Aerodinamica in auto da corsa spiegato – Aspetti di Aerodinamica auto da corsa – Racing Ultimate

Come funziona Aero da una prospettiva del mondo reale

Vedi tutte le 8 fotoBill MontagnewriterCourtesy Spirit Of Daytona RacingphotographerAug 1, 2009

Per una migliore comprensione dei test aerodinamici, abbiamo chiesto a un esperto di fornirci alcune informazioni di base ma preziose sull’argomento. L’autore è direttamente coinvolto nell’utilizzo della sua conoscenza dell’aerodinamica nella progettazione e nella costruzione di aeroplani. La sua metodologia deve funzionare, altrimenti l’aereo non volerà. Se ci sbagliamo, la nostra auto da corsa è meno efficiente. Se si sbaglia, l’aereo si schianta. Ci fidiamo del suo approccio a questo perché sappiamo che ha progettato aeroplani che volano molto bene.

L’aerodinamica inizia ad avere un effetto più evidente su un veicolo a circa 50 mph. Se si viaggia più lentamente di 50 mph, il peso dei dispositivi aerodinamici è probabilmente più penalizzante di qualsiasi guadagno percepito in termini di prestazioni. I valori di deportanza e di resistenza aerodinamica salgono all’incirca al quadrato dell’aumento di velocità e la potenza necessaria per superare le forze di resistenza aerodinamica sale ad un ritmo leggermente più ripido.

La modellazione 3D al computer degli effetti aerodinamici è in qualche modo buona come quella del programmatore, ma non è del tutto credibile. I modelli in scala testati in gallerie del vento più piccole forniscono dati meno accurati. L’efficienza è influenzata dalla scarsa aderenza, dalla rugosità della superficie, dall’ondulazione e da altri disturbi. La maggior parte degli ingegneri aeronautici ignorano l’efficienza e sono molto orgogliosi del coefficiente di portanza e di resistenza. Questa linea di pensiero vi indirizzerà nella direzione sbagliata quando si ha a che fare con l’aerodinamica del mondo reale.

Man mano che il flusso d’aria si separa dalla superficie del veicolo, la resistenza aerodinamica salirà ad una velocità superiore alla sua normale curva di resistenza, e la portanza scenderà oltre la sua normale curva. Le forme della trasmissione, l’attrito dei pneumatici, la pressione dei pneumatici, il calore dei pneumatici, l’irregolarità della superficie della pista, l’angolo di convergenza, l’angolo di campanatura anteriore, l’allineamento posteriore, la convergenza posteriore e la campanatura posteriore influiscono sull’efficienza aerodinamica di un’auto da corsa e quindi sulla potenza necessaria per superare la resistenza aerodinamica. È più facile ottenere un guadagno di cinque cavalli nella riduzione della resistenza aerodinamica che non spremere 5 cavalli in più dal motore.

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Per questi motivi, i calcoli della resistenza e della potenza in cavalli per le automobili non sono paragonabili alle equazioni convenzionali che sono destinate alla progettazione di aerei. Se i dati che otteniamo da un impianto di prova devono essere manipolati, allora possono essere considerati dati imprecisi. Se si manipola il flusso d’aria, allora anche i dati sono imprecisi.

La galleria del vento è progettata per spostare l’aria dentro e intorno a un veicolo fermo. Tenete presente che non corriamo con venti da 120-185 miglia orarie, in realtà corriamo a 120-185 miglia orarie attraverso l’aria relativamente calma. Si tratta di un diverso insieme di dinamiche tra le due condizioni. L’unica cosa che possiamo sperare, come un ingegnere della NASA a cui una volta si è accennato, è di trovare tendenze, non dati precisi.

Il livello di energia dell’aria in movimento L’aria che si muove attraverso una galleria del vento ha una quantità significativa di energia, mentre l’aria su una pista o sulla strada non ne ha praticamente nessuna. Una libbra d’aria sposta circa 13,07 piedi cubi di volume a livello del mare. Se una libbra d’aria viaggia a 75 mph in una galleria del vento, avrebbe 110 libbre d’inerzia. Ci sono circa 20 libbre d’aria contenute nel volume dell’auto da corsa. Ciò equivale a 2.200 libbre di inerzia totale.

Ogni molecola d’aria ha una grande forza che cerca di farla andare nella direzione del flusso. Ci vorrà molta forza per cambiare la sua direzione e una volta cambiata la sua direzione, porterà molta forza cercando di farla andare nella nuova direzione. Comprimete quell’aria ad alta energia tra la macchina e le pareti della galleria del vento e introducete altre variabili di cui potete tenere conto.

