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La Storia

Per poter capire il ruolo importantissimo che hanno avuto e tuttora hanno le monoposto da competizione nell'ambito delle migliorie tecniche applicate poi alle vetture di serie, devono essere analizzati alcuni dati realtivi all'incremento di potenza dei motori, e alla storia delle competizioni pre e post belliche.

Le monoposto pre belliche


Le monoposto pre belliche altro non erano che delle versioni modificate delle vetture di produzione, e tali modifiche consistevano più che altro nella sovralimentazione (quella sviluppata dal 1923 al 1951 era basata su compressori azionati meccanicamente dal motore) del motore e nel rafforzamento di sospensioni e freni, più eventualmente un alleggerimento della massa. Nessun passo avanti nella storia dell'automobile fu fatto a causa della Seconda Guerra Mondiale, in quanto le industrie automobilistiche vennero impiegate nella produzione di armi e artiglierie leggere e pesanti....



Auto Union Type D



La Type D nacque in un periodo molto difficile per le Auto Union da Gran Premio: il 28 gennaio 1938 la squadra corse aveva perso il suo asso Bernd Rosemeyer, tragicamente scomparso in un incidente durante un tentativo di record sull'autostrada Darmstadt-Francoforte. Inoltre, c'era in quel periodo parecchio lavoro da fare: la Formula 750 kg era scaduta il 31 dicembre del 1937 e per l'anno seguente era stata imposta una nuova formula denominata 3 litri, che prevedeva una cilindrata massima di 3 litri per le auto sovralimentate e di 4,5 litri per quelle aspirate. Ma già da mesi era in fase di sviluppo una nuova vettura che avrebbe preso il posto della plurivittoriosa Type C, ormai non più idonea a soddisfare i nuovi regolamenti.

La nuova vettura non fu più progettata da Ferdinand Porsche, come invece era avvenuto per i precedenti tre modelli da Gran Premio marchiati con i "quattro anelli". Il geniale progettista boemo fu infatti totalmente preso dalla progettazione di quello che in futuro sarebbe divenuto noto al mondo intero come Maggiolino. La responsabilità del progetto della futura Type D fu invece affidata a Robert Eberan von Eberhorst, responsabile tecnico del reparto corse Auto Union. Il progetto ripercorse solo in parte le linee guida tracciate a suo tempo dall'ingegner Porsche, mentre per un'altra parte fu invece del tutto inedito. In particolare, furono apportate modifiche consistenti alle sospensioni: all'avantreno vennero montati ammortizzatori idraulici, mentre al retrotreno venne montato un ponte a doppio snodo simile ad un De Dion, soluzione già messa in pratica dalla rivale Mercedes-Benz e che anche la Horch, tanto per rimanere in casa Auto Union, aveva già montato già dalla fine del 1935 in una variante ideata da Oskar Siebler.

Ma la vera novità fu ovviamente il propulsore, progettato e realizzato in modo da soddisfare i nuovi regolamenti imposti per la stagione 1938: il tetto massimo di cilindrata fissato a 3 litri per le vetture sovralimentate suggerì a von Eberhorst di ridurre anche il numero di cilindri da 16 a 12, mantenendo sempre l'architettura a V, ma con un differente angolo fra le due bancate, 60 gradi anziché 45. La cilindrata fu di 2985 cm³, la metà di quella della Type C, ma in questo caso il rapporto di compressione fu aumentato da 9.2 a 10:1, ottenendo così un motore più spinto del precedente, il che permise di ottenere, grazie anche alla sovralimentazione mediante due compressori volumetrici configurati a doppio stadio, una potenza massima di 485 CV. Questo nuovo V12 era inoltre caratterizzato dalla distribuzione a due valvole per cilindro azionate da tre assi a camme, uno centrale per l'aspirazione e i due laterali per lo scarico. Tagliando via quattro cilindri si ottenne un motore dal minor ingombro longitudinale, il che permise di ridurre l'interasse, in maniera tale da ottenere un triplice vantaggio: riduzione di peso, maggior maneggevolezza ed agilità della vettura e telaio più "comunicativo" con il pilota.

Essendo questo nuovo motore molto più spinto del precedente, i consumi salirono del 20% rispetto alla vettura da Gran Premio dell'anno prima: la Type D riusciva a percorrere appena un chilometro con un litro di carburante, carburante che consisteva in una miscela di alcool, acetone, nitrobenzolo ed etere solforico, ed era stipato in tre serbatoi della capacità totale di 280 litri.


Tazio Nuvolari su Auto Union D-type, nel 1938, a Donington Park

Il debutto sportivo della Type D fu enormemente ritardato dalle difficoltà di messa a punto della vettura, che continuava a manifestare qua e là dei problemi. Le prime gare della stagione 1938 videro la Type D assente dai tracciati. Il debutto avvenne solo il 3 luglio sul circuito di Reims per il Gran Premio di Francia. Purtroppo l'esito fu a dir poco catastrofico, poiché i tre piloti disponibili in quello scorcio di stagione (Hasse, Kautz e Müller) abbandonarono tutti la gara in seguito ad incidenti. Il guaio fu che questi tre piloti non erano all'altezza dei grandi Stuck e Rosemeyer, ma quest'ultimo, come si è detto all'inizio era scomparso tragicamente all'inizio di quell'anno, mentre più o meno nello stesso periodo Stuck e l'Auto Union giunsero al divorzio per motivi in realtà mai chiariti completamente. L'unica speranza visibile all'orizzonte per l'Auto Union pareva giungere dall'Italia: all'inizio della stagione, infatti, Tazio Nuvolari entrò in una fase di contrasto con l'Alfa Romeo, da cui sarebbe nata un'altra separazione eccellente. Presa la palla al balzo, i dirigenti dell'Auto Union e il "mantovano volante" presero contatti e giunsero ad un accordo, formalizzato il 15 luglio grazie al nullaosta della Federazione Automobilistica Sportiva Italiana: Nuvolari divenne il nuovo pilota della squadra corse dell'Auto Union. Il debutto dell'asso mantovano avvenne il 24 luglio al Nürburgring per il Gran Premio di Germania, dove giunse quarto a causa di alcune noie al motore, che tra l'altro ebbe una perdita d'olio che schizzò sul parabrezza rendendo difficoltosa la visuale al pilota italiano. Alla Coppa Acerbo sul Circuito di Pescara, Nuvolari giunge in pole position, ma durante la gara è costretto al ritiro assieme a Müller ed Hasse. Il migliore piazzamento per una Type D fu il quarto posto conquistato da Hans Stuck, che nel frattempo fu riammesso nella squadra corse dopo le enormi pressioni cui fu sottoposta in tal senso la Auto Union dal regime tedesco. La riscossa avvenne l'11 settembre al Gran Premio d'Italia disputatosi a Monza: Nuvolari conquistò la vittoria davanti a Hermann Lang e la stampa dedicò fiumi di inchiostro a tale evento. Il 22 ottobre a Donington, Nuvolari investe un cervo durante le prove, ma all'avvio della gara parte in quarta e si trova a condurre già dopo la prima curva, e dopo alcune peripezie termina al primo posto regalando un'altra vittoria all'Auto Union con una Type D ormai messa completamente a punto. Alle vittorie di Nuvolari nella stagione 1938 vanno inoltre aggiunte le cinque cronoscalate vinte da Stuck sempre su Type D.

tenutosi il 25 giugno, Lang trionfa ancora, ma la gara fu funestata da un incidente mortale in cui Seaman perse la vita. Questa volta è Hasse a guadagnare il secondo posto, mentre Nuvolari e Müller furono costretti al ritiro. Il 9 luglio a Reims arrivò la prima vittoria della stagione per la Type D e per l'Auto Union. A portare la monoposto al trionfo fu questa volta Müller, seguito da un'altra Type D, quella di Meier. Ed ancora Müller giunse secondo al Gran Premio di Germania, mentre la vittoria andò di nuovo alla Casa di Per la stagione 1939 Nuvolari e Stuck furono riconfermati, così come anche Müller e Hasse. Inoltre, vennero ingaggiate due giovani promesse, Georg Meier e Ulli Bigalke. Anche nel 1939, la stagione sportiva cominciò in ritardo per la Type D, che non partecipò alle gare di Pau e di Tripoli. Ma il debutto al Nürburgring vide comunque la vittoria della Mercedes-Benz di Lang davanti a Nuvolari, giunto secondo. AlGran Premio del BelgioStoccarda. Quell'anno, la stagione sportiva fu particolarmente breve a causa della situazione politica che stava rapidamente degenerando proprio in Germania. Al Gran Premio di Belgrado fu Nuvolari a concludere vittoriosamente l'ultima gara disputata da una monoposto Auto Union e l'ultima valida per un Gran Premio. Ma il titolo andò comunque alle Mercedes-Benz. Era il 3 settem bre 1939: il giorno prima Adolf Hitler aveva invaso la Polonia, dando il via alla catastrofica Seconda Guerra Mondiale.


Le monoposto post belliche

.....Finita la guerra, con l'istituzione del Campionato del Mondo e l'introduzione di regolamenti circa la costruzione delle vetture da competizione, si ricominciò dai vecchi progetti, invece di agire verso nuove direzioni. Sul finire degli anni Sessanta la sovralimentazione dei motori (la concezione di aerodinamica e quindi di lavoro su scocche arriverà più tardi, negli anni Settanta) è ottenuta dall'azione di turbo-compressori comandati dai gas di scarico. Il ciclo di grandi evoluzioni per il motore aspirato ha preso l'avvio necessariamente da cilindrate ragguardevoli, data l'esiguità delle potenze specifiche realizzabili: appena 60-80 cavalli/litro, contro i 200-230 cavalli per litro di cilindrata dei sovralimentati. Appena avviato il processo, tuttavia, la corsa alle più alte potenze specifiche è stata notevole, con il traguardo dei 100 cavalli per 1000 cc raggiunto per la prima volta dai motori della formula di due litri e mezzo e con incrementi spettacolari per la F.1 1500, fino alla soglia dei 150 CV/litro, e per la F.1 3000, ormai prossima ai 180 CV/litro. L'aumento delle potenze è legato a molti fattori, quali il numero dei cilindri, il rapporto corsa-alesaggio, il regime di rotazione, il sistema di alimentazione, eccetera, il criterio stesso della cilindrata non è che parzialmente vincolante, ai fini dell'equità della competizione, tanto da essere sostenuto attualmente da altre limitazioni; ma la sua validità permane pressochè indiscussa per l'unità di tempo entro i cui limiti avvengono i progressi. Il punto di partenza per la grande avventura del motore aspirato in questo dopoguerra è stato di potenze specifiche comprese fra i 60 e i 70 cavalli/litro; un livello relativamente basso, che aveva, nondimeno, prospettive di rapido incremento con gli insegnamenti dell'esperienza parallela in campo motociclistico, dove la sovralimentazione era stata abolita con grande anticipo e la quota dei 100 cavalli/litro poteva già considerarsi una norma, pur con il vantaggio delle cilindrate unitarie esigue. Quindi, al momento del confronto cruciale fra il sovralimentato e l'aspirato, la bilancia proponeva su un piatto l'otto cilindri in linea delle celebri Alfa Romeo 158/159 con punte massime di 425 cavalli, ma con 400 cavalli effettivi nella media delle applicazioni, e sull'altro piatto i 12 cilindri Ferrari a V di 60°, di quattro litri e mezzo, con disponibilità di 360-380 cavalli e con vantaggi già sensibili nelle utilizzazioni e nei consumi. Dal 1953 iniziò una preziosa concentrazione dei tecnici su motori a quattro e a sei cilindri in linea, con molti studi rivolti alle camere di combustione, all'evacuazione dei gas di scarico, con particolare riferimento alle lunghezze critiche dei condotti, e con grandi sforzi concentrati sull'alimentazione, monocarburatore e perfino a iniezione. E' il momento dello studio intenso anche sulle proprietà dei carburanti e dell'affacciarsi delle prime camere di scoppio adatte a far risaltare i fenomeni di "swirl" e di "squish". Il quattro cilindri in linea rappresenta veramente l'ideale per gettare solide basi, utili ad un serio sviluppo del moderno motore aspirato. Il sei cilindri in linea viene introdotto da Gordini, mentre da parte inglese (Era-Bristol e HWM-Alta) un gradino più sotto, si fa leva su valori specifici già confortanti. Così, con l'avvento del sei cilindri in linea della Maserati del 1953, con il conseguimento dei 190 cavalli a 7500 giri, si arrotonda a 95 CV/litro la potenza specifica, con la bellezza di 12,7 CV/litro a mille giri. Le basi per la successiva Formula 1 di due litri e mezzo (1954-1960) sono gettate e l'avvento delle tecnologie della Mercedes, con distribuzione desmodromica e iniezione diretta, danno nuovi stimoli alla ricerca. Con i 280 cavalli effettivi dell'otto cilindri in linea della marca tedesca, con 112 CV/litro e ben 13,2 CV/litro a mille giri, saliti nel 1955 a 118 CV/litro e a 13,9 CV/litro a mille giri, il tetto è stato raggiunto per quell'epoca di sviluppo e i primati tecnici di questo motore sono tali da restare insuperati per tutto il corso della formula. y-Climax, dimostra l'importanza di accelerare l'evoluzione di propulsori con grosse cilindrate unitarie, superiori ai 620 cc, con valori addirittura di 15 CV/litro per mille giri e pressioni medie effettive fino a 13,5 Kg/cm#2. Come soluzione intermedia, il motore V 6 della Ferrari si trascina le stesse ragioni di validità, con applicazioni preziose. Il finire degli anni Cinquanta non è favorevole a troppi investimenti nell'evoluzione dei motori: i progressi favoriti dalle rivoluzioni d'autotelaio appaiono ben più ingenti di quel che la tecnica motoristica potrebbe offrire, determinando una certa stasi. Il passaggio dall'architettura convenzionale del motore anteriore e trazione posteriore al motore posteriore-centrale con trazione sulle ruote posteriori, ha prodotto effetti preponderanti, tanto da garantire le maggiori affermazioni alle Cooper e alle Lotus con un quattro cilindri Climax di appena 240-243 cavalli, pari a 96,5-97,5 CV/litro, con buone concentrazioni di potenza in un regime di 6800 giri, che fa calcolare 14,2-14,3 CV/litro a mille giri. Negli anni Sessanta, parallelamente, fanno la loro comparsa le prime appendici alari, la cui efficenza è limitata, ma che garantivano un buon carico aerodinamico per i telai (alluminio) e i pesi delle vetture, che comunque mantenevano freni a dischi in acciaio e pneumatici convenzionali. Gli anni Settanta portano nuove evoluzioni. Oltre al perfezionamento del telaio autoportante, all'evoluzione dei motori boxer, comincia la nuova concezione di aerodinamica. I telai cominciano ad assumere una forma a freccia, per poter fendere meglio l'aria. per quanto concerne i motori, si esplorano i 10000 giri, 450 cavalli nella media della produzione. Scarichi di diametro maggiore e altri perfezionamenti al circuito di lubrificazione.470 cavalli nel 1975 e con punte di 480-490 nelle ultime espressioni. Gli stimoli sono venuti dalla crescente avanzata dei motori a 12 cilindri - Ferrari in particolare - pur con altre componenti della Matra e dell'Alfa Romeo. La Matra, con un 12 cilindri a V di 60° raggiunse un'apice di 520 cavalli. Per l'Alfa Romeo, il passo dalla Sport alla Formula 1, con il 12 cilindri "boxer" (l'ultimo ridisegno a V di 60° risponde ad esigenze extra-motoristiche, ovvero di installazione in vettura e di flussi aerodinamici interni), è stato breve, seppure scontata la stagione iniziale del '76, per raggiungere i migliori compromessi fra tenuta, distribuzione della potenza lungo la curva e prontezza d'accelerazione. Ufficialmente, questo motore ha dato le potenze specifiche più alte, con 177 CV/litro e qualcosa come 14,75 CV/litro a mille giri. Le valutazioni, nondimeno, si fanno difficili per il più vittorioso dei 12 cilindri, il "boxer" Ferrari, che ha puntato tutto sulla buona stabilità di funzionamento, indipendentemente dai valori massimi. Anche l'ascesa di questo motore, esemplare per la concezione del manovellismo e del comando della distribuzione, è stata spettacolare, partendo dai 430 cavalli a 11600 giri del 1970, per salire subito dopo a 465 cavalli a 12000 giri, pari a 13 CV/litro a mille giri, e per toccare i 490 cavalli effettivi nel 1974. l'evoluzione conobbe poi una stasi fino al 1979.







