Come funziona l'aerodinamica

I veicoli con un design aerodinamico tendono ad essere più stabili alle velocità più elevate. Guarda altre foto di auto sportive. - © -iStockphoto.com / Mark Evans

È spiacevole pensarci, ma immagina cosa succederebbe se guidassi la tua auto contro un muro di mattoni a-65 miglia all'ora (104,6 chilometri all'ora). Il metallo si torcerebbe e si lacererebbe. Il vetro andrebbe in frantumi. Gli airbag scoppierebbero per proteggerti. Ma anche con tutti i progressi in termini di sicurezza che abbiamo sulle nostre automobili moderne, questo sarebbe probabilmente un incidente difficile da cui allontanarsi. Un'auto semplicemente non è progettata per passare attraverso un muro di mattoni.

Ma c'è un altro tipo di "muro" che le auto sono progettate per attraversare e sono state a lungo: il muro d'aria che spinge contro un veicolo ad alta velocità.

La maggior parte di noi non pensa all'aria o al vento come a un muro. A basse velocità e nei giorni in cui fuori non c'è molto vento, è difficile notare il modo in cui l'aria interagisce con i nostri veicoli. Ma ad alta velocità e in giornate particolarmente ventose, resistenza dell'aria (le forze hanno agito su un oggetto in movimento dall'aria - definite anche come trascinare) ha un effetto straordinario sul modo in cui un'auto accelera, gestisce e raggiunge il consumo di carburante.

È qui che entra in gioco la scienza dell'aerodinamica. Aerodinamica è lo studio delle forze e del conseguente movimento di oggetti nell'aria [fonte: NASA]. Per diversi decenni, le auto sono state progettate pensando all'aerodinamica e le case automobilistiche hanno escogitato una serie di innovazioni che rendono più facile tagliare quel "muro" d'aria e avere meno impatto sulla guida quotidiana.

-In sostanza, avere un'auto progettata pensando al flusso d'aria significa che ha meno difficoltà ad accelerare e può ottenere numeri di risparmio di carburante migliori perché il motore non deve lavorare così duramente per spingere l'auto attraverso il muro d'aria.

Gli ingegneri hanno sviluppato diversi modi per farlo. Ad esempio, i design e le forme più arrotondate all'esterno del veicolo sono realizzati per incanalare l'aria in modo tale che scorra intorno all'auto con la minore resistenza possibile. Alcune auto ad alte prestazioni hanno anche parti che muovono l'aria in modo fluido attraverso la parte inferiore dell'auto. Molti includono anche un file spoiler -- noto anche come a ala posteriore -- per evitare che l'aria sollevi le ruote dell'auto rendendola instabile alle alte velocità. Anche se, come leggerai più avanti, la maggior parte degli spoiler che vedi sulle auto sono semplicemente per la decorazione più di ogni altra cosa.

In questo articolo, esamineremo la fisica dell'aerodinamica e della resistenza dell'aria, la storia di come le auto sono state progettate tenendo a mente questi fattori e come con la tendenza verso auto "più verdi", l'aerodinamica sia ora più importante che mai.

Contenuti

1. La scienza dell'aerodinamica
2. Il coefficiente di resistenza
3. Storia del design aerodinamico per auto
4. Misurazione della resistenza mediante gallerie del vento
5. Componenti aerodinamici

Prima di esaminare come l'aerodinamica viene applicata alle automobili, ecco un piccolo corso di aggiornamento di fisica in modo da poter comprendere l'idea di base.

Quando un oggetto si muove nell'atmosfera, sposta l'aria che lo circonda. L'oggetto è anche soggetto a gravità e trascinamento. Trascinare viene generato quando un oggetto solido si muove attraverso un mezzo fluido come l'acqua o l'aria. Il trascinamento aumenta con la velocità: più velocemente viaggia l'oggetto, maggiore sarà il trascinamento sperimentato.

Misuriamo il movimento di un oggetto utilizzando i fattori descritti nelle leggi di Newton. Questi includono massa, velocità, peso, forza esterna e accelerazione.