The Influence of Aero Beyond The Car Quando si correva in aria ferma, ogni libbra d’aria aveva una libbra d’inerzia che la teneva lì. È quindi facile deviare quell’aria, e si comprime facilmente. Un’auto attraversa quell’aria ferma ad alta velocità e disturba l’aria in diverse direzioni. Poi, la parte posteriore dell’auto risucchia l’aria verso il punto di partenza. La forma perfetta per un’auto da corsa sposterebbe l’aria con la minima forza, e poi permetterebbe all’aria di tornare indietro dolcemente, indisturbata. Questo non può essere fatto in modo realistico, ma è comunque il vostro obiettivo.

Ricordate quando Richard Petty ha iniziato la Daytona 500 qualche anno fa e il suo cappello è volato via? Era a circa 20 metri dalle auto da corsa, eppure le auto sconvolgevano il flusso d’aria in modo drammatico, tanto da fargli saltare il cappello. Se le pareti di una galleria del vento sono troppo vicine, influiscono negativamente sui dati della galleria del vento. Più sono vicine all’auto, più i dati sono imprecisi. Se mettete un veicolo in una galleria del vento, frenate il disturbo del flusso d’aria e riattaccate artificialmente il flusso d’aria sul veicolo.

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I dati mostreranno una maggiore deportanza e una maggiore resistenza aerodinamica, perché si comprime l’aria tra il veicolo e le pareti della galleria del vento. Questo può anche abbassare la resistenza aerodinamica in alcune aree, perché si riattacca artificialmente il flusso sul veicolo. L’uno non annulla l’altro. È necessario manipolare tutti i numeri dei dati della galleria del vento per avere un senso. Poiché si sta mettendo molta inerzia ed energia nell’aria in una galleria del vento, l’aria non si comporta come nel mondo reale. Se così fosse, non avremmo bisogno di piloti collaudatori.

Quando si vede una bacchetta fumogena utilizzata in una galleria del vento, si vede del fumo che segue approssimativamente il contorno del veicolo. Più la scia di fumo si allontana dalla superficie del veicolo quando la bacchetta viene posizionata vicino alla superficie, maggiore è la separazione del flusso d’aria. Ciò indica più resistenza e meno deportanza. Si vuole che il fumo si depositi sul veicolo da davanti a dietro. Più il fumo è lontano dalla macchina, maggiore è la separazione del flusso e maggiore è il problema.

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Le modifiche al flusso d’aria posteriore modificheranno le caratteristiche del flusso anteriore e le modifiche al flusso anteriore modificheranno il flusso posteriore. Sia la resistenza che la deportanza sono influenzate in questo modo. Qualsiasi dispositivo installato attraverso il flusso d’aria nella parte anteriore dell’auto separerà il flusso e ridurrà significativamente i buoni effetti aerodinamici sulla parte posteriore, oltre ad aggiungere resistenza aerodinamica. Non disturbate mai il flusso d’aria nella parte anteriore dell’auto.

Diversi tipi di flusso d’aria Il flusso turbolento è dove il flusso d’aria bolle e rotola in molte direzioni diverse mentre scorre sulla superficie. Questo può essere su tutta la superficie, o parte di essa. Meno flusso turbolento si ha, meno si trascina. La maggior parte delle attuali auto da corsa hanno un flusso d’aria turbolento intorno a loro. La turbolenza peggiore che abbia mai visto è stata il test di volo di un certo aereo ad ala bassa. Ho visto un certo flusso d’aria andare in direzione opposta all’aereo, il che significa andare avanti!

Il flusso collegato ridurrà significativamente la resistenza aerodinamica e aumenterà la deportanza o la portanza. Se si ottiene attaccato su tutta la superficie, la riduzione della resistenza aerodinamica sarà davvero scioccante. Di solito, il flusso attaccato si verifica su meno del 10-25 per cento della superficie frontale. Più si ottiene, meglio è. Il flusso attaccato è tipicamente interpretato erroneamente come flusso laminare. Le due cose sono diverse.

Se qualcuno vi parla di come ottenere un flusso laminare su un’auto da corsa, è male informato. L’unica eccezione è con pochissime ali da Formula car. Queste auto raggiungono il flusso laminare solo su una parte molto piccola della superficie. Il flusso laminare è un flusso molto piccolo, come in pochi millesimi di pollice, uno strato di flusso d’aria che agisce come un cuscinetto a sfera, riducendo ulteriormente la resistenza aerodinamica.

