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Aerodinamica di una motocicletta: teoria

Premettiamo che lo studio dell'aerodinamica delle moto è ancora un aspetto secondario sia per i costruttori che per i team, che solo da poco hanno iniziato a puntare anche in questo campo. (i team di MotoGp vanno rararmente in galleria del vento, diversamente da quelli della Formula Uno che addirittura ci vanno a testare le monoposto a flussi di aria trasversali). Basta infatti cercare su internet informazioni a riguardo e se ne trovaranno pochissime.

Ciò premesso, introduciamo alcuni concetti basilari dell'aerodinamica della motocicletta.

Un mezzo a due ruote in movimento rettilineo, è soggetto ad una forza resistente dovuta all'attrito con l'aria. Tale forza può essere scomposta nella sua componente orizzontale e verticale.

La componente orizzontale, detta forza di drag, è sempre opposta al moto ed è dovuta all'attrito viscoso esercitato dall'aria. La forza di drag può essere calcolata moltiplicando all'area frontale della moto per il quadrato della velocità e un adeguato coefficiente legato alla forma della moto. Tale coefficiente è detto Cx.

Fx= 0,5*A*Cx*V^2.

La componente verticale è detta forza di Lift e per le moto è un concetto complicato.

Infatti, sebbene nelle auto da formula tale forza sia sempre diretta verso il basso dando "portanza" (incrementando quindi l'aderenza del mezzo), per le moto invece si pensa che la condizione ideale sia quella di una forza di lift nulla.

Un auto da F1, infatti se è portante in rettilineo allora sarà portante  anche in curva, in quanto l'assetto del mezzo cambia di poco in queste due fasi. Nelle moto, invece, la configurazione aerodinamica  in rettilineo o in curva cambia completamente: in curva il pilota si sporge maggiormente, la moto si piega creando effetti deportanti (forza di lift verso l'alto) tra moto e terreno (quindi negativi poichè diminuiscono il carico sulle gomme e quindi decrementa l'aderenza), e si ha una variazione di assetto che fa cambiare l'angolo di incidenza della moto sul flusso d'aria.

Se quindi si costruisce una carena che deporta, la moto potrà essere più veloce in rettilineo in quanto la forza di lift verso l'alto la farà pesare meno, mentre in curva tale forza diminuirà l'aderenza e quindi il pilota dovrà procedere a velocità minori. Se una carena fosse invece deportante, accadrebbe l'opposto.

Per dare alcuni dati, nominiamo alcuni coefficienti di rapporto lift/drag (lift over drag): un auto da formula uno ha L/D pari a circa -3,5: per ogni Newton di spinta orizzontale opposta al moto ce ne sono 3,5 che spingono verso il basso;

un aliante ha L/D di circa 70: ogni Newton di forza di drag ci sono 70 Newton di forza di lift verso l'alto (deve volare senza motore e quindi deve avere drag bassissimo).

Per le moto, quindi, tale valore deve tendere a zero (lift=0) e nel frattempo il drag deve essere il minimo possibile (meno attirito frontale).

Si può notare infatti che, nelle corse di formula uno, i piloti tendono a evitare di stare esattamente vicini al posteriore dell'auto che precede soprattutto in curva perchè la monoposto che sta davanti crea una scia turbolenta diminuendo così il flusso d'aria verso la vettura che sta dietro, la cui portanza diminuisce dando problemi di aderenza.

Nelle gare di moto, invece, esse stanno spesso l'una dietro all'altra perchè, essendo neutre (non portano e non deportano), l'effetto di scia sulla moto retrostante che va a diminuire la forza di drag non va a diminuire la forza di lift, in quanto questa è di per sè minima.

Vediamo da cosa dipende se una moto è portante o deportante :

Gli effetti portanti o deportanti sono generati da ogni parte della moto, ma l'effetto principale che va a interessare la forza di lift è quello generato dalla parte frontale:

Come si può notare in figura, il flusso d'aria che investe la moto si divide all'altezza del "becco" del cupolino.