Il trascinamento ha un effetto diretto sull'accelerazione. L'accelerazione (a) di un oggetto è il suo peso (W) meno la resistenza (D) diviso per la sua massa (m). Ricorda, il peso è la massa di un oggetto moltiplicata per la forza di gravità che agisce su di esso. Il tuo peso cambierebbe sulla luna a causa della minore gravità, ma la tua massa rimane la stessa. Per dirla più semplicemente:

a = (L - P) / m

(fonte: NASA)

Quando un oggetto accelera, la sua velocità e resistenza aumentano, fino al punto in cui la resistenza diventa uguale al peso - nel qual caso non può verificarsi alcuna ulteriore accelerazione. Diciamo che il nostro oggetto in questa equazione è un'auto. Ciò significa che mentre l'auto viaggia sempre più velocemente, sempre più aria spinge contro di essa, limitando quanto più può accelerare e limitandola a una certa velocità.

Come si applica tutto questo al design delle auto? Bene, è utile per capire un numero importante: il coefficiente di resistenza. Questo è uno dei fattori principali che determinano la facilità con cui un oggetto si muove nell'aria. Il coefficiente di resistenza (Cd) è uguale alla resistenza (D), diviso per la quantità della densità (r), per metà della velocità (V) al quadrato per l'area (A). Per renderlo più leggibile:

Cd = D / (A * .5 * r * V ^ 2)

[fonte: NASA]

Quindi, realisticamente, a quale coefficiente di resistenza mira un progettista di automobili se sta realizzando un'auto con intenti aerodinamici? Scoprilo nella pagina successiva.

La forma unica della Toyota Prius è un fattore che le aiuta a ottenere un risparmio di carburante incredibile. - © -iStockphoto.com / TIM MCCAIG

- -Abbiamo appena appreso che il coefficiente di resistenza (Cd) è una cifra che misura la forza della resistenza dell'aria su un oggetto, come un'auto. Ora, immagina la forza dell'aria che spinge contro l'auto mentre si muove lungo la strada. A 70 miglia all'ora (112,7 chilometri all'ora), c'è una forza quattro volte maggiore che lavora contro l'auto rispetto a 35 miglia all'ora (56,3 chilometri all'ora) [fonte: Elliott-Sink].

Le capacità aerodinamiche di un'auto vengono misurate utilizzando il coefficiente di resistenza del veicolo. In sostanza, più basso è il Cd, più un'auto è aerodinamica e più facilmente può muoversi attraverso il muro d'aria che spinge contro di essa.

Diamo un'occhiata ad alcuni numeri Cd. Ricordi le vecchie Volvo squadrate degli anni '70 e '80? Una vecchia berlina Volvo 960 raggiunge un Cd di .36. Le Volvo più recenti sono molto più eleganti e sinuose, e una berlina S80 raggiunge un Cd di .28 [fonte: Elliott-Sink]. Ciò dimostra qualcosa che potresti già essere stato in grado di intuire: le forme più levigate e aerodinamiche sono più aerodinamiche di quelle squadrate. Perché è esattamente così?

Diamo un'occhiata alla cosa più aerodinamica in natura: una lacrima. La lacrima è liscia e rotonda su tutti i lati e si assottiglia nella parte superiore. L'aria scorre intorno ad esso senza intoppi mentre cade a terra. È lo stesso con le auto: le superfici lisce e arrotondate consentono all'aria di fluire in un flusso sul veicolo, riducendo la "spinta" dell'aria contro il corpo.

Oggi, la maggior parte delle auto raggiunge un Cd di circa .30. I SUV, che tendono ad essere più squadrati delle auto perché sono più grandi, ospitano più persone e spesso hanno bisogno di griglie più grandi per aiutare a raffreddare il motore, hanno un Cd da .30 a .40 o più. I camioncini - un design volutamente squadrato - in genere si aggirano intorno a 0,40 [fonte: Siuru].