BREVE STORIA DELL'EVOLUZIONE TECNICA DELLA FORMULA 1



Il concetto di deportanza rivoluzionò la concezione delle corse. Fino a quel momento le vetture da corsa dovevano essere fondamentalmente veloci, il più veloci possibile, per raggiungere la massima velocità nei rettilinei, che erano la parte predominante di ogni circuito. Velocità dell’ordine di 340 km/h erano state raggiunte sui circuiti più veloci già negli anni ’30, e si dovrà aspettare il 1982 perché vengano raggiunte di nuovo. 

Le monoposto però, fino all’avvento dell’aerodinamica, dovevano rallentare in maniera radicale per affrontare le curve. In questo modo la differenza fra velocità massima e velocità di percorrenza delle curve era enorme. Si pensi che le Auto Union del 1936 disponevano di 520 HP e di velocità di punta dell’ordine dei 345 km/h. Su di un circuito velocissimo come Monza, un giro era percorso alla media di circa 180 km/h. Trent’anni dopo le monoposto, con circa 330-350 cavalli, e velocità massime non superiori ai 280 km/h, giravano su quel circuito ad una media di circa 200 km/h.

Con l’avvento dei dispositivi aerodinamici, nel 1969 le monoposto migliori, con circa 420 HP ed una velocità  massima non superiore ai 270 km/h, girarono a Monza a 236 km/h di media. Questi dati devono essere valutati in termini di efficienza globale. Un motore potentissimo poteva essere usato per andare forte in rettilineo, ma la velocità in curva restava subordinata all’aderenza al suolo. Questa, a sua volta, era legata alla sezione dei pneumatici, al loro coefficiente di attrito, alla capacità delle sospensioni di tenere il pneumatico aderente al suolo. Questi fattori erano, fino all’avvento delle appendici aerodinamiche, evidentemente bassi, perché la velocità di percorrenza della curva rimaneva molto distante dalla velocità massima che la vettura poteva sviluppare in rettilineo. Il ricorso ai dispositivi aerodinamici ha quindi permesso di ridurre in modo drastico la differenza fra velocità massima e velocità di percorrenza delle curve. Si era quindi verificato un paradosso: il tempo guadagnato in rettilineo da una vettura velocissima, ma lenta nelle curve, era inferiore al tempo guadagnato da una vettura lenta in rettilineo ma veloce nelle curve.

A questa nuova concezione delle corse automobilistiche verrà subordinata tutta l’evoluzione dello sport motoristico, fino ai nostri giorni.





È del 1977 l’ultima vittoria di Niki Lauda in Formula 1 con la Ferrari

LOUIS ARMSTRONG ~ When You`re Smilin`~




McLaren MP4/4 Honda

La McLaren MP4/4 fu la vettura del team McLaren che prese parte al campionato di Formula 1 1988. Fu progettata da Gordon Murray e Steve Nichols, e rappresenta tuttora una delle auto di Formula 1 più efficaci della storia, avendo vinto 15 dei 16 Gran Premi cui prese parte. I piloti Ayrton Senna e Alain Prost lottarono tra di loro per il titolo mondiale, senza che alcun avversario potesse inserirsi nel duello.
Nel 1987 la Williams aveva nettamente sconfitto la McLaren sia nella classifica piloti che in quella costruttori. I motori Honda erano però passati alla scuderia di Woking e la capacità del fornitore giapponese di creare un motore più basso dei precedenti permise a Murray e Nichols di riprendere ed affinare i concetti introdotti nel 1986 con la Brabham BT55, senza l'handicap delle scarse affidabilità e potenza che avevano caratterizzato il motore BMW inclinato.

Nel 1988 il regolamento tecnico prevedeva la possibilità di utilizzare motori aspirati di 3500 cc di cilindrata senza limiti di consumo, oppure motori turbocompressi da 1500 cc di cilindrata, con pressione di sovralimentazione limitata a 2,5 bar e 150 litri di carburante per percorrere la distanza della gara. La Honda scelse questa seconda possibilità, in quanto le evoluzioni previste per il proprio motore le permisero di mantenere un vantaggio sulla concorrenza.

L'MP4/4 si ispira alla Brabham BT55 di Gordon Murray, che nell'87 aveva disegnato la MP4/3, approfondendone i concetti. L'idea di Murray era quella di una macchina estrema sotto il profilo fluidodinamico, ma nel caso della Brabham non si ottennero vantaggi: il motore era un progetto molto complesso e soprattutto fine a sé stesso.
Secondo Gordon Murray disegnare una macchina con le linee della BT55 permetteva di ridurre di circa il 30% la sezione frontale rispetto ad una monoposto convenzionale: la linea di cintura estremamente bassa riduceva moltissimo la resistenza all'avanzamento con vantaggi notevoli in velocità e consumi. Infatti la BT55 nel 1986 era stata l'auto con la velocità di punta più alta.

Questa soluzione consentiva anche di investire con una maggior portata d'aria la superficie alare posteriore, incrementando il carico aerodinamico sulle ruote motrici, con conseguente incremento di trazione e velocità di percorrenza in curva. Sotto questo aspetto la BT55 era stata un fallimento perché il suo motore BMW era un 4 cilindri in linea, molto alto, e per poter migliorare il progetto aerodinamico era stato inclinato di 72°, soluzione che creava problemi di lubrificazione e combustione; inoltre con un motore alto il centro di gravità dinamico risultava sempre molto sbilanciato, anche a causa di un cambio a 7 marce ingombrante e complicato.

Come consulente, nell'87 Murray cercò di sviluppare questi concetti sulla MP4/3 disegnata da Steve Nichols, il quale cercò di riprendere in parte il progetto MP4/2 di John Barnard, che ormai era superata. Perciò, a parte il muso, tutto il resto della vettura fu ridisegnato cercando di abbassare la linea di cintura e il centro di gravità.
Murray poté intervenire con questa filosofia progettuale grazie al fatto che la MP4/3 utilizzava un motore V6 con angolo di bancata di 90°. Inoltre riprogettò le pance laterali, spostando le prese d'aria di sfogo dei radiatori ai lati della vettura anziché sulla parte superiore; con questo intervento ridusse l'altezza e rese più slanciato il roll-bar, sfruttando il fatto che la capacità massima dei serbatoi nell'87 era stata ridotta da 220 a 195 litri. Tuttavia il motore non si dimostrò abbastanza solido e potente contro l'Honda della Williams.


Nell'88 la McLaren per la MP4/4 ottenne la fornitura di questi motori, che erano sempre dei V6 ma con un angolo di bancata di 80°, quindi Murray poté estremizzare ulteriormente quanto visto sulla MP4/3, abbassando ulteriormente l'altezza complessiva della scocca. Sostanzialmente lavorò come sulla MP4/3 anche perché pure nell'88 fu ridotta la capacità dei serbatoi (da 195 a 150 litri).
Una delle modifiche più evidenti fu il muso, molto più rastremato e slanciato, con grande riduzione della sezione frontale e conseguente maggiorazione della superficie alare anteriore. Queste varianti all'avantreno si erano rese necessarie anche per rispettare la nuova norma che obbligava a collocare la pedaliera delle scocche di nuova costruzione dietro l'asse delle ruote anteriori, una soluzione che il regolamento impone ancora oggi e che ha reso la posizione di guida quasi sdraiata anziché seduta.
Per via di questi interventi l'MP4/4 risultò notevolmente competitiva: oltre ad essere una macchina molto curata, fu l'unica progettata espressamente per gareggiare col motore turbo, a differenza dagli avversari che avevano puntato su ex vetture turbo adattate agli aspirati, o su progetti di scocche con motore turbo dell'anno prima.

Questa scocca utilizzava sospensioni a ruote indipendenti con trapezi sovrapposti e sistema a puntone di tipo pull-rod all'avantreno e push-rod al retrotreno. Quest'ultima soluzione, insolita per l'epoca, nasceva dall'esigenza di sollevare la posizione dei semialberi, in modo da non alterare gli angoli di esercizio dei giunti, dato che la scocca era molto bassa.

Durante la fase pre stagione fu testato anche un sistema di sospensioni attive, che per questioni di affidabilità non fu però mai utilizzato nei Gran Premi. La vettura fu talmente dominante che non venne evoluta in troppi pacchetti aerodinamici, salvo profili alari specifici per circuiti da basso o alto carico aerodinamico come Monaco, Monza o Hockenheim.
Una delle modifiche che più saltarono all'occhio fu l'eliminazione delle prese d'aria delle turbine, perché si riteneva che creassero dei vortici d'estremità che disturbavano i flussi d'aria sul profilo alare posteriore.

Il motore adoperato era l'Honda RA168-E, un V6 biturbo da circa 650 cavalli, ultima evoluzione del 6 cilindri giapponese che aveva debuttato nell'83. L'unità fu rivista per ridurre drasticamente il consumo di carburante dato che il regolamento imponeva una minor capacità dei serbatoi, e per sfruttare meglio la potenza ai medi regimi per via dell'altra restrizione sulla pressione di sovralimentazione, passata da 4.0 a 2.5 bar.

Il cambio, abbastanza convenzionale, era un Weissmann a sei marce più retromarcia, prodotto in collaborazione con la stessa McLaren e montato longitudinalmente.





Ayrton Senna
 Gran Premio del Canada 1988

Già nel corso della stagione 1987, la McLaren aveva annunciato l'ingaggio di Ayrton Senna, proveniente dalla Lotus, insieme alla fornitura dei motori Honda. In McLaren il brasiliano avrebbe fatto coppia con il due volte campione del mondo Alain Prost. Nella fase di sviluppo, grande attenzione venne posta all'elettronica di gestione del motore, per l'ottimizzazione dei consumi, e la vettura si presentò subito vincente, con un notevole margine sulla concorrenza.

La stagione si sviluppò quindi sulla traccia di un dominio incontrastato della McLaren. Dopo una prima fase favorevole a Prost, Senna recuperò progressivamente, per poi passare in vantaggio alla fine delle gare estive. L'unica corsa che la MP4/4 non vinse fu il Gran Premio d'Italia, in cui Prost si ritirò a causa dell'unico problema meccanico incontrato nella stagione, mentre Senna, al comando, si toccò con la Williams di Schlesser alla prima variante, nel corso di un doppiaggio a pochi giri dal termine. Dopo Monza Prost vinse due gare, riportandosi vicino, ma vincendo in Giappone Senna guadagnò il titolo.
Al termine della stagione Prost aveva accumulato più punti totali, ma Senna vinse grazie ai punti scartati dal pilota francese. Invece tutti i punti erano validi per il mondiale costruttori, che la McLaren si aggiudicò con un record di 199 punti.



Il Flybrid Systems KERS introdotto in F1 dalla stagione 2009
Il KERS, acronimo di Kinetic Energy Recovery System (in italiano “sistema di recupero dell'energia cinetica”) è un dispositivo elettromeccanico atto a recuperare parte dell'energia cinetica di un veicolo durante la fase di frenata e a trasformarla in energia meccanica o elettrica, nuovamente spendibile per la trazione del veicolo o per l'alimentazione dei suoi dispositivi elettrici.
Durante la frenata di un veicolo, l'energia cinetica che deriva da tale decelerazione è dispersa in calore per attrito del sistema frenante. Tale energia può essere intercettata da un meccanismo ad alto momento di inerzia come un volano oppure immagazzinata in un accumulatore o una batteria e venire impiegata in un secondo momento, per esempio in fase di accelerazione del veicolo o comunque quando si abbia bisogno di una riserva di energia per aumentare le prestazioni del mezzo.

      Il sistema KERS è costituito da:

  • un motore/dinamo (in corrente continua);
  • un accumulatore di carica elettrica, in genere composto o da pile al litio, oppure supercondensatori o ancora batterie a volano;
  • un sistema di controllo che permette di gestire il funzionamento del dispositivo come motore oppure come dinamo a seconda delle necessità.


F1: come e perchè la Power Unit Mercedes è stata più performante
della concorrenza.

Italian Wheels poco tempo fa vi ha raccontato i motori turbo della F1: i nuovi V6 ibridi hanno infatti rappresentato la più grande novità regolamentare del 2014. Oggi vogliamo andare oltre, cercando di spiegare perchè alcuni motori (i Mercedes) hanno funzionato meglio di altri (i Ferrari ed i Renault). 

