamico con altri elementi aerodinamici. Alcuni vortici si dissipano rapidamente, mentre altri possono estendersi molto dietro l’auto e influenzare il comportamento di una vettura che segue nella scia.

Come vengono controllati i vortici nelle auto di Formula 1?

Sebbene alcuni vortici siano utili, molti creano resistenza indesiderata o disturbano il flusso d’aria attorno ad aree critiche dell’auto. Gli aerodinamici della Formula 1 lavorano ampiamente per limitare questi effetti negativi modellando attentamente la carrozzeria per guidare il flusso d’aria in modo più efficiente.

Uno degli strumenti chiave per il controllo dei vortici è l’ala posteriore. Modellata come un profilo alare invertito, produce deportanza generando una differenza di pressione tra le sue superfici superiore e inferiore. Questo squilibrio di pressione crea vortici forti alle estremità dell’ala, che possono aumentare la resistenza. Per limitarlo, i team utilizzano delle endplate verticali. Queste strutture riducono il riflusso di aria ad alta pressione sotto l’ala, aiutando a minimizzare la formazione di vortici.

Eliminare completamente i vortici è impossibile. Invece, gli ingegneri si concentrano sul loro reindirizzamento. Un metodo comune consiste nell’includere fessure o feritoie nelle endplate. Queste piccole aperture permettono all’aria ad alta pressione di uscire verso l’esterno, lontano dalla zona a bassa pressione. Controllando direzione e intensità del flusso d’aria, questi dispositivi aiutano a ridurre la dimensione e forza dei vortici di estremità.

Sotto l’auto, la gestione dei vortici ai bordi del fondo è fondamentale. I bordi del fondo sono sagomati per creare un vortice controllato che sigilla la zona a bassa pressione sotto l’auto, migliorando l’efficienza dell’aerodinamica ground-effect. La disposizione di bargeboard e deviatori vicino alle pance modella ulteriormente questo flusso e aiuta a prevenire la turbolenza che interferirebbe con le prestazioni del fondo.

La scia dei pneumatici è un’altra importante fonte di disturbo. Componenti come deflettori, copriruota e bracci delle sospensioni vengono utilizzati per guidare l’aria turbolenta attorno o lontano da parti sensibili della vettura. Alcuni di questi elementi generano anche vortici secondari, che aiutano a mantenere il flusso più pulito lungo il fondo e verso il diffusore.

Controllare i vortici non significa eliminarli del tutto. Si tratta di gestire dove si formano, quanto sono forti e dove vanno. L’obiettivo è ridurre la resistenza aerodinamica, proteggere il flusso d’aria in aree critiche e mantenere una piattaforma aerodinamica stabile ad alta velocità.

Come vengono usati i vortici a vantaggio di un’auto di Formula 1?

Sebbene i vortici contribuiscano spesso alla resistenza aerodinamica, i team di Formula 1 hanno imparato a utilizzarli come strumenti preziosi. Invece di cercare sempre di eliminarli, gli ingegneri modellano e guidano alcuni vortici per migliorare le prestazioni in aree specifiche della vettura.

Uno degli esempi più importanti è il vortice Y250. Questo vortice si forma vicino al bordo interno dell’ala anteriore, a circa 250 millimetri dalla linea centrale dell’auto. Origina dove la sezione centrale piatta dell’ala anteriore transita in elementi aerodinamici più scolpiti. I regolamenti impongono che la parte centrale dell’ala rimanga neutrale, quindi il vortice Y250 compare naturalmente nel punto in cui il flusso d’aria viene improvvisamente deviato.

Questo vortice percorre tutta la lunghezza dell’auto, guidato da bargeboard e deviatori delle pance. Agisce come una barriera che separa la turbolenta scia dei pneumatici dal flusso pulito sotto il fondo. Mantenendo questa separazione, il vortice aiuta a preservare la zona a bassa pressione sotto l’auto, essenziale per una deportanza costante.

I team creano anche vortici aggiuntivi utilizzando elementi come deviatori, bordi del fondo e persino la forma del telaio. Questi vortici possono energizzare gli strati limite lenti, aiutando a ritardare la separazione del flusso e ridurre le perdite aerodinamiche.