Molti hanno messo in dubbio l'aspetto "unico" della Toyota Prius ibrida, ma ha una forma estremamente aerodinamica per una buona ragione. Tra le altre caratteristiche efficienti, il suo Cd di 0,26 aiuta a raggiungere un chilometraggio molto elevato. Infatti, ridurre il Cd di un'auto di appena 0,01 può comportare un aumento di 0,2 miglia per gallone (0,09 chilometri per litro) nel risparmio di carburante [fonte: Siuru].

Nella pagina successiva esamineremo la storia del design aerodinamico.

Queste auto d'epoca dimostrano quanto poco si sapesse dell'aerodinamica dei veicoli nella prima parte del XX secolo. © -iStockphoto.com / John W. DeFeo

Mentre gli scienziati sono più o meno consapevoli di ciò che serve per creare forme aerodinamiche per molto tempo, ci è voluto del tempo prima che quei principi venissero applicati al design automobilistico.

Non c'era niente di aerodinamico nelle prime auto. Dai un'occhiata al seminale modello T di Ford - sembra più una carrozza senza i cavalli - un design molto squadrato, in effetti. Molte di queste prime auto non avevano bisogno di preoccuparsi dell'aerodinamica perché erano relativamente lente. Tuttavia, alcune auto da corsa dei primi anni del 1900 incorporavano caratteristiche affusolate e aerodinamiche in un modo o nell'altro.

Nel 1921, l'inventore tedesco Edmund Rumpler creò la Rumpler-Tropfenauto, che si traduce in "macchina a goccia". Basato sulla forma più aerodinamica in natura, la lacrima, aveva un Cd di appena .27, ma il suo aspetto unico non ha mai attirato il pubblico. Ne sono stati realizzati solo circa 100 [fonte: prezzo].

Da parte americana, uno dei più grandi balzi in avanti nel design aerodinamico avvenne negli anni '30 con il Chrysler Airflow. Ispirata dagli uccelli in volo, l'Airflow è stata una delle prime auto progettate pensando all'aerodinamica. Sebbene usasse alcune tecniche di costruzione uniche e avesse una distribuzione del peso di quasi 50-50 (uguale distribuzione del peso tra gli assi anteriore e posteriore per una migliore maneggevolezza), un pubblico stanco della Grande Depressione non si è mai innamorato del suo aspetto non convenzionale, e l'auto era considerato un flop. Tuttavia, il suo design aerodinamico era molto in anticipo sui tempi.

Con l'avvento degli anni '50 e '60, alcuni dei maggiori progressi nell'aerodinamica automobilistica provenivano dalle corse. Inizialmente, gli ingegneri hanno sperimentato diversi design, sapendo che le forme aerodinamiche potevano aiutare le loro auto ad andare più veloci e gestire meglio alle alte velocità. Questo alla fine si è evoluto in una scienza molto precisa per creare l'auto da corsa più aerodinamica possibile. Spoiler anteriori e posteriori, nasi a forma di pala e kit aerodinamici sono diventati sempre più comuni per mantenere il flusso d'aria sopra la parte superiore dell'auto e per creare la deportanza necessaria sulle ruote anteriori e posteriori [fonte: Formula 1 Network].

Dal punto di vista del consumatore, aziende come Lotus, Citroën e Porsche hanno sviluppato alcuni design molto snelli, ma questi sono stati applicati principalmente alle auto sportive ad alte prestazioni e non ai veicoli di tutti i giorni per il conducente comune. La situazione iniziò a cambiare negli anni '80 con l'Audi 100, una berlina per passeggeri con un Cd di .30 allora inaudito. Oggi, quasi tutte le auto sono progettate pensando in qualche modo all'aerodinamica [fonte: Edgar].

Cosa ha aiutato questo cambiamento a verificarsi? La risposta: la galleria del vento. Nella pagina successiva esploreremo come la galleria del vento sia diventata vitale per il design automobilistico.

Le auto (e gli aeroplani) hanno la loro aerodinamica testata dalle gallerie del vento. - - © -iStockphoto.com / Kiyoshi Takahase Segundo

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Per misurare l'efficacia aerodinamica di un'auto in tempo reale, gli ingegneri hanno preso in prestito uno strumento dall'industria aeronautica: la galleria del vento.

