3. Drag (trascinamento): definizione ed applicazioni/ varie tipologie teoriche e pratiche in F1

 

Siamo arrivati all’analisi degli effetti negativi di avere un’ala montata su una qualsiasi applicazione (macchina o aereo).

Sostanzialmente, solo per rimanere in tema F1, possiamo facilmente dire che un’ala ha effetti benefici solo in curva e non certo in rettilineo, dove la semplice presenza di questo "device", non fa altro che aumentare l’area frontale e quindi il trascinamento.

Abbiamo detto che il drag non e’ altro che una forza che agisce in maniera trasversale al flusso libero.

Questa forza si crea quando il flusso decelera, incontrando gli ormai famosi adverse P gradients. Visto pero’ che per il principio di conservazione dell’energia, la forza generata dalla downforce non puo’ sparire da un momento all’altro, la forza di drag non e’ altro quindi, che energia dissipata trasformata in calore.

 

Questo calore puo’ essere creato da 2 tipi di perdita:

locale              dovuta ad improvvisi cambi di direzione del fluido;

frizionale         dovuta a condizioni dipendenti dalla superficie.

 

La formula del drag e’ proprio data infatti da:

 

D = P din x Area frontale x coefficiente di drag

Quindi, come vedete, aumentando l’area, aumenta anche il drag.

 

Il modo migliore per capire la forza di trascinamento e’ mettere una mano fuori dal finestrino di una macchina in movimento: la sentite la forza spingere indietro con violenza?

Ebbene, la maggior parte di quella forza e’ la Pressione benefica che genera downfoce (o lift, a seconda dei casi), ma un’altra (minima) e’ puro trascinamento, cioe’ una perdita di energia positiva...

 

In realta’ ci sono molti tipi di drag, qui ne vediamo qualcuno, i piu’ rilevanti:

 

1- form drag

e’ quello causato dalla semplice presenza di un oggetto nel flusso libero: presenta la maggior parte di valore totale di drag di un veicolo.

 

2- skin friction drag

e’ causato dallo shear stress (lo ricordate?) alla superficie. E’ la 2’ forza di drag creata da un oggetto. Se vi ricordate bene, avevamo detto che le forze di frizione sulla superficie erano veramente alte, anche con un bl alto solo 1 cm.

Questa tipologia di drag e’ molto sensibile alle imperfezioni presenti in una superficie.

 

3- pressure drag

e’ quello generato in caso esista una differente distribuzione di P tra la parte ant e post di un’ala (vedete parte 1).

 

Riprendiamo quello che avevamo detto:

“

Normalmente le 2 forze di P si azzerano, ma a volte puo’ accadere che una delle 2, solitamente quella anteriore, diventi improvvisamente piu’ grande dell’altra: quando questo accade, abbiamo la creazione di una forza di drag aggiuntiva, chiamata Pressure drag, che comunque vedremo dopo nel dettaglio.

 

Ebbene, ora possiamo dire che questa forza (se esiste) si andra’ ad aggiungere al sempre presente skin-friction drag. Altro effetto negativo del P drag, e’ che questo causa a sua volta un aumento della P nelle zone immediatamente successive al 1’ punto di presentazione dell’effetto.

Vediamo, per iniziare un po’ finalmente qualche argomento rilevante per una F1, un caso tipico di formazione di drag:

le ruote.

Queste sono infatti la parte che crea maggiore drag in tutta la F1, ecco perche’ tutti i teams tentano di deviare il flusso sia nella parte anteriore con dei piccoli plates orizzontali posti all’esterno della parte verticale del front wing o ancora piazzando un piccolo winglet (aletta) nello chassis davanti alle ruote posteriori.

 

Ma vediamo nel dettaglio questo caso:

 

quando il flusso incontra una ruota in uno stato libero (cioe’ non attaccata al suolo-caso puramente teorico), le streamlines salgono su di essa e tentano di seguirne il contorno, ma ben presto si separano in una zona dietro al 50% ruota, creando un’onda periodica molto lunga, riempita con vortici alternati.

In caso le ruote siano ferme, questa lunga onda periodica e’ ridotta, ma e’ presente una regione piu’ ampia di separazione, dovuta alla creazione di vortici confusi proprio nella zona posteriore alla ruota.

La cosa piu’ negativa delle ruote scoperte e’ la creazione (addirittura!) di lift positivo a contatto con il suolo, rispetto al caso di una ruota non a contatto con il suolo.

 

Vediamo alcune foto molto esplicative:

 

Photo of flow around a sphere, not connected with a planar surface:

 

 

qui potete vedere una ruota non connessa al terreno: notate l’onda nel posteriore ed il flusso completamente separato dietro dovuto ai vortici a circa 2-3 corde di lunghezza dalla parte posteriore.

 

Photo of flow around a wheel, connected with a planar surface:

 

 

qui invece abbiamo il caso della ruota connessa al terreno: notate la differenza di flusso dietro. Esso e’ sempre totalmente separato, ma i vortici esistenti nel caso precedente esattamente dietro la ruota non sono piu’ presenti, per la mancanza di flusso proveniente dalla parte inferiore.

 

Photo of flow around a wheel, non rotating case:

eccoci arrivati al caso statico: il flusso riesce a seguire abbastanza bene la ruota – il punto di separazione esiste comunque, ma e’ spostato ben nel posteriore della ruota.

Photo of flow around a wheel, rotating case:

nel caso di ruota in movimento, invece, il punto di separazione si muove in avanti di molto, causando maggiore drag del caso precedente (proprio perche’ il flusso e’ piu’ separato).

Ma andiamo un attimo piu’ nel tecnico: vediamo un disegno che ci presenta un grafico delle pressioni attorno ad una ruota:

 

Surface of wheel P distribution, normal case:

 

 

bene, come potete notare, abbiamo zone di alta P davanti alla ruota, mentre c’e’ una diminuzione nel posteriore, soprattutto nella parte molto vicino al suolo (notate la freccia che punta in direzione inversa).

 

Cosa possiamo concludere quindi?

Che il drag e’ creato da un’ampia zona di separazione del flusso, ecco perche’ mantenere un flusso laminare serve: per assicurare un lift (o downforce) a prezzo di un bassissimo valore di drag...

 

2’ cosa: caso delle ruote: dietro ad una ruota di F1 il flusso d’aria e’ completamente separato, esiste cioe’ una zona di “vuoto d’aria”, che non fa altro che rallentare notevolmente la macchina, soprattutto in rettilineo...

 

I piu’ attenti di voi avranno notato che tutte le F1 hanno un piccolo plate vicino e davanti alle ruote posteriori, come nel disegno qui sotto:

ma sapete perche’ gli ingegneri piazzano questi piccoli devices?

 

...proprio per sfruttare quelle zone di alta pressione (che in pratica significa + downforce...).

Nella parte dove c’e’ un segno +, i piccoli plates “rubano” un po’ di alta pressione dalle ruote e la sfruttano per creare maggior schiacciamento in quella zona. Come vedete, esiste un plate anche nella parte anteriore della macchina, ma questa volta sfruttando la pressione che esiste dietro le ruote (minore di quella che esiste davanti...ma per regolamento, l’unico punto dove si puo’ sfruttare, e’ proprio questo).

Nella parte 7 poi avremo la possibilita’ di capire meglio l’utilizzo dei vari device usati in una F1 per