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  • La Corvette e la penetrazione!

    Sicurezza, efficienza, velocità, e perfino moda sono tutti elementi legati direttamente all’aereodinamica, tutti lo sanno. Appena 30 o 40 anni fà , perfino i designers professionisti tendevano a sottovalutare l’importanza del coefficiente di penetrazione (cercate di non fraintendere e seguite bene il discorso).
    Questo solo nei primi tempi, ma poi con la motorizzazione umana di massa si capì che il moto di una macchina in avanti era fondato principalmente su tre cose: resistenza meccanica durante la guida, attrito con la strada, e interazione con l’aria. Poiché questi stessi studi iniziali si concentravano quasi completamente nel migliorare la facilità del movimento in avanti, per qualche tempo l’obiettivo principale fu diminuire il più possibile la resistenza al vento. A quel tempo, con lento progresso gli studi di scienza aerodinamica cadevano in tre sfere d’interesse separate. Prima veniva la skin friction (l’attrito della pelle, cioè la carrozzeria ) che era in funzione dell’area totale esposta all’aria e l’effettiva strutturazione (composizione dei materiali) delle superfici. Dopo veniva il Profile drag (resistenza al disegno della carrozzeria), e questo guardava principalmente alla forma della vettura nel suo insieme e lo spostamento d’aria che ne conseguiva. (Il Profile drag- sostanzialmente l’interazione delle diverse forme con l’aria, era stato a lungo un settore chiave nella progettazione degli aeroplani, ma quell’esperienza si dimostrò applicabile solo parzialmente alle automobili, la cui prossimità al suolo portava a una gran quantità di risultati insoliti). Infine vi era un fattore denominato measurable drag (indice di resistenza), che dava essenzialmente un valore alla difficoltà che ha l’aria, entrando nell’auto (diciamo, attraverso il radiatore), di trovare la sua via di uscita. Il più fruttuoso di questi campi di studio sembrava quello del profile drag, che tra le Guerre Mondiali, si sviluppò come una seria area di studio, specialmente in ed intorno alla Germania. Alla fine fu stabilito che un oggetto a forma di goccia con rapporto 6:1 di lunghezza al diametro ed il suo rastremato (assottigliato) terminale ( la coda) sfuggente al vento, offriva la più bassa resistenza per qualunque oggetto di qualsiasi dimensione. Naturalmente, non ci volle molto perché i costruttori d’auto tentassero d’applicare queste idee ai veicoli, ma ciò si dimostrò più facile a dirsi che a farsi. Per questo motivo, poiché gli effetti dell’aereodinamica aumentano esponenzialmente con la velocità, era difficile trovarne molti benefici alle 30-50 mph (miglia orarie) a cui la maggior parte della gente viaggiava. Secondo, non appena si cominciava a modificare forme aerodinamicamente valide con cose indispensabili come fari, maniglie delle portiere, parabrezza, radiatori etc. i coefficienti di resistenza aumentavano velocemente.

    A lungo andare la maggior parte delle compagnie automobilistiche conclusero che mentre l’apparente linea aerodinamica poteva aiutare le vendite, non era il caso di preoccuparsi dell’obbiettivo molto più difficile di una vera aerodinamicità. Mentre questa mentalità andava bene a quel tempo, probabilmente cessò di essere vera negli anni 50, ed era certamente sbagliata negli anni 60. Tuttavia ancora in molti angoli dell’industria automobilistica erano attaccati ad essa, particolarmente in America. E’ un errore respingere semplicemente questi designers come stupidi o presuntuosi nel loro atteggiamento. Il fatto è, che i maggiori, ragionevoli, vantaggi di ridurre la resistenza alla velocità massima per un miglior consumo per miglia, non erano rilevanti per quel mercato. Le automobili erano già di molto più veloci di quanto le strade potessero permettere, e la benzina era economica ed abbondante, in più il consumatore poteva pagarla. Dove l’aereodinamica poteva offrire grandi benefici, tuttavia, era nell’area delle corse automobilistiche. E lì, infine, è perfettamente giusto dire che gli Americani, in particolare coloro che fabbricavano la Corvette, erano sul punto di seguire un percorso disastrato. Tuttavia, torniamo alla scienza. Probabilmente l’unica legge più importante dell’aereodinamica è che la forza è proporzionale per un terzo alla velocità o in termini per l’uomo della strada, che ogni volta che si desidera raddoppiare la velocità della macchina, per farlo si richiede otto volte più energia “ Due volte la velocità moltiplicata l’energia al cubo” 23=[2x2x2]=8. In ogni caso, mentre aggiungere così tanta energia sembra una prescrizione difficile da seguire, in realtà tutto ciò non è tanto difficile per un motore a benzina finché i numeri si mantengono relativamente alti diciamo 80, forse 100 mph per una macchina