In sostanza, una galleria del vento è un enorme tubo con ventole che producono un flusso d'aria su un oggetto all'interno. Può essere un'auto, un aeroplano o qualsiasi altra cosa che gli ingegneri devono misurare per la resistenza dell'aria. Da una stanza dietro il tunnel, gli ingegneri studiano il modo in cui l'aria interagisce con l'oggetto, il modo in cui le correnti d'aria scorrono sulle varie superfici.

L'auto o l'aereo all'interno non si muove mai, ma le ventole creano vento a velocità diverse per simulare le condizioni del mondo reale. A volte una vera macchina non viene nemmeno utilizzata: i progettisti spesso si affidano a modelli in scala esatti dei loro veicoli per misurare la resistenza al vento. Quando il vento si sposta sull'auto nel tunnel, i computer vengono utilizzati per calcolare il coefficiente di resistenza (Cd).

Le gallerie del vento non sono davvero una novità. Sono in circolazione dalla fine del 1800 per misurare il flusso d'aria durante molti primi tentativi di aeromobili. Anche i fratelli Wright ne avevano uno. Dopo la seconda guerra mondiale, gli ingegneri delle auto da corsa che cercavano un vantaggio sulla concorrenza iniziarono a usarli per valutare l'efficacia delle attrezzature aerodinamiche delle loro auto. Quella tecnologia in seguito si fece strada nelle autovetture e nei camion.

Tuttavia, negli ultimi anni, le grandi gallerie del vento da molti milioni di dollari vengono utilizzate sempre meno. Le simulazioni al computer stanno iniziando a sostituire le gallerie del vento come il modo migliore per misurare l'aerodinamica di un'auto o di un aereo. In molti casi, le gallerie del vento sono per lo più chiamate solo per assicurarsi che le simulazioni al computer siano accurate [fonte: Day].

Molti pensano che l'aggiunta di uno spoiler sul retro di un'auto sia un ottimo modo per renderla più aerodinamica. Nella sezione successiva, esamineremo diversi tipi di componenti aggiuntivi aerodinamici per i veicoli ed esamineremo i loro ruoli in termini di prestazioni e fornendo un migliore consumo di carburante.

Le vetture di Formula 1 sono progettate aerodinamicamente per generare il massimo carico aerodinamico. - © --iStockphoto.com / Tan Kian Khoon

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C'è di più nell'aerodinamica oltre alla semplice resistenza: ci sono anche altri fattori chiamati portanza e carico aerodinamico. Sollevamento è la forza che si oppone al peso di un oggetto e lo solleva in aria e lo trattiene. Downforce è l'opposto della portanza - la forza che preme un oggetto nella direzione del suolo [fonte: NASA].

Potresti pensare che il coefficiente di resistenza aerodinamica su una macchina da corsa di Formula 1 sarebbe molto basso: un'auto super aerodinamica è più veloce, giusto? Non in questo caso. Una tipica macchina di F1 ha un Cd di circa 0,70.

Perché questo tipo di auto da corsa è in grado di guidare a velocità superiori a 200 miglia orarie (321,9 chilometri orari), ma non così aerodinamico come potresti aver immaginato? Questo perché le vetture di Formula 1 sono costruite per generare il maggior carico aerodinamico possibile. Alla velocità con cui viaggiano e con il loro peso estremamente leggero, queste auto iniziano effettivamente a subire il sollevamento ad alcune velocità: la fisica le costringe a decollare come un aeroplano. Ovviamente, le auto non sono destinate a volare in aria, e se un'auto va in volo potrebbe significare un incidente devastante. Per questo motivo, la deportanza deve essere massimizzata per mantenere l'auto a terra ad alte velocità, e questo significa che è richiesto un Cd elevato.

Le vetture di Formula 1 ottengono questo risultato utilizzando ali o spoiler montati sulla parte anteriore e posteriore del veicolo. Queste ali convogliano il flusso in correnti d'aria che spingono l'auto a terra, meglio conosciuta come deportanza. Questo massimizza la velocità in curva, ma deve essere attentamente bilanciata con la portanza per consentire anche alla vettura la giusta quantità di velocità in rettilineo [fonte: Smith].