Ricordiamo, in maniera rapida, cosa dice il regolamento: i motori di tutte le F1 a partire dal 2014 dovranno essere dei V6 turbo di 1600 cc, affiancati da due motori elettrici, l’MGU – K e l’MGU – H. Quello che però il regolamento non dice, lasciando quindi carta bianca ai progettisti, è come disporre i vari elementi del motore turbo e come mettere in relazione la componente termica con quella ibrida. Ed è qui che i motoristi della casa di Stoccarda hanno fatto il colpaccio. A Brixworth, un piccolissimo centro del Northamptonshire, in Inghilterra, i motoristi Mercedes, sotto la guida di Andy Cowell, hanno dato vita ad uno dei propulsori più efficienti e vincenti della storia della F1: il Mercedes PU106A. Questo motore (o meglio, questa Power Unit) ha fatto scuola per molti aspetti.

Il più importante in assoluto è stato la disposizione degli organi interni del motore: la PU Mercedes, infatti, ha la turbina separata dal compressore. La turbina è posizionata nella parte posteriore del motore, dove confluiscono gli scarichi, mentre il compressore è posto all’interno di uno scasso nel serbatoio dell’olio, sito nella parte anteriore del V6. Questa distanza tra le due componenti fondamentali del motore turbocompresso, ha fatto sì che la PU106A riuscisse a gestire in maniera migliore le temperature: secondo le leggi termodinamiche, più è fresca l’aria in entrata, più calda è l’aria di uscita, maggiore è il rendimento. In più, tale “anomalo” posizionamento ha permesso ai tecnici Mercedes di montare una turbina più grande della concorrenza, e proprio da tale turbina venivano fuori i circa 80 cv in più che le W05 Hybrid (e le altre vetture motorizzate con la PU106A) avevano rispetto alle vetture equipaggiate con propulsori differenti.

Qualcuno potrebbe a questo punto chiedersi: ma una turbina più grande non ha anche più inerzia, diventando più difficile da muovere ai bassi regimi? Giustissimo, rispondiamo noi. Ed è qui che entra in gioco la perfetta efficienza dell’ MGU – H montato sulla PU106A. Ricordate? Questo motore elettrico si alimenta grazie al calore prodotto dai gas di scarico, per poi sfruttare la potenza prodotta (circa 90 cv) per muovere l’alberino di trasmissione che collega turbina e compressore, ovviando così al turbolag. Ebbene, tale propulsore elettrico sul motore Mercedes funziona meglio che sugli altri: il trucco risiede negli scarichi. Gli scarichi della PU106A hanno infatti i collettori molto corti, raggruppati in un involucro termicamente schermato che permette una minore dispersione del calore, a tutto vantaggio dell’efficienza del suddetto MGU – H.

Il risultato, oltre ad una maggiore potenza massima, è stato l’avere una incredibile disponibilità della coppia motrice, a qualsiasi regime, che permetteva alle W05 Hybrid di trarre vantaggio anche in uscita dalle curve lente, quelle in cui teoricamente la turbina più grande avrebbe dovuto essere un handicap; oltretutto, grazie a questa quantità di coppia, parti meccaniche importanti (come il cambio) venivano utilizzate e sollecitate di meno. L’unico problema che i tecnici Mercedes hanno dovuto affrontare – e che poi hanno risolto in maniera più che brillante – è stato la maggiore fragilità dell’albero di trasmissione tra turbina e compressore: essendo infatti le due componenti più distanti, le vibrazioni prodotte dal V6 avrebbero potuto portare al danneggiamento o alla rottura dell’albero, compromettendo il motore. Ecco quindi che a Brixworth hanno deciso di inserire dei tiranti di irrigidimento all’interno del V6, rendendolo più stabile.


Ferrari F14 T

La Ferrari F14 T è la sessantesima monoposto costruita dalla casa automobilistica Ferrari per partecipare
al campionato mondiale di Formula 1 2014.
Identificata, durante lo sviluppo, con il codice interno 665 sostituisce la F138, che aveva disputato la stagione 2013 
del campionato mondiale di Formula 1.

Fernando Alonso - Ferrari - 2014 Monaco Grand Prix

  La PU Ferrari (la 059/3), a dispetto dei magrissimi risultati ottenuti, era anch’essa innovativa. Sono state 3 le scelte inedite compiute dai motoristi Ferrari: l’avanzamento del motore termico; la collocazione dello scambiatore di calore all’interno della V dei cilindri; la disposizione del serbatoio dell’olio. Tutte queste scelte sono state fatte per cercare di ottenere un’aerodinamica estrema al retrotreno, che infatti risultava essere particolarmente allungato: ciò avrebbe dovuto permettere al diffusore e alla zona della Coca – Cola di essere più efficienti.
Questa sistemazione ardita dei suddetti componenti ha però irrimediabilmente compromesso l’efficienza della Power Unit: la politica del “risparmiare spazio al retrotreno” ha infatti portato all’adozione di una turbina di dimensioni minori rispetto a quella della PU Mercedes, a tutto discapito della potenza generata dal motore termico.

Kimi Räikkönen alla guida della monoposto sul circuito di Shanghai; si nota l'ampia sezione nera che contraddistingue la livrea della F14 T.

Presentata il 25 gennaio 2014 sul sito ufficiale della Scuderia Ferrari, il nome F14 T è stato scelto dai tifosi, attraverso un sondaggio effettuato online sul sito web della casa.
Rispetto ai canoni stilistici delle monoposto di Maranello, la livrea della F14 T mostra, abbinato allo storico rosso corsa, un più ampio uso del nero, che in questa stagione, oltre a lambire la parte inferiore della vettura come già accadeva sulla F138, copre adesso anche tutta la zona del retrotreno; l'uso di tale colore ha un duplice funzione, ovvero sia migliorare la leggibilità dei marchi degli sponsor tecnici, sia celare alla vista le soluzioni tecniche adottate dalla Ferrari in questo ambito della macchina.
Le due sezioni rossonere della carrozzeria sono inoltre separate da una sottile striscia tricolore. Inserti bianchi sono infine appannaggio dell'alettone anteriore nonché dei deviatori di flusso posti davanti alle pance laterali.
Per la prima volta nella storia della Formula 1, vengono utilizzati numeri personalizzati per ciascun pilota. Fernando Alonso optò per il 14, numero con cui gareggiò nei kart, mentre Kimi Räikkönen scelse il 7.



Lotus 81


Elio De Angelis, Lotus 81, 1980 Gran Premio di Monaco  
La Lotus 81 è una vettura di Formula 1 costruita dal team Lotus per la stagione 1980.

Progettata da Colin Chapman e Martin Ogilvie, questa vettura aveva un disegno abbastanza tradizionale (a differenza di altre Lotus); spinta dal tradizionale Ford Cosworth DFV 3.0 V8, era una tipica vettura ad effetto-suolo. Pur garantendo parecchia deportanza, subiva troppo le sconnessioni in pista. Per tale ragione Chapman decise di sviluppare l'innovativa Lotus 88 a doppio telaio.

1980 - La Lotus 81 debuttò con alla guida il confermato Mario Andretti e il neo-arrivato Elio De Angelis. Dal Gran Premio d'Austria venne schierata la versione B, affidando una terza vettura all'esordiente Nigel Mansell. Il miglior risultato in gara fu il secondo posto colto da Elio De Angelis nel Gran Premio del Brasile, seconda gara della stagione. I ritiri furono frequenti. In totale, il team conquistò 14 punti iridati ed il quinto posto nel campionato costruttori.

1981 - La Lotus 81 venne impiegata anche nella prima parte della stagione 1981 nella versione B, affidata alla coppia formata da Elio De Angelis e Nigel Mansell. I risultati furono due quinti ed un sesto posto con De Angelis più un terzo posto con Mansell nel Gran Premio del Belgio. Nell'intento della scuderia avrebbe dovuto essere sostituita dalla Lotus 88, che però non fu considerata conforme ai regolamenti e venne infine rimpiazzata dalla Lotus 87.



Tecnica :
I segreti del motore a scoppio


Come è fatto e come funziona

Un motore a scoppio (ma più correttamente andrebbe chiamato "motore a combustione interna" o "motore alternativo endotermico") è essenzialmente composto da 3 organi meccanici in movimento :

Il pistone
E' un oggetto di forma generalmente cilindrica, che scorre dentro un'altro (il Cilindro), ed il suo movimento è quello di andare su e giù.

L'albero a gomiti
Ha la duplice funzione di trasformare il moto alternativo (in su e giù) del pistone in quello rotatorio e di portare il moto verso il cambio e poi alle ruote .

La biella
E' un'organo di collegamento che permette di unire il pistone con l'albero a gomiti e di trasmettere le forze.

In pratica questi tre organi meccanici hanno lo scopo di trasformare un moto rettilineo alternato (quello del pistone) in un moto rotatorio (quello dell'albero) per sfruttare l'energia dovuta allo scoppio della benzina e per fare un'altra serie di funzioni che vedremo in seguito.

Esistono poi altri importanti componenti :

Cilindro : La parte in cui scorre il pistone. Praticamente un grosso Foro.

Testa : E' la parte superiore che chiude il cilindro.

Camera di scoppio o di combustione : E' la parte superiore del cilindro cioè lo spazio che rimane tra la testa ed il pistone quando questo è nella posizione più elevata. E' la zona in cui avviene la combustione della benzina e dell'aria.

Carter o Basamento : E' generalmente la struttura che circonda e sostiene tutti gli altri organi meccanici e che comprende i cilindri.

Cielo del pistone : E' la parte superiore del pistone, quella a arriva a sfiorare la testa e sulla cui superficie avviene la combustione.

Fasce : Sono delle guarnizioni che garantiscono la tenuta dei gas, e limitano l'usura tra pistone e cilindro.

Bilanciere : E' una massa che fa parte dell'albero che ha lo scopo di equilibrare il motore,  cioè di ridurre le vibrazioni.

E' necessario dare qualche nome alle dimensioni caratteristiche di un motore.

(D) Alesaggio: Il diametro del pistone

(C) Corsa : Lo spostamento verticale che compie il pistone nel suo movimento. E' anche il doppio della distanza tra dove è collegata la biella all'albero e l'asse di rotazione dell'albero stesso.

(S) Sezione del cilindro : é l'area della sezione del cilindro, cioè l'area del cerchio che ha per diametro l'alesaggio. Infatti si ha che S = p D2

(V) Cilindrata : Il volume spazzato dal pistone nel suo movimento. E' semplicemente la sezione del cilindro per la corsa [ ].

(Pms) Punto morto superiore : E' la poszione più alto che raggiunge il pistone nel suo moto (la biella è perfettamente verticale e il pistone è fermo e sfiora la testa)

(Pmi) Punto morto inferiore : E' il punto più basso che raggiunge il pistone nel suo moto (la biella è perfettamente verticale e il pistone è fermo)

(r) Rappoto di compressione : E' il rapporto tra il volume della camara di scoppio e quello della cilindrata , diviso per la cilindrata. r = ( Vc + V ) / V

(RPM) Numero di giri al minuto : E' la velocità di rotazione dell'albero motore.

(Z) Numero di cilindri : Va da 1 (monocilindrico) a più di 12 (pluricilindrici)

Un paio di definizioni :

Quadri [ C=D ] : Si chiamano così quei motori che hanno la corsa e l'alesaggio uguali.

Super quadri [ D>C ] : Quei motori in cui l'alesaggio è più lungo della corsa .

A corsa lunga [ C>D ] : Quei motori con la corsa maggiore dell'alesaggio  .

Rapporto corsa alesaggio [ C/D ] : Se è minore di 1 significa che il motore è super quadro, se uguale a 1 che è quadro e se maggiore di 1 che è a corsa lunga.


I motori di cui parleremo sono i 4Tempi, che oltre agli organi meccanici precedentemente descritti, hanno un'ulteriore serie di organi meccanici che svolgono compiti ausiliari, ma indispensabili al funzionamento del motore stesso.

In estrema sintesi, il motore a scoppio funziona perché la benzina, si mischia con l'aria ambiente che fornisce l'ossigeno necessario alla combustione, entra nel cilindro, scoppia, cioè brucia violentemente e fornisce la pressione necessaria a spingere il pistone, il quale porta in rotazione l'albero a gomiti, e da questo, per mezzo di vari organi meccanici, come cambio e trasmissione, la potenza arriva alle gomme e il veicolo avanza. Ovviamente queste fasi avvengono grazie a precisi organi meccanici che svolgono precisi compiti. Nella camera di scoppio, avvengono, le seguenti operazioni : aspirazione, compressione scoppio e scarico.

Condotto d'Aspirazione


E' il condotto da cui entra la carica fresca, cioè la miscela di aria e benzina ancora non bruciata. Infatti a monte della camera di scoppio esiste un dispositivo che succhia la benzina dal serbatoio e l'aria dall'ambiente esterno e li miscela in parti ben definite. Questo dispositivo può essere un carburatore o un sistema di iniezione.


Valvola d'Aspirazione :
La miscela d'aria e benzina deve entrare nella camera di combustione solo nel momento giusto e per un periodo di tempo prestabilito. Per questo esiste una valvola, che apre e chiude, il condotto d'aspirazione regolando, quindi, come un rubinetto il flusso della miscela. Nei motori a 4Tempi, vengono usate usualmente valvole a fungo, chiamate così per via della sua caratteristica forma. Le valvole sono comandate dall'albero a camme.


Albero a camme di aspirazione :

E' un' albero parallelo a quello a gomiti, normalmente posto sopra la camera di scoppio (come in schema), che prende la rotazione dall'albero motore stesso, e gira solidale con esso. Su questo albero sono ricavate le camme, cioè dei profili eccentrici che girando spingono il piattello della valvola su e giù , secondo una precisa regola che dipende dalla forma stessa della camma . Poiché le camme sono legate all'albero motore è ovvio che se il motore sale di giri anche l'albero a camme sale di giri e così anche la valvola d'aspirazione apre e chiude il condotto più velocemente. In questo modo tutto funziona a qualsiasi regime di rotazione , perché ogni operazione accelera o decelera con il motore stesso.

Condotto di scarico :
E' equivalente a quello di aspirazione , ma a differenza di questo serve ad espellere i fumi di scarico , cioè quello che rimane dalla combustione della miscela bruciata, e conduce fino alla marmitta.


Valvola di scarico :
E' equivalente a quella di aspirazione, solo che regola l'apertura e la chiusura del condotto di scarico.

Albero a camme di scarico :
E' equivalente a quello di aspirazione, solo che imprime alla valvola di scarico, dei tempi di apertura diversi da quelli di aspirazione.