In alcuni progetti, i generatori di vortici sono posizionati sopra le pance per aiutare a reindirizzare il flusso d’aria sopra o attorno agli ostacoli. Questi dispositivi manipolano aria ad alta energia per rafforzare i percorsi del flusso verso superfici critiche come l’ala inferiore o il diffusore.

Un’altra tecnica comporta il guidare il flusso d’aria intorno alle ruote anteriori usando pinne o superfici curve. Queste forme producono intenzionalmente vortici che aiutano a deviare la scia turbolenta lontano dal fondo. Mantenendo quest’aria disturbata lontana dal flusso sotto l’auto, la vettura ottiene una piattaforma aerodinamica più prevedibile ed efficiente.

Utilizzare i vortici in questo modo richiede un controllo preciso. Troppa turbolenza può destabilizzare l’auto, ma vortici ben gestiti possono migliorare notevolmente la consistenza aerodinamica, soprattutto in curva e in condizioni di vento variabili.

Le auto di F1 usano generatori di vortici?

Sì, le auto di Formula 1 utilizzano generatori di vortici, anche se non sempre vengono chiamati con questo nome nelle comunicazioni dei team. Questi dispositivi sono caratteristiche progettate con cura per creare vortici controllati e influenzare il flusso d’aria attorno alla vettura in modi specifici.

I generatori di vortici possono assumere diverse forme. Possono apparire come piccole pinne, alette, strake o winglet posizionati vicino all’ala anteriore, alle pance, ai bordi del fondo o anche sulle endplate dell’ala posteriore. Ognuno di essi è posizionato per creare un flusso rotante che aiuta a gestire il movimento dell’aria attorno a zone aerodinamiche prioritarie.

Un’applicazione comune è lungo il bordo anteriore del fondo. I team posizionano piccole pinne o deviatori vicino ai bordi per creare vortici che aiutano a sigillare la zona a bassa pressione sotto l’auto. Questo impedisce all’aria a pressione più alta di penetrare sotto il fondo e indebolire la deportanza.

Un altro esempio si trova sulle pance o sui bargeboard, dove elementi generatori di vortici aiutano a deviare la scia turbolenta dei pneumatici lontano dalle superfici sensibili del sottoscocca. Energizzando il flusso in queste zone, la vettura mantiene prestazioni aerodinamiche più costanti anche con il variare delle condizioni.

Sebbene il termine “generatore di vortici” sia più comunemente associato all’aviazione o alle auto stradali, il principio è esattamente lo stesso in F1. Questi dispositivi vengono usati per controllare gli strati limite, ritardare la separazione e dirigere il flusso d’aria per la massima efficienza aerodinamica.

Il loro utilizzo è una delle ragioni principali per cui le auto di Formula 1 possono mantenere livelli così elevati di deportanza senza eccessiva resistenza. I team continuano a sperimentare con nuove forme e posizioni per affinare la formazione di questi vortici e la loro interazione con il resto della struttura aerodinamica dell’auto.

Perché le auto di F1 creano vortici? Considerazioni finali

Le auto di Formula 1 creano vortici a seguito di come l’aria si muove attorno alle superfici aerodinamiche che generano deportanza. Questi flussi d’aria turbinanti si formano quando regioni ad alta e bassa pressione si incontrano, in particolare attorno alle estremità e ai bordi di ali, fondi e deviatori.

Sebbene alcuni vortici aumentino la resistenza e riducano l’efficienza, altri possono essere usati per migliorare le prestazioni. I team progettano la carrozzeria della vettura non solo per gestire il flusso d’aria, ma per generare e controllare attivamente vortici in modo che supportino aderenza, stabilità e coerenza aerodinamica.

Dai vortici Y250 sull’ala anteriore ai vortici ai bordi del fondo, questi flussi sono centrali nel modo in cui una moderna auto di F1 raggiunge elevate velocità in curva e prestazioni efficienti sul dritto. Capendo come gestire e manipolare i vortici, i team ottengono un vantaggio competitivo che può tradursi in reali guadagni in pista.

I vortici non sono un effetto collaterale. Sono una parte essenziale della strategia aerodinamica dietro ogni auto di Formula 1.

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Tradotto dall’articolo originale in inglese “Why Do F1 Cars Create Vortices?“