Quando si cerca un foglio di alluminio laminare della NASA per utilizzarlo su un’auto da corsa, le probabilità che non si riesca a raggiungere il flusso laminare sono di circa il 99 per cento. Non si vuole davvero un flusso laminare su un’auto da corsa, perché leggere imperfezioni, sporco, pioggia, umidità possono ridurre drasticamente e improvvisamente le sue prestazioni. La superficie deve essere pulita, liscia ed eccezionalmente precisa. Se si mette una striscia gessata su alcuni profili a flusso laminare, questi non faranno alcun sollevamento o deportanza. Il flusso laminare non esiste su nessuna macchina da corsa negli Stati Uniti

Bow Wave Quando un veicolo spinge attraverso l’aria, crea un’area di alta pressione davanti ad esso. Questa si chiama onda di prua. L’onda di prua su un’auto da corsa si troverà da qualche parte tra i 10 e i 20 piedi davanti all’auto. Questo significa che l’auto sta influenzando e cambiando il flusso d’aria così lontano davanti all’auto. Più l’angolo della parte anteriore dell’auto è ripido rispetto al suolo, più l’onda di prua sarà lontana davanti all’auto. Più è lontano davanti, più l’auto si trascina.

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Se l’onda di prua è abbastanza forte, staccherà completamente il flusso sul resto dell’auto, nel punto in cui il cofano si fonde in una superficie più orizzontale. Quando si stacca più in alto, il flusso d’aria in realtà sta causando aspirazione o sollevamento, contrastando la deportanza che si pensava di creare. Le due cose probabilmente non possono annullarsi completamente a vicenda, ma possono ridurre significativamente la deportanza e aumentare la resistenza aerodinamica.

La separazione del flusso nella parte anteriore dell’auto ridurrà anche la deportanza creata nella parte posteriore. Questo perché l’aria di pressione normale non può tornare al livello dello spoiler posteriore. Ora, fino a un certo punto, aumentando l’angolo dello spoiler si riattaccherà una parte del flusso davanti ad esso. Se un’auto scivola con un certo angolo rispetto alla sua direzione di marcia effettiva, come in un’auto sporca, i lati dell’auto si staccheranno in parte o in tutto il flusso di deportanza. Questo è dovuto al brusco cambiamento di direzione dell’aria in arrivo sul lato del veicolo e non può riattaccarsi alla parte superiore dell’auto. Ridurrete anche un po ‘di deportanza perché l’aria ad alta pressione sul lato della vettura si ottiene sotto di essa, causando sollevamento, a meno che non è possibile sigillare il lato a terra.

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Drag and Moment Arm Anche le superfici dell’auto che creano deportanza hanno un braccio di momento. Questa è la distanza tra la ruota e la forza. Con uno spoiler molto indietro sull’auto, si potrebbe cambiare la deportanza sul retro e questo influenzerà la deportanza sull’anteriore in direzione opposta. L’altezza dello spoiler o del profilo aerodinamico influisce sulla lunghezza del braccio del momento. Un’ala di una Sprint Car ha il braccio del momento più radicale di qualsiasi superficie aerodinamica utilizzata nelle corse.

Anche il fondo della macchina è importante. L’aria scorre lì sotto e di solito è sotto una certa forza di aspirazione, quindi ha molto meno effetto, ma le cose possono essere fatte qui per guadagnare velocità. Allineare tutto vi darà un miglioramento rispetto a certi progetti, ma si può avere ancora di più. Guardate come i flussi si staccano sotto la macchina. Bisogna sapere cosa cercare, e non tutti lo vedono. Ci sono modi per ottenere più deportanza e meno resistenza sotto l’auto. Guardate anche cosa sta facendo il lato inferiore sotto il rotolo, lo squat e l’immersione. Guardate come queste condizioni disturbano il flusso d’aria e la deportanza. Più aspirazione si produce, più aria vuole andare sotto l’auto.

Galleria del vento fatta in casa È possibile creare la propria galleria del vento per ottenere dati reali. Ci vogliono delle buone telecamere, del filo di piccolo diametro e del nastro. L’ideale sarebbe dipingere di bianco l’auto e fare un buon lavoro con un minimo di overspray o “buccia d’arancia”. Un cattivo lavoro di verniciatura avrà effetti negativi sul flusso d’aria. Nastro una lunghezza da 2 a 3 pollici di filo nero ogni 6 pollici circa su tutta l’auto, compresi i lati – basta fissarlo a occhio. Assicuratevi che il nastro sia messo giù senza problemi in modo da non disturbare il flusso d’aria sopra il filato.