Candela :
I motori a scoppio , che vanno a benzina si chiamano anche ad accensione comandata  perchè l'esplosione del carburante è dovuto ad una scintilla, che si innesca perchè della corrente passa nello spazio tra due elettrodi. L'organo che regola lo scoppio e che genera la scintilla è la candela, che normalmente è unica e posta verticale al centro della camera di scoppio. La quantità di corrente e il momento della scintilla è regolato da organi meccanici o elettronici che prendono il movimento dallo stesso motore , garantendo anche in questo caso, il sincronismo tra la velocità di rotazione del motore e l'accensione.


La testa e la camera di combustione :

La testa è uno delle parti più importante per un propulsore, sulla quale più si lavora in fase di progetto. Infatti, la maggior parte delle azioni che avvengono in un motore e dalle quali dipendono le prestazioni, si sviluppano proprio nella camera di combustione. Quindi la sua geometria può migliorare sensibilmente le prestazioni e dare caratteristiche specifiche al propulsore.  Infatti sulla testa, da una parte ci sono tutti gli organi atti alla distribuzione, cioè tutti quegli organi che servono a far entrare ed uscire il carburante, i gas freschi e quelli combusti, mentre dall'altra la zona che rimane libera quando il pistone è al pms, cioè la camera di combustione, la quale condiziona in modo molto significativo la combustione e quindi la capacità di generare la potenza che serve a spingere il veicolo. In particolare il disegno della camera di combustione deve porsi come obbiettivo quello di ottenere un veloce processo di combustione, un elevato riempimento di carburante e minimizzare le perdite di calore attraverso le pareti.
Ovviamente nella storia dei motori a scoppio, i progettisti si sono sbizzarriti, producendo teste delle forme e delle geometrie estremamente varie, anche se oggi per vari motivi, i tipi di testa più diffusi, per i motori a benzina, sono sostanzialmente quattro. E' riportato di seguito lo schema delle quattro teste più diffuse e di un'altra serie di teste delle forme molto curiose.

 


a) EMISFERICA
: Offre buoni riempimenti ed elevate prestazioni;
b) A CUNEO o TRIANGOLARE : Limita l'effetto della detonazione e produce molta turbolenza, cosa che favorisce la velocità di combustione;
c) A TAZZA : Camera molto compatta, bassi consumi e basse emissioni inquinanti;
d) A TETTO : Con quattro valvole, permette di ottenere alte potenze specifiche e resistenza alla detonazione.



 

I pluricilindri:

I motori reali sono nella maggior parte dei casi composti da un numero di cilindri superiori a uno. Le piccole utilitarie di solito hanno 4 cilindri in linea, mentre le vetture più raffinate hanno 8, 10 o 12 cilindri. Non esiste un limite teorico al numero massimo di cilindri che si possono accoppiare per fare un motore, ma la storia testimonia che è difficile e inutile superare i 16.


Le configurazioni con cui accoppiare i vari cilindri sono le più varie.  La più semplice è quella dei motori "in linea" (a), in cui l'albero a gomiti è comune a tutti i cilindri, e i vari pistoni, bielle, teste sono disposti l'uno accanto all'altro. Già più complessi ma ugualmente diffusi sono i motori a "V" (c), in cui c'è sempre un solo albero ma i pistoni oltre ad essere accanto all'altro sono su due file distinte ed inclinate di un certo angolo (spesso 90 o 60). Esistono poi altri tipi di motori, molto meno diffusi, i cui schemi si vedono in figura. Tra questi ricordo in particolare il Boxter (f) e i motori stellari (m) impiegati specialmente agli albori dell'aviazione (ad esempio il barone rosso nella seconda guerra mondiale)

Funzionamento del motore
  Aspirazione , compressione , scoppio , espansione e scarico ... queste sono le parole della formula magica che fa funzionare un motore! Infatti un 4Tempi, come quello di cui mi accingo a spiegarvi, compie queste quattro fasi ogni due giri dell'albero a gomiti e ripete queste quattro fasi di continuo molte decine di volte al secondo. Cioè ogni volta che il motore compie queste quattro fasi torna nelle condizioni di partenza e può ricominciare. Tutto quello che succede tra l'inizio e il momento in cui il motore torna nelle stesso condizioni di partenza si chiama, nel complesso, CICLO. E' ovvio che le fasi principali del ciclo siano proprio aspirazione, compressione, scoppio, espansine e scarico.E' importante accennare al fatto che il motore a scoppio è una macchina che serve a realizzare proprio questo ciclo. Per i motori a benzina esiste un ciclo di riferimento teorico noto col nome di OTTO, mentre nei motori a gasolio il ciclo di riferimento è quello DIESEL. I cicli OTTO e DIESEL sono due tipi particolari di cicli termodinamici , che prendono il nome dagli studiosi che li idearono. Ovviamente un motore è tanto migliore quanto più riesce ad avvicinarsi alla teoria, cioè quanto più riesce ad avvicinarsi ad un ciclo OTTO o DIESEL.

Per cominciare si può pensare di partire nel momento in cui il pistone è nel punto morto superiore e le valvole sono chiuse. In pratica, siamo nell'istante in cui il pistone è salito fino al suo massimo e sta per scendere. Se le valvole rimanessero ferme, è ovvio che il pistone scenderebbe facendo solo espandere quel poco gas che rimane nella parte superiore del cilindro e continuando in questo modo, l'unico effetto sarebbe quello di frullare il gas senza generare nemmeno un Cv, anzi si fermerebbe subito. Con riferimento alle immagini, possiamo per semplicità immaginare che l'albero a gomiti e quelli a camme, girino in senso antiorario. La loro velocità è differente, in particolare ogni due giri dell'albero a gomiti le camme ne compiono uno solo.

ASPIRAZIONE

La prima cosa che deve succedere nel motore è quella di far entrare l'aria e la benzina, cioè la fonte dell'energia del motore. Quindi è necessario che si apra la valvola di aspirazione e che il pistone scendendo richiami dal condotto di aspirazione la miscela. Così accade e il pistone percorre tutto il tragitto dal Pms al Pmi, con la valvola del condotto di aspirazione completamente aperto, riempiendo completamente di miscela fresca.



COMPRESSIONE

Appena il pistone raggiunge il punto morto inferiore, il pistone si ferma di nuovo, e ricomincia a salire e comprime i gas. Per evitare che la miscela appena entrata riesca dal condotto di aspirazione, è necessario che la valvola di aspirazione si chiuda. Il pistone quindi comprime tutto il volume di gas che era presente nel cilidro,  schicciandolo in quella piccola parte di spazio rimasta libera tra il cielo del pistone e la testa del cilindro. In genere , il rapporto di compressione, cioè il rapporto tra il volume iniziale e quello finale della compressione, è intorno a 1:10 , con valori che arrivano vicini a 1:20 per i motori più prestazionali.
SCOPPIO

Una volta raggiunto il punto morto superiore, la benzina e l'aria sono al massimo della compressione e sono tutte contenute in un piccolo spazio intorno alla candela. E' facile immaginare che se si fa passare corrente sulla candela, si genera una scintilla che fa prendere fuoco al gas. Precisamente si dovrebbe dire che esplode, cioè il volume dei gas incrementano di migliaia di volte generando una pressione incredibile che va a spingere il pistone verso il basso, ed è questa pressione che tramite la biella e l'albero a gomiti si trasforma nella potenza utile che fa avanzare il veicolo.


ESPANSIONE

Immediatamente dopo lo scoppio, la pressione dei gas spingono il pistone verso il basso fino a che il pistone è nel Pmi in cui tutta l'energia dei gas si è convertita in potenza utile.  E' importante far notare come di tutto il motore l'unica fase utile sia questa. Tutto il resto è al traino cioè tutte le altri fasi usano parte di questa energia per funzionare e non la rendono disponibile per spostare il veicolo.

SCARICO

A questo punto il pistone ha raggiunto il Pmi, l'energia rilasciata dall'esplosione ha quasi esaurito la sua energia e il pistone è pronto a risalire. Inizia così la fase di scarico. Lo scopo di questa fase è quella di espellere i gas combusti per poter riportare il motore nelle condizioni iniziali, cioè di chiudere il ciclo, per poi ricominciare da capo. Per far questo si apre la valvola di scarico, e il pistone nella sua risalita spinge fuori il gas combusto, che così si dirigono verso la marmitta. Quando il pistone arriva al Pms, tutti i gas sono stati espulsi, si chiude la valvola di scarico, si apre quella di aspirazione e siamo pronti a ricominciare a immettere nuova miscela fresca.



Ecco un'altro modo per visualizzare tutte insieme le fasi che compie il motore ogni due giri dell'albero motore.

Approfondimento :  L'avviamento

Da come vi ho messo le cose, sembra che sia l'albero, spinto da una forza immaginaria, a trascinare il motore nel suo movimento, invece è il motore che fornisce l'energia. In realtà, come noto, che il motore a scoppio ha bisogno di essere messo in moto dall'esterno e che solo quando è partito riesce ad auto sostentarsi. Le macchine di inizio secolo avevano la manovella che usciva dal cofano e dovevano essere azionate a mano, oggi tutte le vetture di serie hanno un motorino elettrico, quelle da corsa per risparmiare sul peso sono messe in moto dall'esterno con un altro motore o spinte (come le moto da Gp).
Quando poi i motori sono stati avviati è l'inerzia del motore stesso che fa andare avanti le cose ... in pratica nella fase di scoppio parte dell'energia sviluppata fa accelerare gli organi meccanici, che poi rallentano nelle altre fasi e permettono che tutto funzioni . In più per aumentare l'inerzia del motore e per rendere le fasi più regolari (meno vibrazioni) si aggiunge un volano cioè un pesante disco che ruota insieme all'albero a gomiti.

Approfondimento : Gli anticipi delle valvole

Vorrei introdurre un aspetto importante sul reale funzionamento dell'aspirazione e scarico, che è presente in ogni motore. Voglio parlare degli anticipi delle valvole.

E' facile immaginare come qualsiasi azione non avvenga perfettamente istantaneamente, cioè richieda un certo tempo magari breve ma non nullo. Anche aprire e chiudere le valvole richiede un tempo non nullo. Dalla spiegazione che vi ho scritto sopra, sembra che le valvole rimangano chiuse, poi improvvisamente nel momento in cui il pistone passa dal Pms o Pmi le valvole istantaneamente percorrono tutto il loro spostamento posizionandosi nella posizione di apertura e rimangano in tale condizione fino alla fine della fase nella quale tornano in posizione di chiusura.

Questo nella realtà non può avvenire e quello che si riesce a fare è di far muovere la valvola in un tempo che è paragonabile con il tempo di una fase, cioè significa che in un quarto del ciclo. Quindi se si fa cominciare l'alzata della valvola nel Pms e si impone la chiusura nel Pmi si ha che la valvola non è perfettamente aperta durante la fase ma all'inizio sarà socchiusa, sarà completamente spalancata solo intorno alla metà della fase e sarà socchiusa alla fine della fase. Questo complica molto il flusso dei gas nei condotti di aspirazione e scarico perchè come detto durante la fase la valvola sta più tempo nella posizione di quasi chiusa che in quella di aperta.

Per compensare questo problema è necessario anticipare il momento in cui le valvole si aprono e ritardare il momento in cui si chiudono, rispetto al momento ideale, in modo che al raggiungimento di questo, la valvola sia sufficientemente aperta o chiusa per far bene il suo compito. Questo però significa anche che ad esempio nella prima parte della compressione, la valvola di aspirazione sia ancora aperta, col rischio che parte della miscela sia respinta fuori invece di essere compressa, oppure che nell'ultima fase di espansione dopo lo scoppio parte della spinta vada persa perchè i gas combusti escono dalla valvola di scarico che si sta aprendo.

Curioso, e fondamentale è il momento dell'incrocio, quello in cui finisce la fase di scarico ed inizia la fase di aspirazione in cui entrambe le valvole sono parzialmente aperte, con ovvie conseguenze.

Questo che sembra un problema, in realtà non è così drammatico. Anzi nei motori moderni e ancor più in quelli più prestazionali gli anticipi e l'incrocio sono veramente notevoli, perché si riesce grazie agli effetti dinamici, non solo a far funzionare tutto come se fossimo nel caso ideale in cui le valvole si aprono e chiudono nei Punti morti, ma addirittura si migliora, riuscendo ad esempio ad incamerare più miscela di quella teorica. Questo fatto è ancora più spinto nei motori 2t ad alte prestazioni, dove pur funzionando tutto in modo diverso, l'incrocio dura quasi metà ciclo.
Ovviamente ci sono degli aspetti negativi come l'incremento di emissioni inquinanti e il peggioramento nel consumo di carburante, aspetti essenziali in un motore stradale, ed assolutamente inutili in un motore da corsa.

Di seguito vi riporto il grafico degli andamenti reali delle aree di passaggio delle valvole di aspirazione e scarico di un generico motore a 4T. Su questo grafico è riportata l'area geometrica o efficace (dipende da come si calcola) rispetto a quella totale, che dipendono dalla posizione della valvola a fungo. Quindi l'andamento dell'area è analoga a quella dell'alzata, ed infatti è analogo a quelli che vi ho disegnato sopra. Spero siano evidenti gli anticipi dell'apertura e il ritardo di chiusura, e come intorno al Pms si abbia un ampio incrocio di ben 120 gradi di manovella (180 è una fase intera).



Diagramma  di un motore reale

AAS = Anticipo Alsata Scarico

AAA = Anticipo Alsata Aspirazione
RCS = Ritardo Chiusura Scarico RCA = Ritardo Chiusura Aspirazione

Un'altro modo per visualizzare le fasi, e gli anticipi è rappresentato dai diagrammi polari, o circolari. Nel primo, un cerchio rappresenta lo scarico e un'altro l'aspirazione. Nel secondo invece è tutto rappresentato tramite una spirale. Cmq siano fatti sono evidenti gli anticipi e l'incrocio che si estendono molto al dilà dei punti morti

 

Approfondimento : L'anticipo della candela

Anche la scintilla della candela che innesca la combustione ha un certo anticipo rispetto al Pms. Perchè anche in questo caso il fronte di fiamma ci mette alcuni istanti per propagarsi. Se si calcola l'anticipo con esattezza si riesce a far arrivare l'onda di pressione sul cielo del pistone esattamente quando questo ha raggiunto il pms. Se si facesse innescare la miscela quando il pistone è al pms, avremo lo strano effetto che il fronte di fiamma deve inseguire il pistone nella sua discesa, con il non desiderato effetto di perdere la spinta per tutto quel tempo che il fronte di fiamma non ha raggiunto il pistone.

