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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.



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.

Passiamo ora ad analizzare gli altri due propulsori, quello Ferrari e quello Renault.

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.

Dei 3 motori utilizzati nel 2014, il Renault Energy F1 2014 è quello che ha la disposizione più “classica” degli elementi: turbina e compressore sono infatti solidali, con l’MGU – H che è attaccato al gruppo del turbo. Una sistemazione, questa, che sollecita meno l’alberino di trasmissione che lega turbina e compressore, ma che invece sottopone il blocco turbo – MGU-H ad un maggiore stress termico, con temperature nell’ordine dei 1000°. Ed è questo il motivo per cui, durante i test di Jerez del 2014, i team motorizzati Renault “fondevano” motori come se piovesse: le alte temperature di esercizio hanno imposto diversi cambiamenti alle varie Scuderie, con la Red Bull che ha dovuto, ad esempio, installare degli scambiatori di calore addizionali per permettere alla PU Renault di funzionare al meglio. In più, così come per la PU Ferrari, la turbina era di dimensioni minori rispetto al propulsore Mercedes. Ecco perchè sostanzialmente le prestazioni velocistiche dei team motorizzati Ferrari e di quelli Renault erano simili: simili nella loro siderale inferiorità rispetto ai team motorizzati Mercedes. 

Sarà questa la situazione che avremo anche nel 2015? Le nuove deroghe regolamentari chieste (ed ottenute) da Ferrari e Renault mirano proprio ad evitare che possa ripetersi un tale strapotere. O quantomeno che, una volta capiti i difetti del proprio progetto e i punti di forza di quello dell’avversario, si possa cercare di recuperare terreno.



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