Guidare l’auto a velocità diverse e scattare foto video o ad alta velocità mentre l’auto passa, o dall’interno dell’auto. Non mettete la telecamera in un punto che possa disturbare il flusso. Mantenere una superficie pulita e priva di sporcizia. Potete videoregistrare da altre auto lungo il fianco, sia vicino che lontano. Guardate come il filo cambia con un’altra auto in determinate posizioni rispetto alla vostra auto. Auto diverse influenzeranno il vostro flusso d’aria in modo un po’ diverso, ma generalmente nello stesso modo.

L’ideale sarebbe che ogni filato si stendesse piatto sulla superficie e puntasse dritto verso la parte posteriore dell’auto. Le aree ad alta pressione faranno una o tutte le seguenti cose: sollevare il filo, far svolazzare il filo con violenza o puntarlo su un lato. Se vedete queste caratteristiche, potreste fare più resistenza e meno deportanza di quella ottimale.

La bassa pressione può fare una o tutte le seguenti cose: sollevare il filo con un’azione più flaccida, causare un’oscillazione più flaccida e/o mantenere il filo in movimento su tutta la superficie. Queste potrebbero essere aree di sollevamento. Questi indicatori mostrano una resistenza maggiore di quella ottimale. Quanto effetto si ottiene da un’azione corretta? Da quello che vedo su un Dirt Late Model, si può essere in grado di tagliare la resistenza aerodinamica a metà. Ho realizzato il flusso attaccato su un aereo da 180 CV e ho quasi raddoppiato la velocità di crociera, mentre tutto il resto è rimasto invariato.

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Angoli di stallo degli spoiler e delle ali Si tratta di dispositivi critici che necessitano di piccolissime variazioni angolari di 1 o 2 gradi alla volta per vedere i risultati. La maggior parte degli alettoni si ferma a circa 22 gradi. Creano ancora portanza o deportanza al di là di quell’angolo, ma renderà meno che se si riduce l’angolo. Quando ci si avvicina allo stallo o lo si supera, la resistenza aerodinamica sale notevolmente quasi immediatamente. Lo sportello della barella, il becco di vimini, la striscia di spoiler, o come volete chiamarlo, può aggiungere deportanza, ma aggiungerà anche resistenza aerodinamica.

Non posizionare mai nessuno di questi dispositivi angolati in avanti oltre la verticale. Quando il dispositivo punta in avanti rispetto alla verticale, si aumentano negativamente gli effetti di stallo e si accorcia la superficie attraverso la quale viene generata la forza e si aggiunge un piccolo sollevamento. Gli angoli più ripidi a cui è impostato uno qualsiasi di questi dispositivi sposteranno anche la deportanza all’indietro, fino allo stallo. Allo stallo, la deportanza si sposterà in avanti.

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Riduzione del trascinamento Il trascinamento di interferenza è il trascinamento causato dalla compressione dell’aria con un disturbo che sporge da una superficie su cui l’aria scorre sopra o intorno. Più la superficie è piatta, maggiore è la resistenza all’interferenza. Anche la forma a sezione trasversale della sporgenza può influire notevolmente sulla resistenza. Un oggetto rotondo, come un asse anteriore di una Sprint Car, ha una resistenza aerodinamica equivalente a cinque volte il suo diametro. Non è necessario sapere cosa significa, purché si capisca che un tubo tondo posto a 90 gradi rispetto al flusso d’aria ha un’enorme resistenza aerodinamica. Se si modella lo stesso tubo come un puntone alare su un aereo, si vedranno enormi guadagni nella riduzione della resistenza aerodinamica. La maggior parte delle auto di Formula incorporano questo aspetto del design.

Rendete i componenti davvero aerodinamici e la resistenza aerodinamica scenderà ad un ritmo incredibile. Ho fatto dei test di volo approfonditi su un aereo da 100 miglia orarie con montanti alare. Cambiando solo la forma dei montanti alare ho scoperto quanto segue osservando i dati dei test di volo effettivi: Un progetto con un puntone a tubo tondo ha prodotto una velocità massima di 100 miglia orarie. Utilizzando un puntone standard dell’aereo si è ottenuta una velocità massima di 127 miglia orarie. Utilizzando una forma aerodinamica ottimizzata per il puntone del mio progetto ho ottenuto una velocità massima di 136 miglia orarie.