Approfondimento : Regolazione degli anticipi

Questi anticipi dipendono dalla forma delle camme e sono calcolati in fase di progetto ad un preciso regime di rotazione, che normalmente è quello di potenza o coppia massima. E' ovvio che man mano che ci si allontana da questo regime di rotazione preso di riferimento le cose vanno via via peggiorando , fino ad essere persino controproducenti. E' per questo che i motori più moderni hanno sistemi di fasatura variabile in modo da variare gli anticipi ad ogni regime di rotazione, ottimizzando le prestazioni del motore su tutto l'arco di funzionamento.



Forza, Coppia, potenza, e curve caratteristiche


3D animation of a fuel injected V8
3D animation of a injected V8

La Forza

La forza è un concetto abbastanza intuitivo e per questo è difficile darne una definizione esatta. Facendo degli esempi si può pensare che se spingiamo un oggetto lo facciamo applicando una forza, allo stesso modo applichiamo una forza se solleviamo un peso, così come due corpi in contatto si scambiano forze, ecc ecc. Il secondo principio della dinamica concepito da newton alla fine del 1600, chiarisce in modo semplice la reale natura della forza. Questo principio afferma che se si applica una forza ad un corpo questo accelera, cioè cambia la sua velocità. Ad esempio quando in un'automobile si azionano i freni, le gomme trasmettono al veicolo una forza contraria al moto, che fa rallentare il veicolo. Stessa cosa fa il motore che permette di far incrementare la velocità del veicolo. La formula che riassume il secondo principio della dinamica è [ F = m * a ] dove "F" è la forza, "m" è la massa e "a" è l'accelerazione.

La Coppia
E' importante introdurre almeno a livello intuitivo è il concetto di coppia, che detto in modo molto approssimativo, è la forza nelle rotazioni. Infatti se applicando una forza ad un oggetto, questo si sposta nella direzione in cui ho spinto, se applico una coppia ad un oggetto questo inizia a ruotare nel senso in cui applico la coppia. Infatti per imprimere una rotazione, come dice il nome (coppia), sono necessarie 2 forze uguali ma contrapposte e che agiscono su assi distinti (rette d'azione). Quello che conta nella coppia è sia l'entità delle forze che la distanza tra i loro assi, chiamata braccio. E' esattamente come per una leva, si può dare molta forza vicino al fulcro (centro di rotazione della leva) o si può dare poca forza a grande distanza dal fulcro. Quindi quello che viene trasmesso dagli organi ruotanti come quelli presenti in un motore è la coppia e non la potenza. La coppia nel motore si genera (come vedremo) dalla esplosione della benzina che imprime una pressione sul pistone che si trasforma in una coppia , attraverso la biella e l'albero motore che agiscono da leva. Poi la coppia raggiunge le ruote tramite la trasmissione, composta per lo più da organi rotanti. La coppia mette in movimento le ruote le quali aderendo al terreno trasformano la coppia in una forza che fa avanzare il veicolo.


La Potenza
L'energia è la capacità di fare un certo lavoro, come ad esempio la capacità di spostare un oggetto, la potenza invece è l'energia nel tempo, cioè tiene conto della capacità di fornire energia, quindi di fare qualcosa, ma riferita alla velocità con cui questa energia viene fornita, cioè alla velocità con cui viene fatta quella certa operazione. Per capirmi meglio faccio un esempio: poniamo che si abbia una catasta di legna e questa vada spostata portandola da un posto all'altro. Una persona può fare questo semplice operazione prendendo un pezzo di legno alla volta e facendo molti viaggi avanti e indietro fino a che tutta la catasta è stata spostata. Una ruspa invece può prendere tutta la catasta in una volta e portarla a destinazione. L'energia che l'uomo e la ruspa hanno fatto per spostare la catasta è la stessa infatti l'energia è in qualche modo legata all'operazione fatta e entrambi hanno portato a termine con successo l'operazione. Quello che invece cambia è il modo di farlo, infatti la ruspa ci ha messo molto meno tempo ... è ovvio che una ruspa è molto più potente di una persona. La potenza tiene quindi conto della velocità con cui si fa un'azione. Tornando alle automobili potrei fare un'altro paragone dicendo che sia una Panda che una Ferrari sono in grado di raggiungere i 100 Km/h , però una Ferrari che è più potente ci arriva molto prima della Panda.


La Catena di forza e coppie
Combustione:
Trasforma, tramite una reazione chimica, l'energia del combustibile in calore e pressione.

Motore:
Trasforma la pressione generata nella combustione, prima in forza tramite la superficie del cielo del pistone e in coppia tramite la biella e l'albero a gomiti .

Cambio:
Modifica la coppia in arrivo dall'albero a gomiti del motore, in altra coppia però ad un numero di giri sfruttabile da un veicolo.

Trasmissione:
Trasporta, per mezzo di organi rotanti , la coppia in uscita dal cambio verso le ruote, e la ripartisce tra le varie gomme.

La ruota:
Trasforma la coppia che viene dalla trasmissione in forza che spinge il veicolo, e lo fa avanzare.



Legame tra coppia e potenza
La relazione che lega queste grandezze caratteristiche è molto semplice:
La Potenza è la Coppia moltiplicata per il numero di giri, purché espresse nelle unità di misura corrette (Kw,Nm,1/s), che in formula si esprime :

P = C * n

Ad esempio se un motore a 3000 giri/min eroga 50 Nm di coppia , eroga a quel numero di giri circa 21 Cv. Infatti 3000 giri/min equivalgono a 314 1/s per cui P=C*n = 15700 kW = 15.7 Kw, che in Cavalli equivalgono a 21.4. Se lo stesso motore a 5000 giri/min eroga 40 Nm di coppia, eroga a quel numero di giri circa 28 Cv. Infatti 5000 giri/min equivalgono a 524 1/s per cui P=C*n = 20900 kW = 20.9 Kw, che in Cavalli equivalgono a 28.4.

Curve caratteristiche
Come abbiamo visto la coppia e la potenza sono le grandezze più significative delle prestazioni di un motore. Per rappresentare queste due grandezze si usa un grafico come quello a lato in cui si riporta con due curve l'andamento della coppia e della potenza al variare del numero di giri. Queste curve si ottengono da test fatti al motore su opportune apparecchiature dette "banchi prova", in condizioni si gas completamente spalancato, e massimo carico. Ogni motore ha delle curve diverse dagli altri, in ogni caso tutte le curve hanno un andamento simile cioè crescono all'inizio poi raggiungono un massimo e dopo discendono. Per la coppia questo avviene perché quando il motore gira piano, è difficile far entrare la miscela fresca nel cilindro mentre quando il motore ed ad alto numero di giri è difficile far riempire in modo ottimale il cilindro di miscela fresca, perché i gas trovano molta resistenza a fluire velocemente nei condotti, e gli attriti del motore si fanno dominanti. La curva di potenza invece sale quasi sempre, tranne nell'ultimo tratto dove tutti gli organi meccanici del motore vanno così veloci che gli attriti disperdono la maggior parte dell'energia prodotta. E' poi da notare come la curva della potenza cresce con maggior rapidità fino al massimo della coppia in quando in questo tratto crescono sia la coppia che il numero di giri. Successivamente il numero di giri continua ad aumentare mentre la coppia diminuisce e curva di potenza (che è il loro prodotto) tende a spianare fino al massimo. E' intuitivo capire, che la curva di potenza sale praticamente sempre, se si pensa al fatto che all'aumentare del regime di rotazione, aumenta il numero di volte in cui scoppia la miscela fresca in un certo tempo.

In questa figura oltre alle curve di coppia e potenza di un motore reale è riportata anche quella del consumo. E' interessante notare come di solito il consumo minimo si abbia col la farfalla del gas completamente spalancata e ad un numero di giri intorno al punto di coppia massima. Un'altra cosa che si nota è che il punto di coppia massima si ha in corrispondenza del numero di giri in cui la retta che passa per l'origine degli assi tange la curva di potenza.


Coppia, potenza e prestazioni del veicolo
Pensiamo come prima ipotesi, alla condizione in cui l'auto mantiene inalterato il rapporto di trasmissione tra il motore e le ruote, cosa che avviene finché l'auto non cambia marcia. In queste condizioni l'accelerazione del veicolo ha lo stesso andamento della curva di coppia, e questo significa ad esempio che la massima accelerazione si ha in corrispondenza della coppia massima. Allo stesso modo se un'auto ha una curva di coppia migliore di un'altra, accelera di più dell'altra. E' da osservare che una volta impostata una marcia la potenza non conta nulla, e la velocità del veicolo dipende solo dalla coppia erogata dal motore.

Allora a che serve la potenza ? la potenza rispetto alla coppia aggiunge l'informazione del numero di giri a cui la coppia viene erogata, infatti la definizione, come visto, è proprio coppia per numero di giri. Questo implica che avere una potenza maggiore a parità di coppia significa che il motore è in grado di generare quella specifica coppia (e quindi quella specifica forza per far avanzare il veicolo) ad un numero di giri più alto. Questo è un grandissimo vantaggio perché è possibile usare un rapporto di trasmissione più corto (come andare in 3° marcia invece che in 4°),
cioè avere molta più forza che spinge il veicolo a parità di velocità del veicolo. In sintesi avere più potenza permette di avere, alla stessa velocità del veicolo, più coppia alle ruote e quindi maggiore accelerazione.


Quindi quando si progetta un motore da corsa, si cerca di avere più potenza possibile per poter avere più accelerazione possibile, e si cerca di avere un' andamento della curva coppia il più possibile progressivo in modo da non avere strappi o cali.

In questa ottica è quindi poco importante sapere se la potenza deriva da molta coppia a basso numero di giri o poca coppia ad alto numero di giri. E' per questo che due vetture spinte da due motori così diversi come un diesel o un benzina, se hanno la stessa potenza si comportano in modo praticamente identico.
 In realtà la presenza del turbo (ormai sempre presente nei moderni motori diesel) garantisce un'andamento di coppia più ricco ai bassi regimi, rispetto ai benzina, che di solito sono aspirati, con conseguente vantaggio per l'accelerazione del veicolo in fase di ripresa.


La sovralimentazione

La sovralimentazione è un metodo, adoperato nei motori a combustione interna, per ottenere un aumento, anche elevato, della potenza del motore. In pratica come abbiamo visto uno dei limiti dei motori è nella quantità di carburante ed aria che riempie il cilindro prima della compressione e dello scoppio. Infatti nei motori aspirati, è il pistone che con il suo movimento nel cilindro richiama la miscela dall'esterno. Lo scopo della sovralimentazione è quello di utilizzare un marchingegno esterno, ad esempio una pompa, che spari dentro il cilindro una quantità di miscela superiore o spesso molto superiore a quella normale, ottenendo di fatto un notevole incremento del coefficiente di riempimento con il conseguente innalzamento del valore della pme e quindi della potenza utile.

Per realizzare, nella pratica, la sovralimentazione, i metodi sono molteplici, ed assumono vari nomi. Il più usato, efficiente, ed energeticamente furbo è quello basato sul turbo-compressione, così che spesso si parla di turbo per parlare della sovralimentazione in generale.

Il turbo-compressore è un marchingegno che recupera l'energia dai gas combusti espulsi dal motore per poi riutilizzarla per comprimere la miscela in ingresso e poterla così sparare dentro il cilindro. E' costituito da una turbina ed un compressore montati sullo stesso albero che li fanno ruotare alla stessa velocità.
La turbina è un disco munito di palette ed è usata allo scopo di trasformare l'energia dei gas di scarico in energia. Il compressore è simile, come costruzione, ma funziona esattamente all'opposto. Prende energia dalla turbina, tramite l'alberino ed energizza il fluido dandogli pressione e velocità.
 
Questo è il funzionamento schematico e nella sua formulazione più semplice; vediamo ora il tutto in dettaglio, analizzando pregi e difetti.

La turbina e i gas di scarico

I gas di scarico vengono raccolti e convogliati alla turbina, però essa lavora al meglio con un flusso di gas costante, ma i gas di combustione vengono espulsi da ogni cilindro in maniera non continua. Infatti la fase di scarico occupa solo un quarto del ciclo quindi si manifesta per ogni cilindro ogni due giri dell'albero a gomiti .
Per questo motivo per certi motori (ma non per quelli per auto) si inserisce un "serbatoio" di raccolta dei gas di scarico che fa si che i gas entrati in maniera impulsiva, rallentino ed escano da questo come una corrente continua. Questo metodo ha il vantaggio di massimizzare il rendimento della turbina, che è un tipo di macchina adatta a lavorare in condizioni costanti, ma ha due svantaggi evidenti: il primo è che spesso sotto il cofano di una vettura non c'è lo spazio per ospitare questo serbatoio che deve essere di notevoli dimensioni; l'altro svantaggio deriva dal fatto che il serbatoio fa si che la turbina risenta con un grosso ritardo del cambiamento di velocità del motore e quindi non reagisca in maniera pronta alla richiesta di potenza dal motore, per questo motivo tale metodo è usato per motori a regime costante, quali quelli per produzione d'energia.

Nel caso automobilistico gli scarichi vengono convogliati direttamente verso la turbina. Questo purtroppo farà lavorare la turbina in maniera irregolare e quindi meno efficiente ma la risposta sarà sicuramente più immediata, e seguirà, un pò meglio, le richieste del motore. Anche il modo di collegare gli scarichi, tra loro, prima di entrare nella turbina, richiede degli accorgimenti: un ciclo del motore avviene in due giri e ogni cilindro fa una fase di scarico in mezzo giro (di più se consideriamo anticipi di apertura e ritardi di chiusura) quindi se avessimo un solo cilindro avremmo una mandata per solo un quarto del periodo del ciclo e il resto del periodo non avremmo flusso. Se accoppiamo due cilindri le cose già migliorano e ancora meglio con tre cilindri perchè  riusciamo a riempire quasi tutto il ciclo con del flusso.

Spaccato Turbina

Invece se abbiamo più di tre cilindri collegati insieme direttamente si rischia che i flussi interferiscano fra di loro. Cioè può capitare che un cilindro che inizi a scaricare, trovi all'uscita lo scarico di un'altro cilindro che già aveva iniziato la fase di espulsione. Per questo è bene che i cilindri o siano adeguatamente sfasati fra di loro (se sono minori meno di 3) o adottino particolari convogliatori (se sono 4 o più). Ovviamente se i cilindri sono multipli di tre si possono mettere più turbine, ognuna alimentata dai tre cilindri. Ad esempio un 12 cilindri a V, da il massimo con 2 gruppi di turbo-compressori , uno per bancata (BI-turbo), ognuno dei quali alimentati dai 6 cilindri raggruppati in due blocchi di 3 cilindri divisi tra loro dai convogliatori.


