Una breve analisi dei musi delle F1 degli ultimi anni.

In attesa di vedere le prime vetture di questa stagione e visto il proliferarsi in rete di varie versioni di muso delle future monoposto di Formula 1, andiamo, attraverso questo post, ad analizzare alcune soluzioni di muso che si sono viste nel mondiale di F.1 negli ultimi anni. 
Il regolamento varato per la stagione 2009, è stato, come più volte rimarcato, una delle più grandi  rivoluzioni in termini regolamentari che ha riguardato la Formula 1, degli ultimi 30 anni, cioè dall'imposizione del fondo piatto al posto delle minigonne e dei fondi ad ala rovesciata.Più volte nei nostri post abbiamo ricordato la “rivoluzione” imposta dal regolamento tecnico all'ala anteriore ed oggi volevamo soffermarci, invece, sulla forma dei musi, che hanno caratterizzato le vetture nel corso degli ultimi anni, sia nella parte superiore, sia nella parte inferiore.
Il muso ha principalmente 3 funzioni:1)   Sostenere l'ala anteriore, sopportandone i carichi aerodinamici e trasmetterli al telaio2)   Fungere da struttura deformabile di sicurezza al telaio in caso di urto frontale o diagonale3)   Incanalare l'aria al di sotto della vettura nella maniera più opportuna, disturbando il flusso d'aria il meno possibile.
Il regolamento pre 2009, prevedeva moltissima libertà per il muso, rispettando i limiti della centina del telaio anteriore aveva una larghezza massima di 50 cm e uno sbalzo di 120 cm massimi dall'asse anteriore.
L'ala anteriore a sua volta doveva essere inglobata in 3 semplicissime forme: una zona centrale che andava verticalmente dal piano di riferimento fino a un'altezza di +25 (fino al 2000), +30 (dal 2001 al 2004), +35 (dal 2005 fino al 2008), larga 50 cm e profonda massimo 85 cm, e due volumi laterali, simmetrici di 20 cm di altezza )posizionati tra +5,+10,+15 e +25,+30+35 dal piano di riferimento, larghi da +25 a +70 cm dal piano di mezzeria, e profondi 55 cm. Dentro questi volumi le forme erano completamente libere.
L'aspetto più importante che intendo sottolineare è però la zona centrale: per l'ennesimo buco regolamentare, la zona dell'ala a 25 cm dal piano di mezzeria (quindi da entrambe le parti) era stato lasciato libero in altezza, per cui si poteva posizionare l'ala in basso fino al piano di riferimento, e per di più poteva anche essere estesa in avanti fino ai 120 cm di sbalzo concessi per il muso.
Si sono così avute le forme più estreme per sfruttare al massimo questa concessione regolamentare, man mano che nel corso degli anni si è alzata sempre più l'ala dal suolo, vediamo nelle prossime immagini, degli esempi di esasperazioni dell'ala anteriore tutti appartenenti alla stagione 2008.
La Renault 2008 con una zona centrale molto squadrata, con addirittura i piloni di supporto spostati orizzontalmente, a dimostrazione anche di quanto questo muso fosse basso rispetto al suolo:Ferrari: con un'ala molto a V nella parte centrale allungata in avanti, si noti anche lo scavo della parte di muso sotto la scritta ABU DHABI a dimostrazione di quanto fosse a U la parete inferiore di questo muso, che successivamente ospitò il famoso “buco” che altro non era che una presa per “usare” un flusso d'aria ad alta pressione:Non ultima la Mp4/23 dal muso abbastanza alto, che in alcune gare (quelle su piste da massimo carico aerodinamico come Budapest e Singapore da cui sono tratte le foto) ha sfoderato un alettone anteriore a ben 4 profili con corda considerevole con in più un 5° flap centrale, esattamente sotto il cono del muso:

Si nota che il muso su queste monoposto sebbene non ci fosse nessun limite in altezza (neppure i 65 cm imposti per la prima volta nel 2011) era relativamente in basso, diciamo ad un altezza che nel caso della McLaren si può stimare (dalle precedenti foto) a 25-30 cm dal piano di riferimento, mentre per la Renault è stimabile in 20-25 cm infine per la Ferrari si può stimare un'altezza di 30-35 cm sempre dal piano di riferimento.
Ricordiamo, che la maggior parte delle monoposto 2012 e 2013 aveva questa altezza in circa 55 cm concessi dal regolamento, mentre nel 2011 si poteva stimare anche 60 cm dal piano di riferimento, con il limite fissato a 65 cm. Ci si potrebbe perciò chiedere che cosa abbia causato questo considerevole innalzamento dei musi; cercheremo qui di seguito dare qualche spiegazione al riguardo.
La zona centrale dell'ala, quando era libera, essendo molto vicina al suolo e di dimensioni molto generose veniva sfruttata moltissimo per posizionare profili alari con corde alari molto grandi, come è evidente dalle foto appena presentate. Addirittura è capitato, (Monza 2008), che la ferrari usasse un flap che nella parte centrale dell'ala possedeva una corda molto maggiore delle altre pari del flap, come appare evidente nella seguente figura:

Foto Ferrari by Ercole Colombo

L'uso, nella parte centrale dell'ala, di ali e profili alari molto grandi ha delle conseguenze evidenti sulla forma del muso, che si cercherà di analizzare nelle prossime figure:
I musi fino al 2008 dovevano perciò essere bassi e con andamento a salire nella parte in corrispondenza del bordo di uscita del flap; questo per evitare che il flusso d'aria uscente dell'ala, costretto a deviare direzione rapidamente, impattasse violentemente contro la parte inferiore del cono del muso creando una zona di forte pressione sotto il muso stesso creando un effetto di sollevamento non voluto. Questa zona a pressione elevate avrebbe avuto inoltre un' altra importante conseguenza sull' ala stessa: con tutta probabilità si verrebbe a creare una separazione dello strato limite che lambisce la parte terminale dei flap, con conseguente riduzione del carico generato dall'intera ala.Con una forma invece a salire o comunque piatta ma con una sezione a U o a V del cono del muso nella parte inferiore, come evidenziato nell'immagine del muso della f2008, questo effetto veniva in parte mitigato, così anche l'uso di un foro sotto al cono del muso (Ferrari 2008).