Ci sono milioni di disegni diversi di fogli d’aria là fuori e tutti fanno qualcosa di diverso. Per ottenere prestazioni ottimali in un’auto da corsa, vogliamo un’elevata deportanza con un trascinamento minimo – non troppo diverso da un aereo – ma ci sono altre differenze nei profili alari. Sono: l’angolo di stallo, la massima portanza rispetto all’angolo di trascinamento, il momento di beccheggio e la percentuale di aliscafo a cui è attaccato il flusso. Per momento di beccheggio si intende il punto in cui si verifica il sollevamento netto o la deportanza rispetto alla parte anteriore del profilo alare.

Le piastre laterali Le piastre aumentano un po’ la deportanza aumentando la resistenza aerodinamica e forniscono anche una superficie di sponsorizzazione. Quando un veicolo inizia a scivolare lateralmente, le piastre terminali disturbano il flusso all’esterno del profilo aerodinamico o dello spoiler e aumentano la deportanza all’interno. Perderete un po ‘di morso in avanti a causa della riduzione della deportanza nello scivolo. Le piastre terminali Sprint Car sono ridicole come aiuto all’ala. Si comportano più come un timone o una porta di stalla.

Essi causano l’inclinazione dell’interno o l’angolo di rollio inverso e non permettono all’auto di funzionare al meglio. Le ali delle Sprint Cars sono posizionate ad angoli ben oltre lo stallo. La resistenza aggiunta ruota intorno al punto di contatto tra il pneumatico posteriore e il terreno, causando un momento che trasferisce il carico dalle ruote anteriori a quelle posteriori cercando di sollevare le ruote anteriori.

Anche l’ala anteriore è in stallo, ma oltre allo stallo, la vicinanza del cofano interferisce con la superficie predominante che svolge il lavoro. Un pezzo di compensato funzionerebbe bene come le ali di una Sprint Car, in parte a causa dei parametri del profilo aerodinamico regolato e in parte per l’angolo di stallo. Le piastre terminali aiutano di più sulle auto da formula. Un’ala progettata correttamente vede l’effetto zero di una piastra terminale.

Condotti NACA per portare l’aria nell’abitacolo del conducente Devono essere posizionati in un punto in cui i ciuffi di filato siano attaccati e diritti. Se non lo sono, è possibile che li collochiate in una zona di aspirazione e otterrete poco flusso, se ce n’è.

Specchi esterni Dovrebbero avere un’altezza verticale corta ed essere il più larghi possibile per una resistenza minima. La loro forma effettiva cambierà la resistenza aerodinamica complessiva e, a seconda di come sono attaccati, possono creare molta resistenza.

Conduttura dei freni I tubi di scarico utilizzati per il raffreddamento dei freni e altre cose hanno i loro vantaggi. I vantaggi sono la piegabilità e la flessibilità. A velocità inferiori funzionano abbastanza bene. A velocità più elevate, però, il diametro effettivo è molto più piccolo del diametro misurato, riducendo significativamente il flusso d’aria. Per il trasporto dell’aria si dovrebbe usare un tubo scat minimo. Realizzare condotti che abbiano l’interno liscio, con curve miste. Mantenere bassa la velocità dell’aria.

Più le superfici sono omogenee, maggiori sono le possibilità di ridurre la resistenza aerodinamica e di ottenere una migliore deportanza. Non pensate che le superfici ripide producano più deportanza, perché non lo fanno sempre. La maggior parte delle auto oggi sono andate ben oltre l’angolo migliore, e non sempre è migliore. D’altra parte, una significativa riduzione della resistenza aerodinamica e un miglioramento della deportanza richiedono prove e un assetto ottimale del telaio. I guadagni possono richiedere uno stile di guida leggermente diverso.

Sulle auto sporche, ci può non essere abbastanza forza frenante e trazione per rallentare abbastanza per la curva quando si ottiene l’aero a destra. In realtà, questo può essere il motivo involontario per cui l’aerodinamica è in stallo. In questo momento, molti tipi di auto da corsa stanno sprecando un sacco di cavalli per superare l’elevata resistenza aerodinamica. Una Sprint Car su un quarto di miglio, su una pista relativamente lenta, probabilmente non vedrà un guadagno qui, ma su piste più lunghe e con tutte le altre auto, ci sarà un guadagno se si presta attenzione a ciò che si sta facendo.

Ogni tipo di vettura da corsa può ottenere guadagni in termini di tempi sul giro se si presta molta attenzione ai problemi sopra citati. Questi includono Formula 1, Coppa, Modelli Tardivi, Sprint Cars, IndyCars, Grand Am Daytona Prototypes e Sports Cars. Non date per scontato che un’altra squadra abbia i fondi e le risorse per testare che ha ragione. L’altra squadra potrebbe avere più ragione di voi.

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