L'aria ambiente e il compressore

Per quanto riguarda il lato dell'aspirazione si ha il compressore che aspira aria dall'ambiente e la manda dentro il motore. Nei sistemi un pò più sofisticati, ma oggi praticamente sempre, prima di entrare nella camera di scoppio l'aria compressa passa prima da un "itercooler". Infatti i gas, quando vengono compressi, per loro natura aumentano la loro temperatura. Questa alta temperatura annulla in parte l'effetto della compressione perchè i gas caldi sono più rarefatti. Quindi per evitare questo, si ricorre, appunto, all'intercooler che non altro che uno scambiatore di calore aria-aria: è in pratica come il normale radiatore dell'auto, ma invece di avere al suo interno acqua, ha l'aria appena compressa; l'aria viene così raffreddata fino a circa la temperatura ambiente e può finalmente entrare nel motore.

I Problemi del Turbo-compressore

Come accennato, anche con la soluzione di convogliare gli scarichi verso la turbina non garantisce una perfetta risposta del turbo alle richieste del motore. Infatti il motore e la turbina lavorano secondo un circolo vizioso. Se il guidatore, schiaccia il pedale, perchè ha bisogno di potenza per accelerare, il motore per far questo, deve iniettare più aria e più carburante. L'arrivo dell'aria dipende in buona parte dal compressore, il quale però usa l'energia della turbina che si alimenta dai gas di scarico. Quindi la turbina per fornire più energia al compressore ha bisogno di più gas di scarico, ma questi non si producono se il compressore non alimenta il motore con maggior aria e carburante. Per uscire da questo circolo il motore ha bisogno i qualche istante, così che il guidatore, che richiede potenza se la ritrova dopo un pò, magari quando non serve più tutta quella potenza o addirittura non serve proprio. Questo ritardo che è sempre superiore a quello che può avvenire in un aspirato, in cui è praticamente inavvertibile, può andare da alcuni millisecondi per motori raffinati e che stanno girando ad alto numero di giri, a svariati secondi per motori meno efficienti e che stanno girando a basso numero di giri, generando notevoli inconvenienti, e soprattutto rischi per la sicurezza.

Un'altro problerma è che l'effetto benefico del turbo varia in funzione dei giri del motore, perchè con i giri varia la portata dei gas di scarico prodotti. Se il motore gira piano, produce pochi gas e la turbina non riesce più a prenderene energia, sia perchè appunto l'energia disponibile è poca sia perchè la turbina lavora in condizioni estremamente lontane da quelle ottimali cioè con un rendimento bassissimo. Quindi l'uso del turbo è estremamente utile per i motori da competizione, o per quelli di serie molto sportivi, in quanto da il meglio ad alti regimi di rotazione ed ad alte potenze. Viceversa per i veicoli di serie normali,  ha poco senso utilizzarlo, in quanto, la maggior parte dell'uso del motore viene fatta a bassi regimi.

Oltre a questo chi ha provato, un'auto sovralimentata, specie se di vecchia generazione (ad esempio la FIAT UNO), avrà avvertito un'altro dei suoi problemi. Il fatto è che, l'effetto positivo del  turbo inizia a funzionare solo ad un determinato numero di giri, mentre al disotto di questo il turbo è addirittura un freno. Così si ha che all'inizio , in fase di accelerazione il motore stenta a salire di giri e quando il turbo "entra", sembra che il motore raddoppi improvvisamente di potenza, dando per un' istante una fortissima accelerazione, nota anche col termine "tecnico" di  "calcio in culo" ! E' ben comprensibile che questa brusca accelerazione renda difficile e pericolosa la guida, sia quella di tutti i giorni che quella al limite in pista, e soprattutto se il fondo stradale è bagnato o scivoloso, o se peggio si sta percorrendo una curva. Nelle moto poi questo problema è ancor più sensibile, così che i modelli di moto turbocompresse, da quando esistono le moto, praticamente si contanto sulle punta delle dita.

Per migliorare queste problematiche, sono state inventate le turbine a geometria variabile, nelle quali le alette all'ingresso della turbina cambiano d 'incidenza, cioè ruotano su se stesse, in modo che a bassi giri, i gas abbiano un angolo d'entrata che migliori il funzionamento dalla turbina, cioè il suo rendimento e quindi di tutto il turbo-compressore. Al contrario, per quando l'effetto del turbo è superiore delle richieste del motore, (ad esempio quando dopo un'accelerazione si frena), oltre a poter sfruttare la geometria variabile per far peggiorare le prestazioni della turbina, esiste una valvola che permette di scaricare parte dei gas combusto, abbassando di fatto la pressione nel condotto di aspirazione.

Per sfruttare a pieno le geometrie variabili e per compensare i problemi residui, oggi si ricorre ad un massiccio uso dell'elettronica che fa in automatico quello che farebbe un bravo pilota, permettendo a chiunque di guidare un turbo anche di notevole potenza senza grossi problemi, però peggiorandone, di fatto, l'efficacia, e spesso annullando il fascino di questa soluzione tecnica.

Il turbo nei motori a benzina : luci ed ombre

Nei motori a benzina l'uso del turbo è estremamente limitato dalle caratteristiche chimico- fisiche del carburante, così che il suo impiego per veicoli di serie è in generale poco utile, se non per dare un carattere particolare al propulsore.

Immaginiamo, quindi, di avere un motore aspirato, di applicarci il turbocompressore e di vedere cosa succede. La pressione massima che si raggiunge nel motore a seguito della combustione della miscela, aumenterà sensibilmente, per effetto della sovralimentazine, in quanto viene bruciata, nella camera di combustione, una quantità di carburante e aria superiore. 

Questo comporta, per prima cosa, che il motore subirà sollecitazioni maggiori e probabilmente dannosi così che i motori turbocompressi dovranno essere, in generale, più massicci e quindi più pensati dei corrispondenti motori aspirati a pari cilindrata, ma spesso più leggeri a parità di potenza erogata.

Inoltre avremo vari fenomeni di combustione anomala tra i quali il più grave e preoccupante è quello della detonazione, dovuto soprattutto ad una temperatura e pressione massime troppo elevate. In più la detonazione è totalmente imprevedibile e si auto-alimenta per cui porta in breve tempo alla rottura degli organi meccanici. (vedi pagina specifica)

V : Cilindrata
Vc : Volume camera di combustione
Pa : Pressione atmosferica
Pm : Pressione massima
P'm : Pressione massima per il ciclo sovralimentato
Pd : Pressione di inizio detonazione

Questo limita moltissimo il livello di sovrappressione che può sviluppare il turbo, dato che già i motori aspirati di serie sono tarati al limite della detonazione. La strada giusta da seguire è quella di diminuire il rapporto di compressione del motore, cioè aumentare il volume della camera di combustione, a parità di cilindrata. Agendo in questo modo, la pressione raggiunta quando il pistone è al pms, tornerà ai valori ammissibili. Con questo metodo, si perde un pò di rendimento ideale (che dipende dal rapporto di compressione) ma si incrementa il coefficiente di riempimento, con la conseguenza che globalmente aumenta la pme e quindi la potenza.

Si può vedere dai grafici le due situazioni. Nel primo i due motori hanno lo stesso rapporto di compressione, ma uno è sovralimentato e l'altro no.
Il ciclo aspirato rimane nella zona sicura, mentre il secondo arriva nella zona della detonazione con i problemi visti.
Nel secondo grafico la curva del ciclo ha la stessa altezza massima, ma un rapporto di compressore minore. Entrambi i cicli hanno una pressione massima che è in zona "sicura" ma il ciclo sovralimentato ha un' area maggiore che corrisponde, nella stessa maniera, ad un aumento del lavoro fatto dal motore, e quindi della potenza.

V : Cilindrata
Vc : Volume camera di combustione
Pa : Pressione atmosferica
Pm : Pressione massima
P'm : Pressione massima per il ciclo sovralimentato
Pd : Pressione di inizio detonazione

Il turbo nei motori diesel : tutte luci

Quello che limita l'uso del turbo nel benzina, è invece il grande pregio che ha permesso al motore diesel di fare il salto di qualità diventando, oggi giorno, il motore più venduto in Italia. Infatti nel diesel, la miscela di carburante ed aria, non brucia a seguito dell'innesco tramite scintilla come nel motore a benzina, ma esplode a causa della compressione e della temperatura. E' quindi evidente che più "roba" c'è nel cilindro e più saranno alte le pressioni alla fine della corsa di risalita del pistone. Questo, da una parte, permette di usare il sovralimentatore senza particolari limiti, dall'altro introduce notevolissimi altri vantaggi. In primis la maggior compressione garantisce una maggior velocità di combustione, che significa più potenza, meno inquinati, meno rumore, meno vibrazioni. Poi l'uso del turbo permette dei lavaggi eccellenti e un' ottimo raffreddamento, perchè la sovrappressione generata dal  compressore fa scorrere molta aria nel cilindro durante l'incrocio. Infatti il turbo nei diesel lavora solo con l'aria, mentre il carburante viene vaporizzato direttamente nella camera di combustione tramite uno o più ugelli , quando le valvole sono tutte chiuse. Questa tecnica si chiama iniezione diretta. Poi il turbo permette anche di costruire condotti di aspirazione anche tortuosi ma con il pregio di poter generare alte turbolenze, che garantiscono un'eccellente miscelazione tra il gasolio e l'aria con notevoli benefici per la combustione.
L'unico aspetto negativo dei turbo-diesel moderni è che l'estrema complicazione tecnica di tutti gli organi che devono lavorare in perfetto sincronismo e con possibilità di errori ridottissime, specie per rimanere nei limiti di legge per quanto riguarda le emissioni inquinanti, obbliga ad un uso spaventoso di elettronica che rende questi propulsori, complicati, pesanti, costosi, meno affidabili e nei quali per metterci le mani bisogna essere laureati in elettronica e in informatica.

Il Volumetrico : Poca sostanza, molto marketing

Il compressore volumetrico, oggi usato solo su pochissime vetture (ad esempio le Mercedes col nome commerciale di Kompressor), è un tipo di sovralimentazione inventato e utilizzato per la prima volta agli albori dell'aviazione, per compensare la rarefazione dell'aria in alta quota, ma fu subito abbandonato per i motivi che vedremo. In pratica il compressore è montato sull'albero motore ed assorbe energia da questo e comprime l'aria da inviare ai cilindri. Un piccolo vantaggio come potenza finale si ottiene , ma dal punto di vista energetico e dei consumi, non ha alcun senso utilizzarlo, in quanto per generare la compressione si assorbe l'energia che dovrebbe spingere il motore, invece di quella buttata con i gas di scarico. In pratica il propulsore deve buttare via del carburante per generare la potenza che serve ad ignettare altro carburante. Per capirci meglio faccio un esempio: immaginiamo un motore che è in grado di generare 10 di potenza con 10 di carburante. Gli mettiamo il compressore volumetrico che assorbe 2 di potenza. Il compressore inietta abbastanza carburante (14) da portare la potenza del motore a 14. In totale quindi la potenza disponibile per far avanzare il veicolo è 12, ma usiamo 14 di carburante. Abbiamo quindi ottenuto maggiore potenza ma l'efficienza del propulsore nel suo complesso è diminuita sensibilmente perchè ci vuole 1.17 di carburante per 1 di potenza invece di 1a1.
L'unico vantaggio che ha questo tipo di sovralimentazione rispetto al normale turbo, è che il compressore essendo trascinato dal motore non ha problemi di ritardi o di brusche accelerazioni. In pratica, fornisce un incremento di potenza modesto, ma su tutto l'arco di utilizzo del motore.
Perchè viene usato? La risposta non è facile. Da un lato probabilmente c'è una carenza tecnica nel saper fare motori aspirati di buona qualità, ma soprattutto è una questione di marketing, infatti la pubblicità fa credere che questo sia un sistema rivoluzionario,  innovativo, e raffinato quando invece è una schifezza. Le auto per essere vendute hanno bisogno di un qualche "appil" cioè di qualche carattere distintivo, e con una buna campagna pubblicitaria si fa credere quello che si vuole.

Conclusioni

L'adozione del Turbo-compressore ha in sintesi le seguenti caratteristiche:

 PRO:
- riduce imgombro e peso a parità di potenza sviluppata
- può in generale diminuire i consumi specifici
- rende il motore meno rumoroso
- rende i gas di scarico meno inquinanti
- rende il motore poco sensibile alle variazioni di quota

 CONTRO:
- aumento dei carichi meccanici e termici sugli organi del motore
- porta al pericolo di detonazione nei motori a benzina
- andamenti di coppia e potenza non adatte alla trazione stradale
- lunghi tempi di risposta nei transitori

Quindi l'adozione del turbocompressore, porta a motori solidi, affidabili e alta potenza specifica, ma non particolarmente adatti alla trazione degli autoveicoli.




Logo della F1 usato dal 1987 al 1994

La stagione 1983 è quella dell'addio alle minigonne, le bandelle laterali che costituivano la componente tecnica essenziale delle wing car. Le sfide tecniche della stagione sono ora rappresentate dal c.d. fondo piatto e dai motori turbo. Ora, per ottenere carico aerodinamico, la down force che tiene le vetture incollate al suolo, bisogna puntare esclusivamente sugli alettoni non essendo più possibile sfruttare le wing car con le loro minigonne.

Il 1983 si situa in piena era turbo con propulsori
da 900 cavalli in gara e da 1200 in qualifica.

Nel 1983 la McLaren non avrà una buona stagione, salvo il famoso gran premio di Long Beach con la doppietta Watson-Lauda ... ma in realtà la McLaren è pronta per dominare il 1984. Al salone di Ginevra, infatti, viene presentato il propulsore TAG-Porsche destinato ad equipaggiare la McLaren l'anno seguente. Il motore che segnerà
una svolta per la McLaren, nasce grazie ai finanziamenti di Mansour Ojjeh, già
partner della Williams.

Dunque, il colpo di genio di Ron, fu quello, nel 1983, di convincere la Porsche a costruire un turbo da dare alla McLaren: al mondo non esisteva un costruttore con maggior esperienza della Porsche per quanto riguarda i turbo. Come abbiamo detto già, l'altra mossa geniale di Ron Dennis fu quella di ottenere il sostegno economico della TAG di Ojjeh che entrerà in seguito a far parte come co-proprietario della McLaren International, di cui è azionista ancor oggi.

