ALA ANTERIORE: STRUTTURA IN MATERIALE COMPOSITO

L’ala anteriore, come sappiamo, è
un elemento di fondamentale importanza aerodinamica, ma è di fatto anche un
elemento strutturale. Ciò significa che i progettisti devono dimensionarla
massimizzando il carico aerodinamico ma in modo che essa riesca a sopportare
efficacemente le sollecitazioni a cui è soggetta.

L’ala è legata al muso da due
piloni che sono gli unici elementi di sostegno. Dunque tutte le sollecitazioni
che si generano, vanno a caricarli per poi scaricarsi lungo il corpo vettura.

Tali sollecitazioni
sono dovute alle forze, resistente e deportante, di natura aerodinamica. La
prima, orizzontale, si oppone al moto della vettura; la seconda, in direzione
verticale, aumenta l’aderenza della vettura con la pista e viene ampliata con
il miglioramento delle prestazioni dell’ala anteriore.

Da un
punto di vista dinamico la forza resistente vale Fr=1/2 Cr ρv^2 A, mentre
quella di deportanza è   Fp=1/2 Cp ρv^2 A,, dove 1/2 ρv^2  è la pressione
dinamica, A la sezione frontale, cioè
la proiezione della superficie del corpo sul piano verticale,   e Cp e Cr  sono i
coefficienti di portanza e di resistenza che dipendono dallo stato di moto del fluido.

Quando la vettura
effettua una curva, è soggetta a sollecitazioni laterali molto intense, dovute
alla forza centrifuga con corrispondenti accelerazioni laterali che possono
raggiungere anche i 5G!

Per permettere la curva si ha una
torsione del telaio, che ovviamente viene trasferita anche all’ala attraverso i
due sostegni verticali.

Oltre
a ciò, si innescano forti vibrazioni, dovute a urti, ad esempio quando la
monoposto passa sopra i cordoli (circostanza assai frequente), ma dovute anche
al normale rotolamento delle ruote sull’asfalto, a causa delle asperità della
superficie stradale.

Tutte queste sollecitazioni si
ripetono durante tutti i giri di pista con cicli molto rapidi di carico e
scarico, che inducono nell’ala forti stati di stress con possibili rotture per
fatica di parti della stessa.

Durante la progettazione
dell’elemento ovviamente, tutte queste sollecitazioni devono essere
quantificate in modo preciso, facendo uso di raffinate simulazioni
computazionali e verifiche in galleria del vento. Una volta stimati i valori
numerici delle forze che andranno a caricare l’ala, si dovrà procedere al suo
dimensionamento, tenendo conto dei parametri dimensionali e di sicurezza
imposti dalla FIA.

Un ruolo fondamentale è giocato
dal materiale usato per la costruzione, che andrà ad incidere in maniera importante
sulle prestazioni strutturali.

In F1 dal 1981, anno in cui per
la prima volta la scuderia McLaren ha usato la fibra di carbonio nel telaio
della propria vettura, tale materiale si è diffuso sempre di più, fino ad
essere utilizzato nelle più recenti vetture per più del 60% della massa
complessiva.

Questo materiale è un materiale
composito, cioè è costituito da più materiali semplici. Infatti ci sono delle
fibre di rinforzo intrecciate tra loro per formare un tessuto, immerse e legate
insieme da una matrice polimerica.

Le fibre si ottengono dall’unione
di migliaia di filamenti di forma cilindrica dal diametro di 5-8 µm. Nel caso
delle fibre di carbonio, i filamenti derivano da residui dei prodotti del
petrolio, che vengono prima ossidati a 300°C e poi riscaldati fino a 1500°C.

La matrice, che può essere di
diversi materiali, ha la funzione di collegare tra loro le fibre mantenendole però
separate le une dalle altre. Questo perché spesso le fibre sono fragili a
rottura, quindi se il tessuto fosse costituito da fibre attaccate tra loro, la
possibilità di rottura verrebbe moltiplicata. Le fibre immerse nella matrice
vengono intrecciate, con diverse combinazioni, ottenendo così un vero e proprio
tessuto.

Con una lavorazione
come quella descritta si ottengo degli strati caratterizzati da una forte anisotropia. Ciò significa che il
materiale, sotto carico, ha un comportamento diverso a seconda della direzione.
Prendiamo ad esempio una sfera sottoposta ad un carico. Se la sfera è di materiale
isotropo, come accade ad esempio per i metalli, si deforma in maniera
simmetrica in un ellissoide, i cui assi coincidono con le direzioni principali,
cioè quelle direzioni in cui le tensioni normali del corpo sono massime.  Se la sfera, al contrario, ha un
comportamento anisotropo l’ellissoide che si ottiene a deformazione raggiunta,
risulta inclinato rispetto al solito sistema di tensioni, per la presenza di
scorrimenti angolari.                 

I parametri che rappresentano le
proprietà meccaniche del materiale derivano da relazioni con i parametri della
matrice e delle fibre. Ad esempio il modulo elastico longitudinale El ,
che è il rapporto tra la sforzo e la deformazione che subisce il materiale in
direzione longitudinale, si ottiene come combinazione dei moduli elastici delle
fibre Ef  e della matrice
Em,
cioè  El = VfEf + VmEm
, dove le quantità Vf  , Vm
 sono i rapporti volumetrici
delle fibre e della matrice, ovvero il rapporto fra il volume delle
fibre/matrice e il volume totale.

 Come si può
capire, nella progettazione di strutture in materiale composito si presenta una
notevole complicazione dovuta al comportamento anisotropo del materiale;
infatti la resistenza ai carichi in una parte della struttura non è garantita
in un’altra, seppur simmetrica, che può reagire in maniera differente.

Tale complessità, rappresenta però anche un vantaggio.
Infatti l’anisotropia è dovuta per la maggior parte alle diverse inclinazioni
che le fibre occupano per formare il tessuto, cioè modificando la reciproca
inclinazione delle fibre si ottengono comportamenti diversi. In questo modo è
possibile adattare il comportamento del materiale alle specifiche
sollecitazioni a cui quella particolare struttura è sottoposta.

L’utilizzo di materiali compositi porta, inoltre, a valori
maggiori in termini di rigidezza, soprattutto torsionale, permettendo alla
struttura di sopportare carichi più elevati prima di rompersi rispetto ai
metalli comuni.

Tali considerazioni, ovviamente, valgono per tutti gli
elementi strutturali presenti in una vettura, ma la resistenza ai carichi
dell’ala anteriore, nonostante non sia il principale fattore che entra in gioco
nella progettazione della stessa, che deve per prima cosa generare un corretto
carico aerodinamico, risulta essere molto importante. 

Durante l’ultimo GP d’Ungheria,
abbiamo assistito a ben due cedimenti strutturali ai piloni dell’ala anteriore,
prima di Raikkonen nelle prove libere e poi di Hulkenberg durante la gara, che
oltre a minacciare la sicurezza del pilota ha rischiato di compromettere la
vittoria di Vettel.

Nonostante in entrambi i casi il cedimento dei piloni
fosse dovuto a forti vibrazioni, causate dal passaggio sui cordoli, quindi
probabilmente circoscritti alle particolari condizioni di quella pista, sarebbe
forse il caso di inserire nel regolamenti tecnico norme più precise sulla
resistenza strutturale dell’ala, per scongiurare futuri episodi che possono minacciare
la sicurezza dei piloti.

di Ivan Crepaldi