Molte auto di serie includono componenti aerodinamici per generare deportanza. Mentre la supercar Nissan GT-R è stata in qualche modo criticata dalla stampa automobilistica per il suo aspetto, l'intero corpo è progettato per convogliare l'aria sopra l'auto e indietro attraverso lo spoiler posteriore di forma ovale, generando un notevole carico aerodinamico. La Ferrari 599 GTB Fiorano ha montanti B a contrafforte progettati per convogliare l'aria anche nella parte posteriore - questi aiutano a ridurre la resistenza [fonte: Classic Driver].

Ma vedi molti spoiler e ali sulle auto di tutti i giorni, come le berline Honda e Toyota. Questi aggiungono davvero un vantaggio aerodinamico a un'auto? In alcuni casi, può aggiungere un po 'di stabilità alle alte velocità. Ad esempio, l'Audi TT originale non aveva uno spoiler sul suo decklid posteriore, ma Audi ne ha aggiunto uno dopo che il suo corpo arrotondato è stato trovato per creare troppa portanza e potrebbe essere stato un fattore in alcuni relitti [fonte: Edgar].

Nella maggior parte dei casi, tuttavia, avvitare un grosso spoiler sul retro di un'auto normale non aiuterà in termini di prestazioni, velocità o maneggevolezza, se non del tutto. In alcuni casi, potrebbe persino creare più sottosterzo o riluttanza a curvare. Tuttavia, se pensi che lo spoiler gigante stia benissimo sul bagagliaio della tua Honda Civic, non lasciare che nessuno ti dica il contrario.

Per ulteriori informazioni sull'aerodinamica automobilistica e altri argomenti correlati, passare alla pagina successiva e seguire i collegamenti.

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• - Canale di fisica

Altri ottimi link

• NASA - Guida per principianti all'aerodinamica
• NASA - Il coefficiente di resistenza
• Divisione NASA Advanced Supercomputing (NAS) - Aerodinamica nelle corse automobilistiche
• Symscape - Formula 1 Aerodinamica

fonti

• Driver classico. "La Ferrari 599 GTB Fiorano." (9 marzo 2009) http://www.classicdriver.com/uk/magazine/3300.asp?id=12863
• Giorno, Dwayne A. "Gallerie del vento avanzate". Commissione per il centenario del volo degli Stati Uniti. (9 marzo 2009) http://www.centennialofflight.gov/essay/Evolution_of_Technology/advanced_wind_tunnels/Tech36.htm
• Edgar, Julian. "L'aerodinamica dell'auto si è bloccata". Velocità automatica. (9 marzo 2009) http://autospeed.com/cms/A_2978/article.html
• Elliott-Sink, Sue. "Migliorare l'aerodinamica per aumentare il risparmio di carburante". Edmunds.com. 2 maggio 2006 (9 marzo 2009) http://www.edmunds.com/advice/fueleconomy/articles/106954/article.html
• Rete di Formula 1. "Williams F1 - Storia dell'aerodinamica: evoluzione dell'aerodinamica." (9 marzo 2009) http://www.f1network.net/main/s107/st22394.htm
• NASA. "Guida per principianti all'aerodinamica". 11 luglio 2008. (9 marzo 2009) http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/bga.html
• NASA. "Il coefficiente di resistenza". 11 luglio 2008. (9 marzo 2009)
• http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/dragco.html
• Prezzo, Ryan Lee. "Cheating Wind - Tecnologia aerodinamica e guida all'acquisto: L'arte dell'aerodinamica e dell'automobile." Rivista automobilistica europea. (9 marzo 2009) http://www.europeancarweb.com/tech/0610_ec_aerodynamics_tech_buyers_guide/index.html
• Siuru, Bill. "5 fatti: aerodinamica del veicolo". GreenCar.com. 13 ottobre 2008. (9 marzo 2009) http://www.greencar.com/articles/5-facts-vehicle-aerodynamics.php
• Smith, ricco. "Aerodinamica di Formula 1". Symscape. 21 maggio 2007 (9 marzo 2009) http://www.symscape.com/blog/f1_aero