Sempre in quel periodo, all'inizio del 1984, la McLaren si assicura un uomo dall'esperienza unica nel settore del mondo delle corse (dire f1 sarebbe riduttivo): si tratta del messicano, Jo Ramirez che rimarrà nel team McLaren sino al suo ritiro dalle corse nel 2001 ma che ancor oggi è uno di "famiglia" nel leggendario team inglese. Ramirez assume la qualifica team coordinator: il suo compito attiene all'organizzazione del lavoro quotidiano, alla gestione del lavoro in pista, alla logistica in generale, insomma. Questa divisione dei compiti, lascia quindi libero Dennis di occuparsi solo dell'alta gestione del team, lasciando il prezioso lavoro di tutti i giorni (che va seguito con costanza e totale attenzione minuto per minuto) a Ramirez: anche questa organizzazione, nonchè le qualità umane e professionali del nuovo arrivato, faranno grande la McLaren negli anni seguenti.
La vettura presentava come principale caratteristica l'utilizzo della fibra di carbonio per la realizzazione del telaio, soluzione adottata dalla McLaren sin dal 1981.
A differenza del team anglo-neozelandese, il progettista Gordon Murray utilizzò la fibra di carbonio solo per la parte superiore del telaio, lasciando la parte inferiore in alluminio a nido d'ape, copiando letteralmente la soluzione adottata dalla Ensign nel 1982.

La Brabham BT52Ma anche esternamente, la monoposto era molto diversa rispetto a quella dell'anno precedente.

Le fiancate erano ora molto corte con una disposizione detta "a freccia" che offriva oltre ad una bassa portanza, anche un arretramento dei pesi verso il posteriore. Le sospensioni anteriori presentavano un nuovo schema, a quadrilateri deformabili con puntone diagonale (in inglese detto push-rod) ancorato alla parte bassa del mozzo ruote, che spingeva un bilancere nel telaio per comprimere la molla-ammortizzatore. La monoposto montava pneumatici Michelin.




Il motore era un 4 cilindri in linea BMW denominato M12/13, montato in posizione posteriore longitudinale, la cilindrata era di 1.499 cc e sovralimentato mediante singolo turbocompressore, era capace di sviluppare in gara una potenza di 740 cv con sovrappressione di 3 bar e accreditato della potenza di circa 800 cv durante le qualifiche con una pressione di 3,2 bar.


Torniamo indietro all'83:
A vincere il titolo sarà il primo campione del mondo turbo della storia.
Uno dei team più forti è la Brabham che alle sue spalle ha uno sponsor come la Parmalat. Mentre la McLaren progetta il dominio del 1984, la Brabham con motore turbo BMW è pronta a far suo il titolo del 1983. A contendere il titolo alla Brabham sono la Renault (altri specialisti del turbo) e la Ferrari.

A far suo il titolo piloti del 1983 sarà Piquet con la Brabham BMW (con qualche polemica legata alla benzina usata dalla Brabham), mentre per il 1984 la McLaren attuerà effettivamente il dominio le cui base furono gettate al momento dell'accordo con la Porsche. Il titolo piloti del 1984 è una faccenda a due tra i piloti della McLaren: Lauda contro Prost, alla fine prevale Lauda di 1/2 punto, 72 a 71,5. Terzo è De Angelis con la Lotus Reanult. Una delle stelle di quel mondiale, seppur per una sola gara, fu il giovanissimo Senna che con la Toleman diede spettacolo sotto l'acqua a Montecarlo.
Per quanto riguarda la Coppa costruttori, ad aggiudicarsela per il 1983 è la Ferrari mentre nel 1984 è la McLaren.

Come si può facilmente comprendere, la scelta di abolire le minigonne e l'effetto suolo (una scelta giusta a fronte della pericolosità assurda di quelle vetture) ebbe un impatto importante sulla f1 che vide le squadre impegnate puntare su altre strade tra cui lo sviluppo dei motori turbo. Questo ha costretto le squadre ad appoggiarsi alle grandi case costruttrici per realizzare i motori turbo.

Differenze tra un motore di F1 e un motore di una vettura stradale



testa di un pistone
Le differenze dei motori che equipaggiano le vetture stradali da quelli di una monoposto da F1 sono notevoli. Nonostante l'esistenza di motori con cilindrata superiore a 3 litri (es. Lamborghini Diablo 6.0 da 6 litri), nessuno di questi arriva a potenze di 850 cavalli. Ciò è dovuto sia all'inutilità di queste potenze in città o in autostrada, sia perchè il consumo di benzina sarebbe troppo elevato, per non parlare dei costi esorbitanti e del problema ambiente. Le differenze, comunque si possono notare anche nella realizzazione di un motore da formula 1. In essi ci sono componenti in ceramica e fibre di carbonio che si dilatano meno del ferro alle alte temperature e sono meno pesanti. Naturalmente questi componenti non possono essere utilizzati in parti meccaniche che devono essere resistentissime (albero motore, pistone, ecc.). Sebbene solo il 5% del motore è costituito da questi componenti (infatti 1/3 è realizzato in acciaio e quasi 2/3 in alluminio), essi svolgono un ruolo importante nell'incremento della potenza.
Altre differenze si possono trovare nella distribuzione che di norma è a due alberi a camme in testa, con quatto o cinque valvole per cilindro. L'adozione di due alberi a camme in testa consente di ridurre al minimo assoluto il numero di componenti interposti tra ogni valvola e l'eccentrico che le impartisce il moto.Questo vuol dire che l'inerzia dei componenti in moto alterno risulta minore e che quindi, a parità di sollecitazioni meccaniche, sarà possibile raggiungere regimi di rotazione più elevati.
     Anche nei pistoni si può trovare una differenza d'altezza che è molto ridotta rispetto al diametro, al fine di ridurre il peso e le perdite per attrito,
     sono sempre dotati di ampie sfiancature laterali.
     Anche le bielle spesso sono in titanio, materiale dalle elevatissime caratteristiche meccaniche, che ha un peso molto contenuto ed un costo                      elevatissimo, che ne ha sempre confinato l'uso all'industria aerospaziale o al mondo della F1

Camera di combustione molto appiattita e raccolta; valvole (in titanio) di grandi dimensioni

Per eliminare le deformazioni elastiche anomale delle molle di richiamo delle valvole, si usa un sistema di richiamo pneumatico chiamato "desmodromico". Normalmente le valvole vengono richiamate in posizione di riposo da una molla, mentre nel sistema desmodromico anche il movimento di ritorno viene comandato meccanicamente da un bilanciere, nello stesso tempo in cui si comanda l'apertura della valvola. Questa soluzione che consente di utilizzare alberi a camme che imprimono notevolissime accelerazioni alle valvole sia in fase di apertura che in fase di chiusura. Rispetto a un sistema tradizionale la valvola viaggia a una velocità molto più elevata e impiega quindi meno tempo sia per aprirsi che per chiudersi, favorendo quindi la respirazione del motore. Un altro vantaggio del "desmo" risiede nel minor assorbimento di potenza, in quanto non vi sono molle da comprimere per aprire le valvole e la rotazione dell'albero a camme risulta molto più libera.

La trasmissione Così come le normali auto hanno la frizione, le marce e il differenziale, anche le monoposto sono dotate della trasmissione che però è molto più sofisticata. Basti pensare che deve poter scaricare su due ruote ben 800 hp di potenza.

Frizione Nelle monoposto la frizione è direttamente collegata al motore ed è fissata proprio attraverso il motore e la scatola dei rapporti. Le aziende che producono frizioni sportive sono due: "AP racing" e "Sachs", che producono frizioni in carbonio che devono resistere a temperature elevatissime (500 °C). Per regolamento la frizione deve essere elettro-idraulica e normalmente non pesa più di 1.5 kg. La frizione, essendo quasi automatica, non viene usata manualmente, ma si attiva da sola quando si cambia marcia (sia quando si sale che quando si scala). Solo alla partenza e al pit stop, cioè quando si passa da N alla prima, si utilizza la frizione che oggi, grazie all'elettronica non assolve più quella grande importanza che aveva prima. Infatti alla partenza della gara, per evitare di far slittare le ruote i piloti lasciavano la leva della frizione (è posizionata dietro al volante sotto la leva per salire di rapporto) dolcemente. Oggi invece interviene in ausilio l'elettronica che "limita" la potenza al motore quando le ruote stanno per slittare. La frizione di una monoposto ha una dimensione di circa 100 mm di diametro


I freni

freni incandescenti

Impianto frenante monoposto

Disegno di un disco con relativi componenti

 I freni delle vetture da F1 sono a dir poco stupefacenti. Infatti essi possono rallentare una macchina da 300 km/h a 50 km/h in quattro secondi percorrendo solo 130 metri!!!Nella figura  si vede come i freni Brembo della Minardi siano al massimo tanto che sono diventati incandescenti misurando temperature oltre i 900°C . (la parte nera è quella in cui si trovano le pinze). Normalmente però i freni devono lavorare a temperature di 750°C e devono essere raffreddati rapidamente pena uno spazio di frenata molto più lungo. Tra i freni del semiasse anteriore e quelli del posteriore c'è una netta differenza di surriscaldamento. Infatti i freni anteriori raggiungo temperature più alte rispetto ai freni posteriori. Ciò è dovuto al fatto che in frenata la maggior parte della massa si riversa in avanti e quindi si ripartisce la frenata quasi sempre al 60% in avanti e al 40% al retro. Sotto da sinistra sono stati fotografati i freni anteriori della Ferrari, e quelli posteriori della McLaren del 1998 (notare la differenza di diametro dei freni).

Per le qualifiche solitamente si usano freni molto più sottili del normale per diminuire il peso del veicolo, ma che hanno le stesse capacità di frenare la monoposto. Questi freni, invece, non vengono usati in gara perchè facilmente potrebbero cedere facendo perdere la gara al pilota. In gara si usano freni spessi 28 mm (che è il massimo consentito), mentre in qualifica si usano freni da 21 mm. Il funzionamento dei freni da F1 è lo stesso di quello dei normali freni a disco. Nella foto in alto a sinistra si possono vedere quei forellini nel freno. Essi servono solo a far uscire più rapidamente l'aria calda in modo da raffreddarsi subito.Nell'immagine sottostante si vede come funziona un freno a disco.


Il differenziale

Differenziale

Elemento importantissimo nelle monoposto e in tutti i veicoli a quattro ruote (ad eccezione di go-kart) è il differenziale. Il differenziale è un elemento della trasmissione, disposto tra la scatola del cambio e le ruote motrici, che gioca un ruolo importantissimo nella tenuta di strada in curva. Infatti in una curva la ruota esterna dovrà coprire una distanza maggiore rispetto alla ruota interna: in questo caso, quindi ogni ruota presenterà una diversa velocità di rotazione. Al verificarsi di questa situazione, se le due ruote motrici si trovano entrambi sullo stesso asse di rotazione, questa differenza può non esistere le due ruote possono ruotare alla stessa velocità, causando il pattinamento del veicolo, offrendo quindi una scarsissima tenuta di strada.
Con un differenziale di tipo tradizionale, è possibile evitare questo problema, distribuendo la coppia motrice su ciascuna ruota, in modo che esse possano presentare una diversa velocità di rotazione. Lo svantaggio principale di questo sistema tradizionale deriva, quando le due ruote presentano condizioni di aderenza differenti, poichè in questo caso, la maggior parte della coppia motrice viene distribuita sulla ruota che presenta l'aderenza minore, producendo, quindi, una notevole perdita di energia cinetica. I gruppi differenziale presenti sulle vetture di F1 sono dotati di impianti elettronici, che possono adattarsi a tutte le situazioni, trasferendo, se necessario, parte della coppia motrice della ruota che gira più rapidamente, alla ruota che presenta la maggiore aderenza: in questo caso, parliamo di bloccaggio. Solitamente esistono 5 posizioni di trasferimento di coppia da una ruota all'altra. Nella posizione uno, il differenziale trasferisce solo parte della coppia motrice da una ruota all'altra e la velocità di trasferimento è relativamente bassa (simile al differenziale tradizionale); nella posizione cinque si ha un trasferimento massimo di coppia, con una maggiore velocità di trasferimento che porta, però, ad un'improvvisa perdita di aderenza sull'asse della ruota posteriore, in caso di bloccaggio in curva. I piloti devono trovare un giusto compromesso, nella regolazione di questo sistema, tra l'energia cinetica e la tenuta di strada nelle curve: aumentando il coefficiente di bloccaggio si guadagna motricità, riducendolo si migliora l'aderenza.

L'aerodinamica
I principi base e l'evoluzione nella F1


   

Cos'è l'aerodinamica? Già il nome ci suggerisce che l'aerodinamica è la scienza che studia la dinamica, cioè il movimento, del fluido nel quale si muovono la maggioranza dei mezzi di trasporto costruiti dall'uomo. Perché lo studio di questa scienza è così importante nella progettazione delle automobili ed in particolare di monoposto di F1? Perché l'aria (che si presenta come un gas trasparente difficile da indagare e studiare con semplici strumenti, tanto da rendere necessaria la costruzione di costosissimi impianti quali le gallerie del vento) acquista moltissima importanza quando un corpo si muove in essa, condizionandone pesantemente il moto a causa della resistenza che il fluido esercita sul corpo e delle interazioni reciproche che si vengono a creare (basti pensare ad una piuma che cade a terra molto più lentamente di una sfera di piombo, nonostante la legge di gravitazione universale gli imponga (nel vuoto!) di cadere con la stessa accelerazione di 9,8 m/s2).  E' evidente quindi quanto, fin dai primordi, lo studio aerodinamico sia stato una componente fondamentale della progettazione di auto da corsa e l'importanza di questa componente aumentava con l'incremento delle potenze dei motori e quindi delle velocità massime.

L'inizio


La F1, rappresentando fin dagli esordi nei primi anni '50 la punta di diamante delle competizioni automobilistiche mondiali, dette modo ai progettisti di dare il meglio di sé in ogni settore. In particolare l'aerodinamica assunse subito un ruolo abbastanza importante (nonostante i limiti tecnologici dell'epoca), in quanto, per definizione, le monoposto di F1 hanno il grosso handicap delle ruote scoperte, che rappresentano un notevole freno aerodinamico. Si presentava quindi il problema di trovare una forma per i bolidi che garantisse la miglior penetrazione nell'aria. I primi progettisti non dovettero sforzarsi più di tanto nell'individuare tale forma, dato che era già presente in natura: la goccia.


La leggendaria Auto Union  Type C pilotata da Bernd Rosemeyer al Nürburgring


Seguendo una moda che era già in voga nel periodo fra le due guerre, le fusoliere venivano disegnate con la forma più affusolata possibile, piazzando apposite bombature alle spalle del pilota o nelle fiancate (vedi la D50) in modo da rendere il più possibile laminare il movimento (relativo) dell'aria attorno al corpo vettura e quindi da limitare le turbolenze.