Americana degli anni 50. Le auto da competizione entravano regolarmente in questa fascia a quell’epoca, ma poche rare vetture normali lo potevano. Allora, cosa esattamente dà ad un oggetto minore resistenza all’aria di un altro? La resistenza totale di qualunque forma è quantificata con il suo coefficiente di resistenza Cd. Il Cd della goccia ideale della Germania tra le due guerre era di circa 0.05; di una superficie piatta, 1.15. In questa scala le automobili dalla linea diritta del 1920 erano un poco più vicine alla superficie piatta di quelle a goccia, mentre molte berline di oggi hanno un Cd di 0.34 o meno. Ovviamente, quindi, la resistenza relativa è semplicemente una funzione di Cd. Ma il Cd da solo non può determinare la resistenza totale di un oggetto, o meglio non è la cosa più importante. Per quello, è necessario conoscere tanto la capacità di una forma a farsi strada attraverso l’aria, più la quantità d’aria che deve spingere, Questo secondo fattore è chiamato front zone, che è la misura della quadratura dell’area totale che l’oggetto presenta al peso del vento. Tra il Cd dell’area frontale e la velocità vi è una relazione semplice e diretta: Una riduzione del 10% sia nel coefficiente di resistenza che nell’area frontale produce una eguale riduzione nell’energia necessaria per mantenere una data velocità. Adesso si sa perché una piccola differenza nell’area frontale tra la Corvette C5Rs e la Ferrari 550s causa tali grandi problemi a Le Mans; dare qualche punto percentuale nell’area frontale è esattamente lo stesso che diminuire la stessa percentuale di cavalli/motore. Come si è già notato, l’affermarsi della forma a goccia fu un passo importante nel progresso dell’aereodinamica. Ma questa intuizione poteva essere effettivamente utile solo: Se sembrasse del tutto ovvio che un’auto totalmente a forma di goccia fosse stata anche insolitamente stretta e lunga, per quale ragione? Il punto abbastanza interessante è che tutto ciò che riguarda il campo dell’aereodinamica non è quasi mai perfettamente ovvio. Negli ultimi anni 30, diversi scienziati curiosi stavano facendo esperimenti con automobili a volume pieno che presentavano sia un allestimento da strada completo sia un corpo vettura con uno straordinario basso coefficiente di resistenza. La maggior parte di questi progetti a goccia avevano prevedibilmente interni leggeri, ma uno, un progetto del 1938 di nome K1 mostrava una carrozzeria a quattro porte ben riuscita con molto spazio interno utile ed inoltre un Cd incredibilmente basso. L’inventore del K1, Wunibald Kamm aveva trovato una soluzione estremamente originale al problema di come incorporare il 6.1 nella forma a goccia. La sua idea , conosciuta in seguito come Coda Kamm, fu di seguire la linea a goccia fino alla parte finale dell’auto e poi tralasciare semplicemente il resto, troncandolo proprio nella parte terminale. Questo funziona sebbene sembrerebbe improbabile. La coda Kamm è importante non solo perché ogni Corvette dal 1968 ne ha usato una versione. Non perché si tratti di una divertente aereodinamica da salotto, sapere perché la coda Kamm funziona è una buona strada per comprendere perché l’intero campo dell’aereodinamica raramente opera come uno s’aspetterebbe. Il segreto, veramente, è che la resistenza non si forma nella stessa misura su tutta la macchina, ma in frazioni di pollici e millimetri. Tutti gli oggetti in movimento hanno uno strato d’aria estremamente sottile a contatto diretto con la loro superficie che si chiama boundary layer (strato di confine) Gestire opportunamente il boundary layer e il modo per ridurre la resistenza. Lo strato di confine può fluire in tre modi di base: Flusso liscio (o laminare) si ha quando lo strato scorre pulito lungo la superficie. Flusso turbolento significa che il boundary layer ha perso la sua coesione (o consistenza), ma una parte sottile di flusso laminare ancora rimane aderente alla superficie totale. Flusso ostacolato è il piantagrane, questo capita quando lo strato di confine scivolando lungo il corpo vettura non riesce più a seguirne i contorni e si rompe in mulinelli vorticosi. In definitva , sono questi vortici che indebolendo l’energia formano resistenza. Sfortunatamente, sotto a livello dello strato di confine molto sottile, il flusso ostacolato può assumere un ampia varietà di forme, lisce, ondulate, diritte, curvate, e vere e proprie correnti contrarie. E ciò che accade in una parte dello strato può avere seri effetti su un'altra parte apparentemente non collegata. Tutto ciò si conclude con un risultato effettivamente confuso. Non si deve guardare troppo lontano, non ci vuole molto per capire perché tanti progettisti degli anni 50 e 60 avrebbero abbandonato tutto questo al più presto. D’altro canto, quando le auto diventarano più veloci e