È spiacevole pensarci, ma immagina cosa accadrebbe se guidassi la tua auto contro un muro di mattoni a 65 miglia orarie (104,6 chilometri orari). Il metallo si torcerebbe e si strapperebbe. Il vetro si frantumerebbe. Gli airbag esploderebbero per proteggerti. Ma anche con tutti i progressi nella sicurezza che abbiamo sulle nostre automobili moderne, questo sarebbe probabilmente un incidente difficile da cui allontanarsi. Un'auto semplicemente non è progettata per attraversare un muro di mattoni.
Ma c'è un altro tipo di "muro" attraverso il quale le auto sono progettate per muoversi, ed è stato per molto tempo:il muro d'aria che spinge contro un veicolo ad alta velocità.
La maggior parte di noi non considera l'aria o il vento come 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 alle alte velocità e nelle giornate eccezionalmente ventose, resistenza dell'aria (le forze agite dall'aria su un oggetto in movimento -- definite anche come trascinamento ) ha un enorme effetto sul modo in cui un'auto accelera, manovra e raggiunge il consumo di carburante.
È qui che entra in gioco la scienza dell'aerodinamica. Aerodinamica è lo studio delle forze e del moto risultante di oggetti attraverso l'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 il taglio attraverso quel "muro" d'aria più facile e meno impattante 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 tanto 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 arrotondati all'esterno del veicolo sono realizzati per incanalare l'aria in modo che fluisca intorno all'auto con la minor resistenza possibile. Alcune auto ad alte prestazioni hanno persino parti che muovono l'aria senza intoppi sul lato inferiore dell'auto. Molti includono anche uno spoiler -- noto anche come ala posteriore -- per evitare che l'aria sollevi le ruote dell'auto e la renda instabile alle alte velocità. Anche se, come leggerai più avanti, la maggior parte degli spoiler che vedi sulle auto sono più che altro per la decorazione.
In questo articolo, esamineremo la fisica dell'aerodinamica e della resistenza dell'aria, la storia di come le auto sono state progettate tenendo conto di questi fattori e di come, con la tendenza verso auto "più ecologiche", l'aerodinamica sia ora più importante che mai.
Contenuti
Prima di vedere come l'aerodinamica viene applicata alle automobili, ecco un piccolo corso di aggiornamento sulla fisica in modo da poter comprendere l'idea di base.
Quando un oggetto si muove attraverso l'atmosfera, sposta l'aria che lo circonda. L'oggetto è anche soggetto a gravità e resistenza. Trascina viene generato quando un oggetto solido si muove attraverso un mezzo fluido come acqua o aria. Il trascinamento aumenta con la velocità:più veloce viaggia l'oggetto, maggiore sarà il trascinamento che subisce.
Misuriamo il movimento di un oggetto usando 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 - D) / 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 possono verificarsi ulteriori accelerazioni. Diciamo che il nostro oggetto in questa equazione è un'auto. Ciò significa che man mano che l'auto viaggia sempre più veloce, 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 dell'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 aerodinamica (Cd) è uguale alla resistenza aerodinamica (D), divisa per la quantità della densità (r), moltiplicata per metà della velocità (V) al quadrato dell'area (A). Per renderlo più leggibile:
Cd =D / (LA * .5 * r * V^2)
[fonte:NASA]
Quindi, realisticamente, a quale coefficiente di resistenza mira un designer di automobili se sta realizzando un'auto con intento aerodinamico? Scoprilo nella prossima pagina.
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 orarie (112,7 chilometri orari), c'è quattro volte più forza che lavora contro l'auto rispetto a 35 miglia orarie (56,3 chilometri orari) [fonte:Elliott-Sink].
Le capacità aerodinamiche di un'auto vengono misurate utilizzando il coefficiente di resistenza aerodinamica 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 auto 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]. Questo dimostra qualcosa che potresti aver già intuito:le forme più lisce e snelle 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 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 sopra il veicolo, riducendo la "spinta" dell'aria contro la carrozzeria.
Oggi, la maggior parte delle auto raggiunge un Cd di circa 0,30. 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 raffreddare il motore, hanno un Cd compreso tra .30 e .40 o più. I camioncini - un design volutamente squadrato - in genere costano circa .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 .26 lo aiuta a raggiungere un chilometraggio molto elevato. In effetti, 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 prossima pagina esamineremo la storia del design aerodinamico.
Sebbene gli scienziati siano più o meno consapevoli di ciò che serve per creare forme aerodinamiche da molto tempo, ci è voluto del tempo prima che questi principi venissero applicati al design automobilistico.
Non c'era nulla di aerodinamico nelle prime auto. Dai un'occhiata al modello T fondamentale 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 rastremate 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 lacrima". Basato sulla forma più aerodinamica in natura, la lacrima, aveva un Cd di appena .27, ma il suo aspetto unico non ha mai catturato il pubblico. Ne sono stati realizzati solo circa 100 [fonte:prezzo].