   



La Ferrari D50 (che era in origine un progetto Lancia) vinse il mondiale di F1 nel '56 con Fangio



I primi progettisti non dovettero sforzarsi più di tanto nell'individuare tale forma, dato che era già presente in natura: la goccia.
Seguendo una moda che era già in voga nel periodo fra le due guerre, le fusoliere venivano disegnate con la forma più affusolata possibile,
piazzando apposite bombature alle spalle del pilota o nelle fiancate (vedi la D50) in modo da rendere il più possibile laminare il movimento

(relativo) dell'aria attorno al corpo vettura e quindi da limitare le turbolenze.

Gli anni '60

   

Durante gli anni '60 l'estremizzazione della ricerca della massima penetrazione aerodinamica portò alla progettazione di macchine sempre più lunghe (anche a causa del motore posteriore), e sottili, con la posizione del pilota sempre più sdraiata, tanto da rendere celebre la loro forma a "sigaro".

Lotus 33 Climax

Il compianto Jim Clark con la mitica Lotus 33

 



La Lotus 33 è una vettura monoposto impiegata in Formula 1, progettata da Colin Chapman e costruita dal Team Lotus. Il progetto si basava sulla precedente Lotus 25 portando la progettazione del telaio monoscocca ad un nuovo livello. Sulla 33 veniva usato nuovamente il motore Climax da 1.500 cm³. La Lotus 33 era quasi identica alla 25 anche se aveva il progetto delle sospensioni realizzato intorno ai nuovi e più grandi pneumatici. Inoltre era più rigida e di costruzione meno complessa delle vetture precedenti.

Realizzata per la stagione 1965, la 33 vinse con Jim Clark alla prima gara che si tenne in Sudafrica. Durante la stagione la Lotus 33 vinse altre quattro volte conquistando così il secondo titolo. Clark non partecipò alla gara di Monaco, gara mai vinta da Clark, per correre alla 500 miglia di Indianapolis dove arrivò primo. Rispetto al motore della Lotus 25 il nuovo Climax aveva una potenza massima di 215-220 hp contro i circa 200 della versione precedente. La potenza maggiore venne ottenuta a scapito dell'affidabilità e Clark fu costretto al ritiro tre volte durante la stagione 1965. Fortunatamente per lui questi ritiri non compromisero la sua corsa al titolo. La 33 venne utilizzata anche con il motore Climax V8 dalla cilindrata portata a 2 litri grazie ad un alesaggio superiore e venne utilizzata per le prime gare della stagione 1966 fino a quando non venne preparata la Lotus 43 con il motore BRM da 3 litri.

La Lotus 33 prese parte, sempre con Jim Clark alla guida, anche a competizioni esterne al campionato del mondo e nel 1967 vinse la Tasman Cup.



Brabham BT20 Repco
La Brabham BT20 è un'autovettura da Formula 1 realizzata dalla Brabham nel 1966.
La BT20 fu sviluppata da Jack Brabham e Ron Tauranac ed era dotata di un telaio spaceframe multi-tubolare in alluminio ricoperto da una carrozzeria in fibra di vetro. Il propulsore che la equipaggiava era un Repco V8 3.0 da 311 cv di potenza derivato da un modello creato dalla Oldsmobile.
Jack Brabham

Ma nel '67 su molte vetture comparvero delle appendici che avrebbero stravolto la forma delle monoposto negli anni a venire: le ali. L'introduzione delle appendici alari, sfruttando la notevole spinta in basso prodotta, permise di incrementare notevolmente le velocità di percorrenza delle curve e il problema derivante dalla notevole resistenza all'aria che tali appendici generavano venne quasi subito superata introducendo gli alettoni mobili. Queste appendici evolute venivano regolate direttamente dal pilota in corsa, il quale, agendo su una leva, le inclinava prima della frenata per rallentare più efficacemente, percorreva la curva velocemente, sfruttando la maggior aderenza sull'asfalto e una volta nel rettilineo posizionava l'ala in orizzontale, così da minimizzare il freno aerodinamico e sfruttare appieno la potenza del motore. Tuttavia lo scarso livello della tecnologia dell'epoca e anche l'impossibilità di evitare guasti ad un così delicato meccanismo, causarono numerosi tragici eventi, che culminarono con un drammatico incidente nel GP di Spagna del '69, dove cedettero le ali sulle Lotus di Rindt e Hill. Per la prima volta il potere sportivo impose dei limiti sull'aerodinamica delle vetture imponendo delle ali fisse. 


Jack Brabham - 1967 Test  Brabham BT24

La vettura aveva in dotazione il medesimo propulsore che equipaggiava le precedenti BT19 e BT20, e cioè il Repco V8 620, il quale era però stato potenziato con diverse migliorie per ottenere una potenza di 350 cv. Le migliorie comprendevano un nuovo basamento e nuove testate, e queste ultime furono realizzate in configurazione uniflow, in quanto i condotti di aspirazione e di scarico si trovavano localizzati nella medesima parte. Le testate erano piatte e le camere di combustione erano ricavate direttamente nel cielo dei pistoni. Queste, denominate Heron, vennero impiegate per la prima volta su questa vettura ed ebbero una bona notorietà successiva. La distribuzione era nuovamente monoalbero con comando a catena e punterie a bicchiere e due valvole parallele per ogni cilindro. Queste ultime avevano un diametro di 43 mm per quanto riguarda quelle di aspirazione e 34 per quelle di scarico. Gli scarichi fuoriuscivano dalle testate nella zona rivolta verso il centro della V formata dalle due bancate di cilindri. Il telaio tubolare era formato da un traliccio di tubi.

 GLI INIZI

La stagione 1970 si apre con una certezza: l’aerodinamica. Temperate le iniziali esuberanze grazie ai nuovi regolamenti, l’aerodinamica, o meglio il suo corretto sfruttamento, diventano la nuova frontiera della ricerca applicata alle corse.

Il concetto di deportanza rivoluzionò la concezione delle corse. Fino a quel momento le vetture da corsa dovevano essere fondamentalmente veloci, il più veloci possibile, per raggiungere la massima velocità nei rettilinei, che erano la parte predominante di ogni circuito. Velocità dell’ordine di 340 km/h erano state raggiunte sui circuiti più veloci già negli anni ’30, e si dovrà aspettare il 1982 perché vengano raggiunte di nuovo. Le monoposto però, fino all’avvento dell’aerodinamica, dovevano rallentare in maniera radicale per affrontare le curve. In questo modo la differenza fra velocità massima e velocità di percorrenza delle curve era enorme. Si pensi che le Auto Union del 1936 disponevano di 520 HP e di velocità di punta dell’ordine dei 345 km/h. Su di un circuito velocissimo come Monza, un giro era percorso alla media di circa 180 km/h. Trent’anni dopo le monoposto, con circa 330-350 cavalli, e velocità massime non superiori ai 280 km/h, giravano su quel circuito ad una media di circa 200 km/h. Con l’avvento dei dispositivi aerodinamici, nel 1969 le monoposto migliori, con circa 420 HP ed una velocità  massima non superiore ai 270 km/h, girarono a Monza a 236 km/h di media. Questi dati devono essere valutati in termini di efficienza globale. Un motore potentissimo poteva essere usato per andare forte in rettilineo, ma la velocità in curva restava subordinata all’aderenza al suolo. Questa, a sua volta, era legata alla sezione dei pneumatici, al loro coefficiente di attrito, alla capacità delle sospensioni di tenere il pneumatico aderente al suolo. Questi fattori erano, fino all’avvento delle appendici aerodinamiche, evidentemente bassi, perché la velocità di percorrenza della curva rimaneva molto distante dalla velocità massima che la vettura poteva sviluppare in rettilineo. Il ricorso ai dispositivi aerodinamici ha quindi permesso di ridurre in modo drastico la differenza fra velocità massima e velocità di percorrenza delle curve. Si era quindi verificato un paradosso: il tempo guadagnato in rettilineo da una vettura velocissima, ma lenta nelle curve, era inferiore al tempo guadagnato da una vettura lenta in rettilineo ma veloce nelle curve. A questa nuova concezione delle corse automobilistiche verrà subordinata tutta l’evoluzione dello sport motoristico, fino ai nostri giorni
Vediamo ora in dettaglio come la ricerca aerodinamica ha influenzato lo sviluppo di tutti i settori.



1-TELAI La spinta aerodinamica verso il basso, ottenibile con gli alettoni, poté essere subito quantificata nell’ordine delle centinaia di chili. Questo peso ‘virtuale’ aumenta e diminuisce in funzione della velocità, per sparire a vettura ferma. Ciò nonostante, quando una vettura si muove ad alta velocità, é effettivamente sottoposta a questo carico aggiuntivo. Lo sviluppo telaistico quindi mirò prima di tutto all’ottenimento della necessaria robustezza senza andare a scapito del peso reale. E’ infatti noto che le prestazioni di una vettura, intese come possibiltà di accelerare e frenare in tempi (e quindi spazi) brevi, sono innanzitutto influenzate dal rapporto peso/potenza (o kg/HP). Le monoscocche di prima generazione (del tipo Lotus 25), composte da pannelli di lega leggera rivettati su ordinate di magnesio o leghe leggere, erano ormai superate. Lo sviluppo dei telai delle F.1 si rivolse naturalmente alla industria aeronautica, dove il peso è da sempre il nemico principale. All’inizio degli anni ’70 si vide l’avvento delle prime scocche in scatolato in lega di alluminio, di chiara derivazione aeronautica (Vedi Fig. 5).

La crescente velocità di percorrenza delle curve sottoponeva il telaio a forze di torsione sempre più alte, spingendo i costruttori a sofisticati calcoli per determinare le forze torsionali e trovare il modo di contrastarle. La rivettatura dei pannelli si rivelò anch’essa superata, e verso il 1975 apparvero i primi esempi di scocche incollate con i collanti anaerobici di recente messa a punto. La tappa successiva fu il ricorso ai materiali compositi, anch’essi di derivazione aeronautica, costituiti da pelli metalliche incollate su una struttura alveolare. La prima scocca di questo tipo (McLaren, 1976) era composta da pannelli di pelli di alluminio incollate su di uno strato di legno di balsa. La rapida evoluzione dei compositi portò all’adozione dello honeycomb, struttura composta dalle solite pelli di alluminio incollate su di una matrice di cellette esagonali (come negli alveari, da cui il nome). Questi nuovi materiali hanno permesso di ottenere telai leggerissimi (una scocca nuda di quel periodo poteva pesare circa 70 kg) ed allo stesso tempo estremamente rigidi. Nonostante questi miglioramenti strutturali, il tipo di telaio in uso fino al 1970 ricalcava le forme di quelli degli anni sessanta, essendo invariabilmente caratterizzato dal radiatore frontale e da serbatoi del carburante laterali (che furono all’origine di molti incidenti a causa della facilità all’incendio). Colin Chapman presentò nel 1970 la sua Lotus 72, monoposto assolutamente rivoluzionaria per varie ragioni. Essa aveva infatti

- forma a cuneo, coi radiatori sdoppiati laterali al posto di guida
- ripartizione dei pesi con preponderanza al posteriore, per favorire la trazione
- sospensioni a flessibiltà variabile (v.2.2.)
- freni anteriori entrobordo (v. 2.3.) per diminuire le masse non
- alettone posteriore in più profili, per migliorare il rapporto fra deportanza e resistenza

Come la Lotus 25 aveva rivoluzionato la formula 1 nel 1962, così la F.1 non poté essere più la stessa dopo la Lotus 72. Anche se alcuni costruttori impiegheranno anni a convincersi della bontà della formula (Ferrari adotterà i radiatori laterali solo nel 1974) la strada del futuro era quella indicata dalla Lotus 72, come confermato dalle venti vittorie in Gran Premio, due titoli piloti (Rindt 1970 e Fittipaldi 1972) ed un titolo Costruttori ( 1972). Un’altra monoposto innovativa del 1970 é stata la ferrari 312B progettata da Mauro Forghieri. Fedele al 12 cilindri, dopo le deludenti prestazioni del precedente V-12 a 60° (che in quattro anni vinse solo tre G.P.) la casa modenese passò ad un inedito 12 cilindri a 180°, detto (impropriamente) boxer. Questo motore, che gareggerà in varie versioni per più di dieci anni, aveva fin dall’inizio una notevole potenza (450 HP, cioè 150 HP/litro nel 1970) ed il vantaggio di spostare in basso il baricentro. Nonostante il resto della vettura fosse abbastanza tradizionale (radiatore anteriore, sospensioni convenzionali, per quanto con ammortizzatori interni alla scocca) la 312B fu l’unica monoposto a opporsi regolarmente alla Lotus 72. I suoi punti di forza erano l’ottima omogeneità, dovuta appunto al baricentro basso, un’ottima distribuzione dei pesi e una grande potenza disponibile. Vinse quattro Gran Premi nel 1970 con Ickx e Regazzoni.


2 -  MOTORI.

Come già detto, gli anni ‘70 furono dominati da due motori: il Ford Cosworth V8 ed il Ferrari 12 boxer. Alcune vittorie andarono anche ad altri V-12: il Matra francese ed il B.R.M. inglese. L’evoluzione dei motori passò per l’ottimizzazione di iniezione (sempre di tipo indiretto e meccanico dell’inglese Lucas), accensione (di tipo elettronico senza contatti), e della fasatura della distribuzione. Questi miglioramenti portarono ad un costante, sebbene non spettacolare, aumento del regime di rotazione e quindi della potenza disponibile. Il boxer Ferrari ad esempio, passò dai 450 HP (150 HP/litro) a 11.000 g/m nel 1970 ai circa 520 HP (174 HP/litro) a 12.300 nel 1980. Il Cosworth V8 dai 400 HP 134 HP/litro) a 9750 g/m nel 1966 ai 490 HP (164 HP/litro) a 10800 g/m nel 1979. Nonostante la maggior potenza, i V-12 furono sempre penalizzati da maggior peso, maggior consumo, minore elasticità a basso regime.

E’ infine doveroso segnalare il tentativo della Lotus di fare correre, nel 1970, una monoposto a turbina, la 56B. Questa monoposto era derivata dalla Tipo 56 che, nel 1968, aveva ridicolizzato i rivali americani alla 500 miglia di Indianapolis, dove si ritirò a una ventina giri dalla fine, dopo avere guadagnato un vantaggio incolmabile. Dotata di una turbina Pratt & Whitney di derivazione aeronautica e della trazione integrale, nelle mani di Emerson Fittipaldi corse alcuni Gran Premi, senza grandi risultati, prima di essere bandita dalla CSI.