le fabbriche per le corse diventarono più serie, mettere da parte questi argomenti diventò una scelta sempre più insostenibile. Nelle gare, fattori come questi possomo giustificare facilmente la differenza tra il vincere e il perdere. Ma esse potevano anche significare vita o morte, poiché la scienza dell’aereodinamica difficilmente comincia e finisce con il solo problema della resistenza. Quando molte auto da corsa degli anni 40 e 50 cominciarono a mostrare maggiore velocità in parte dovuta al loro corpo con coefficiente di resistenza più basso sorsero rapidamente problemi di controllo collegati all aerodinamica. Quando la velocità arrivò a circa 100 mph alcune auto diventarono leggere e dure da guidare. Altre deviavano da un lato all’altro incontrollabili. Altre ancora, semplicemente si alzavano e decollavano dal suolo, anche se solo per qualche momento. Uno degli esempi più seri sarebbe l’auto da corsa Sting Ray di Bill Mitchell e la produzione 2 che ne seguì. Mentre la linea elegante delle carrozzerie di queste auto sembrava la soluzione ideale per sconfiggere il vento, i loro motori addirittura troppo potenti dimostravano che quelle carrozzerie risultavano di fatto proprio pericolose. Sul percorso, il muso dell’auto con la velocità si alzava al punto che era impossibile guidarla. In alcuni casi, solo frenando al massimo prima di cambiare direzione si poteva costringere la macchina a girare. Quello che la squadra della GM aveva appena incontrato era il frontal lift - l’alzata frontale il fenomeno con il quale o si forma un’ area di bassa pressione sul davanti del corpo vettura, o si accumula un grande volume d’aria sotto il muso di essa. Oppure, nel caso della Sting Ray entrambi, il risultato è una tenuta di strada ancora più tenue, talvolta con effetti disastrosi. L’auto soffriva questo destino perché gli stilisti che le avevano modellate avevano trascurato di considerare la forza del vento. Sapendo che avrebbero raggiunto velocità in cui l’aereodinamica contava veramente, essi dettero al disegno la forma di un’ala invertita, ed un muso alto in modo da convogliare l’aria al disotto. Problema centrato, risposta errata, piuttosto che risucchiare l’auto attaccandola al suolo, quelle forme accumulavano di fatto più aria sotto il frontale e lo alzavano ancora di più. Ecco dove era il vantaggio della Rivale Daytona Coupé e della Ferrari GTO, e molte elaborazioni da corsa della Corvette con prese d’aria per permettere all’aria accumulatasi di uscire. Infine per farvi mettere da parte tutto l’episodio come un caso di fallimento stilistico si pensi come la Duntov Gran Sport macchina progettata da ingegneri (e non da stilisti) soffrì esattamente della stessa malattia più parecchie altre in aggiunta, inclusa una coda bruscamente troncata eccessivamente diritta che ostacolava seriamente il il flusso dello strato di confine e pertanto elevata resistenza. I progettisti della Corvette arrivarono infine a comprendere l’aereodinamica, ad abbracciarla, ed infine a padroneggiarla, sono un’indicazione di questo l’aver raggiunto il record di 28 Cd nella prossima C6 oppure la forza di adesione verso il basso dell’auto da competizione C5R. Per la Corvette moderna, ciò che può essere impressionante più di tutto, non è come si muove sulla strada, ma quanta scarsa potenza essa necessiti per farlo, e quanto bene rimane attaccata al suolo.
    Posteriore e profilo dell’abitacolo sia della Corvette Grand Sport (sopra) che della Shelby Daytona Coupe (sotto) usano la stessa concezione di coda rastremata/GT(fastback), ma la Daytona non riuscì a trovare un altro motore che a 20-30 mph di velocità massima sviluppasse una potenza equivalente. Il segreto stava nella massima cura nel trattamento del boundary-layer ( lo strato d’aria a stretto contatto con la superfice) e non nella forma dell’intera carrozzria.
    L’ideale forma a goccia tedesca 6:1 è totalmente impraticabile per le macchine turistiche (macchine con passeggeri), ma nelle applicazioni per grande risparmio di potenza (GM Sunraycer (sopra) funziona ancora. Il muso alto della Sting Ray tendeva a lasciare l’aria accumularsi lì sotto, causando l’alzarsi e resistenza. La presa d’aria(figura sotto) fu un modo per ovviare al problema.

    Il bagaglio moderno di soluzioni aerodinamiche risale in gran parte alle ricerche di base condotte in Germania tra le due Guerre. Ma mentre le regole essenziali non sono cambiate, è cambiato il modo con cui i moderni fabbricanti d’auto le applicano. La consapevolezza che la forma nel suo insieme, è meno importante dei piccoli dettagli e della continuità della forma stessa. Insomma anche una maniglia ha la sua importanza! Notate come la forma a goccia da risulati diversi semplicemente mettendola al contario!
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