Da parte americana, uno dei più grandi passi avanti nel design aerodinamico avvenne negli anni '30 con il Chrysler Airflow. Ispirata agli uccelli in volo, la Airflow è stata una delle prime auto progettate pensando all'aerodinamica. Sebbene utilizzasse alcune tecniche di costruzione uniche e avesse una distribuzione del peso di quasi 50-50 (distribuzione del peso equa tra l'asse anteriore e quello 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 più grandi progressi nell'aerodinamica automobilistica provenivano dalle corse. In origine, gli ingegneri hanno sperimentato diversi design, sapendo che le forme aerodinamiche potevano aiutare le loro auto ad andare più veloci e a gestire meglio alle alte velocità. Ciò alla fine si è evoluto in una scienza molto precisa per creare l'auto da corsa più aerodinamica possibile. Spoiler anteriore e posteriore, 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 il carico aerodinamico necessario sulle ruote anteriori e posteriori [fonte:rete di Formula 1].
Dal lato dei consumatori, aziende come Lotus, Citroën e Porsche hanno sviluppato alcuni design molto snelli, ma questi sono stati applicati principalmente ad auto sportive ad alte prestazioni e non veicoli di tutti i giorni per il guidatore comune. La situazione iniziò a cambiare negli anni '80 con l'Audi 100, una berlina per passeggeri con un Cd allora inaudito di .30. Oggi, quasi tutte le auto sono progettate pensando in qualche modo all'aerodinamica [fonte:Edgar].
Cosa ha aiutato quel cambiamento a verificarsi? La risposta:la galleria del vento. Nella prossima pagina esploreremo come la galleria del vento sia diventata fondamentale per il design automobilistico.
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 fluiscono sulle varie superfici.
L'auto o l'aereo all'interno non si muovono 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 designer spesso si affidano a modelli in scala esatti dei loro veicoli per misurare la resistenza al vento. Quando il vento si muove sopra l'auto nel tunnel, i computer vengono utilizzati per calcolare il coefficiente di resistenza aerodinamica (Cd).
Le gallerie del vento non sono davvero una novità. Sono in circolazione dalla fine del 1800 per misurare il flusso d'aria su molti dei primi tentativi di aerei. Anche i fratelli Wright ne avevano uno. Dopo la seconda guerra mondiale, gli ingegneri delle auto da corsa alla ricerca di un vantaggio rispetto alla concorrenza iniziarono a usarli per valutare l'efficacia dell'equipaggiamento aerodinamico delle loro auto. Quella tecnologia si è poi diffusa nelle autovetture e negli autocarri.
Tuttavia, negli ultimi anni, le grandi gallerie del vento multimilionarie 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 prossima sezione, esamineremo diversi tipi di componenti aggiuntivi aerodinamici per i veicoli ed esamineremo i loro ruoli in termini di prestazioni e fornitura di una migliore resa chilometrica.
C'è di più nell'aerodinamica oltre alla semplice resistenza:ci sono anche altri fattori chiamati portanza e carico aerodinamico. Ascensore è la forza che si oppone al peso di un oggetto e lo solleva in aria e lo mantiene lì. Potenziamento è l'opposto di portanza -- la forza che preme un oggetto nella direzione del suolo [fonte:NASA].
Potresti pensare che il coefficiente di resistenza aerodinamica su un'auto da corsa di Formula 1 sarebbe molto basso:un'auto super aerodinamica è più veloce, giusto? Non in questo caso. Una tipica vettura di F1 ha un Cd di circa .70.
Perché questo tipo di macchina da corsa è in grado di guidare a velocità superiori a 200 miglia orarie (321,9 chilometri orari), ma non così aerodinamica come avresti potuto immaginare? Questo perché le auto di Formula 1 sono costruite per generare quanto più carico aerodinamico possibile. Alle velocità a cui viaggiano e con il loro peso estremamente leggero, queste auto iniziano effettivamente a subire un 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, il carico aerodinamico deve essere massimizzato per mantenere la vettura a terra alle alte velocità, e questo significa che è necessario un Cd elevato.
Le auto di Formula 1 ottengono questo risultato utilizzando ali o spoiler montati sulla parte anteriore e posteriore del veicolo. Queste ali incanalano il flusso in correnti d'aria che spingono l'auto a terra, meglio conosciute come carico aerodinamico. Questo massimizza la velocità in curva, ma deve essere accuratamente bilanciato con la portanza per consentire anche all'auto la quantità appropriata di velocità in rettilineo [fonte:Smith].
Molte auto di produzione includono componenti aggiuntivi aerodinamici per generare carico aerodinamico. Mentre la supercar Nissan GT-R è stata alquanto criticata dalla stampa automobilistica per il suo aspetto, l'intero corpo è progettato per convogliare l'aria sopra l'auto e viceversa attraverso lo spoiler posteriore di forma ovale, generando molto carico aerodinamico. La 599 GTB Fiorano della Ferrari ha montanti centrali ad arco rampante progettati per convogliare l'aria anche nella parte posteriore, che aiutano a ridurre la resistenza [fonte:Classic Driver].
Ma vedi un sacco di 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 cofano posteriore, ma Audi ne ha aggiunto uno dopo che è stato scoperto che il suo corpo arrotondato creava troppa portanza e potrebbe essere stato un fattore di alcuni relitti [fonte:Edgar].
Nella maggior parte dei casi, tuttavia, montare un grande spoiler sul retro di un'auto normale non aiuterà molto in termini di prestazioni, velocità o maneggevolezza, se non del tutto. In alcuni casi, potrebbe persino creare più sottosterzo o riluttanza in curva. 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, passa alla pagina successiva e segui i collegamenti.