La porzione di flusso superiore a tale punto incontra il cupolino che tende a deviarla verso l'alto, generando quindi una forza verso il basso (portante).

La porzione di flusso inferiore a tale punto incontra invece un profilo che tende a deviarla verso il basso, creando quindi deportanza.

L'effetto generato dal flusso che investe la ruota è molto complicato da analizzare in quanto la ruota è da considerarsi in rotazione.

Sebbene si cerchi di trovare la condizione di equilibrio tra portanza e deportanza, spesso le moto risultano essere deportanti. Questo perchè l'effetto deportante del profilo inferiore e di altre parti è maggiore dell'effetto degli elementi portanti.

La presenza di un parafango anteriore che tende ad allargarsi ha proprio lo scopo di deviare ai lati delle carene laterali il flusso d'aria diretto verso questo profilo.

Evitare tale effetto deportante è inoltre difficoltoso in quanto nella zona retrostante alla ruota si trova il radiatore: non si può quindi diminuire a proprio piacere l'area retrostante alla ruota perchè non arriverebbe abbastanza aria al radiatore.

Guardando una motogp infatti si nota come questa zona sia molto limitata rispetto ad altre moto. Questo perchè le case si possono permettere di cambiare motore ad ogni gran premio, e quindi di non preoccuparsi dei gravi effetti che si presentano a lungo termine su motori raffreddati il minimo indispensabile.

Sempre da questo aspetto si può notare come l'aerodinamica delle moto sia un aspetto che fino ad oggi sia stato poco studiato: se guardiamo la zona retrostante alla ruota anteriore di una motogp di alcuni anni fa, essa è più ampia di quella dei modelli attuali. (è ancora più visibile sulle 250)

L'obiettivo nel motociclismo è quindi quello di diminuire il più possibile la deportanza.

 

Il Drag

Come già accennato, una volta minimizzato il lift, bisogna cercare di diminuire anche il drag, cioè l'attrito per poter raggiungere velocità maggiori con accelerazioni maggiori.

La forza di drag viene trovata sperimentalmente, ma è anche riassumibile dalla formula

D=0,5 A*Cx*V^2, dove A è l'area frontale della moto, e Cx è un coefficiente che dipende dalla forma della stessa.

L'area solitamente è resa minima tenendo conto dei vincoli dimensionali (grandezza del pilota, del telaio e di tutte le parti della moto).

La minimizzazione del coefficiente di forma Cx è un altro obiettivo principale dell'aerodinamica delle moto.

Prima di enunciare alcuni concetti, definiamo lo strato limite di velocità come la zona in corrispondenza della quale si ha una brusca variazione del campo di velocità del fluido: se notiamo un masso posto in mezzo ad un fiume in cui la velocità dell'acqua è elevata, notiamo che, una volta incontrato il masso, il flusso d'acqua tende a dividersi e a passare ai lati dell'ostacolo per poi ricongiungersi in un punto più lontano. Si crea quindi un profilo a "goccia", all'interno del quale si notano turbolenze (mulinelli, punti di ristagno, ecc...).

Tale profilo a goccia è lo strato limite: esso divide idealmente la zona dei filetti fluidi che mantengono moto laminare dalla zona del moto turbolento.

La fluidodinamica dice che in caso di distacco dello strato limite di velocità da una parete, si creano zone di moto turbolento che aumentano la resistenza al passaggio del fluido.

Nel caso della moto, essa si comporta da parete; si deve perciò ottimizzare la forma della carena in modo tale che l'aria che la investe tenda a seguire la forma della moto e non a distaccarsi da essa in quanto si creerebbero turbolenze che aumenterebbero la forza di drag, oltre ad aumentare la scia che viene messa a disposizione della moto che segue.

 

Progetto Aprilia sxv-gp

Sezione carena