Negli ultimi anni invece essendo variata, per regolamento, la parte di ala in corrispondenza del muso (cioè nei 50 cm centrali) il flusso d'aria non è più così inclinato verso l'alto come in passato per la mancanza dei flap, per cui non vi è l'esigenza di avere dei musi bassi con andamento a salire come in passato.In compenso, per allontanare (e quindi disturbare di meno l'andamento del flusso d'aria che investe l'ala anteriore)  il muso dall'ala ci si è spinti molto in là con musi molto alti, fino al limite di 65 cm come nel 2011.
Cosa succederebbe se si usasse un muso 2013 con un'ala tipo 2008? Lo vediamo illustrato nella seguente figura:


Come si vede da questa figura, l'uso di un'ala 2008 con un muso 2013 creerebbe una zona di forte pressione sotto il muso stesso, con un effetto di sollevamento assolutamente dannoso. In più la presenza di una zona a forte pressione a valle dell'ala indurrebbe una separazione dello strato limite che lambisce la parte terminale dei flap dell'ala, causando una forte riduzione di carico come detto anche in precedenza.Basterebbe quindi, per limitare “spontaneamente” l'altezza dei musi, tornare ad avere una zona centrale dell'ala dotata di uno o due flap, magari di altezza e corda ridotta e limitata.Sempre alla ricerca di carico aerodinamico, da qualsiasi cm di superficie di carrozzeria, i tecnici di F1 hanno trovato un modo anche per recuperare un po' di carico aerodinamico anche dalla parte centrale dell'ala. Il primo metodo è stato quello di posizionare le telecamere in quella zona, con la scusa che questi oggetti potevano essere posizionati liberamente su tutto il muso, molte team hanno scelto di posizionare le telecamere all'interno dei 50 cm centrali dell'ala con lo scopo di rendere asimmetrico il cammino delle particelle di aria che investono l'ala.Un'altra soluzione tentata per recuperare ancora più carico, è stata quella di usare una specie di splitter nella parte inferiore del muso, (Mclaren 2010-2011-2012, e Williams 2009). Questa soluzione, si vede bene dalla seguenti foto, ha una conformazione tale da far “risalire” il flusso d'aria che investe la parte centrale dell'ala, in modo da creare un percorso differente per le particelle di fluido che passano superiormente e inferiormente alla parte centrale dell'ala. L'effetto come detto è un lieve incremento di carico, a fronte però probabilmente di un po' di resistenza aggiuntiva dovuto all'effetto bloccaggio in una zona delicata all'interno delle ruote anteriori. La soluzione è stata poi abbandonata definitivamente all'inizio del 2012, non ha neppure prodotto proseliti, per cui evidentemente non produce così tanti vantaggi.



 Una soluzione altrettanto interessante prodotta negli ultimi anni, è stata quella porre sotto al muso una protuberanza, a forma di marsupio. Questa soluzione è nata nel lontano 2001, ad opera della BAR Honda, e successivamente ripresa dalla Ferrari nella poco fortunata F 2005. Nel seguito qualche foto di queste due monoposto:

foto Ferrari by Ercole Colombo

In queste due monoposto si vede come la parte inferiore del muso appare ingrossata; lo scopo di tale soluzione è quella di “rompere” la zona di alta pressione che si forma sotto il cono centrale del muso e di deviare la traiettorie delle particelle d'aria che seguono il profilo inferiore del muso, facendole assumere una traiettoria con andamento verso l'alto.Negli ultimi anni questa tendenza si è resa ancora più necessaria a causa della presenza di una zona molto ampia tra muso e ala. L'uso nel 2014 e per i prossimi anni, di musi molto più vicini al suolo, ha inoltre dato ancora molta più spinta a questa soluzione che ha alcuni vantaggi.Cerchiamo adesso di capirne quindi il funzionamento.Come si vede dalle prossime immagini, il flusso d'aria che investe la parte inferiore del muso dopo aver deviato verso il basso in prossimità della “gobba” devia successivamente verso l'alto allo scopo di seguire l'andamento del muso. Questa deviazione verso l'alto si ripercuote  anche più in basso, cioè in prossimità dell'ala anteriore; le particelle di fluido deviano così verso l'alto come si vede però in maniera non molto marcata nelle figure sottostanti:

Si vede (non in maniera rilevante a dir la verità) che queste linee di corrente appena uscite dal bordo d'uscita dell'ala nel caso di presenza della gobba, rimangono sostanzialmente stazionarie, mentre nel caso di assenza della gobba queste deviano immediatamente verso il basso.In definitiva quindi questa soluzione ha lo scopo di creare un effetto di “up wash” del flusso d'aria dopo che questo ha attraversato l'ala anteriore. Questa deviazione crea un minimo di carico aerodinamico in più e consente all'ala di lavorare in maniera leggermente più efficiente. Inoltre la presenza di questa “gobba” consente di far “sfogare” lateralmente parte della sovrappressione creata dalla parte inferiore del muso.  
di Ing. Federico Basile