F1 2014, numeri straordinari dai nuovi V6 turbo

Due calcoli sui nuovi propulsori V6 Turbo che spingeranno le monoposto di Formula 1 a partire dalla stagione 2014. Gioielli di tecnologia ed efficienza di cui, nonostante tutto, ci innamoreremo.

Nella Formula 1 dei tempi recenti la parte meccanica della monoposto ha ceduto parte della sua importanza all’aerodinamica (soprattutto esterna, ma anche interna ed a tal proposito si vedano i recenti problemi di surriscaldamento della neonata Red Bull RB10), la quale ha caratterizzato le ultime stagioni del Mondiale anche perché si è avuto il “congelamento” dello sviluppo del motore come recita il regolamento FIA.

Proprio la Federazione ha provato ad invertire la tendenza con le nuove regole 2014 che hanno sì tolto un po’ di importanza all’aerodinamica esterna in termini di carico (ma non ci metteremmo la mano sul fuoco fino a che la stagione non entrerà nel vivo) ed hanno anche spostato la ricerca sull’ambito motoristico con la re-introduzione del motore turbo, ma per via delle aumentate potenze in gioco e dell’estensione delle possibilità di recupero ed utilizzo hanno dato un ruolo centrale all’elettricità come fonte di potenza ed all’elettronica di controllo della vettura.

I puristi continuano a storcere il naso perché sanno, a ragione, che il cuore pulsante di una vettura qualsiasi, ed a maggior ragione di una race car di massimo livello come una monoposto di Formula 1, è il motore a combustione interna, che per i suoi “amici” è semplicemente il motore! Sarà per via del suo fascino ricco di storia, tecnologia e sviluppo, oppure per via del suono quasi sempre melodioso che irradia, ma questo “cuore” è ciò che genera le maggiori emozioni in una vettura, anche solo guardandolo oppure affidandosi alla memoria dei grandi propulsori del passato, legati a doppio filo ad ogni grande auto ed ai successi del pilota che la portava al traguardo.

In questo articolo, partendo da alcuni concetti di tecnica motoristica pura, proveremo a mostrare alcuni entusiasmanti numeri dei nuovissimi propulsori 2014 della Formula 1, sicuri che ogni nostro lettore potrà apprezzarne il significato e la magia che dimostrano. Non lo facciamo per sfoggiare cultura e conoscenza, ma solo per soddisfare quella passione che abbiamo per questi capolavori d’ingegneria, capaci di portarci da un punto A ad un punto B come fanno tanti altri mezzi di trasporto a volte anche più convenienti e veloci, ma regalandoci emozioni vere.

Siamo all’inizio della stagione, in piena fase di sperimentazione, e pertanto molti dati specifici dei nuovi propulsori non sono ancora stati rivelati, pur essendo ovviamente confermati. Per fortuna però la Scuderia Ferrari (un marchio che di emozioni legate ai motori se ne intende) ha diramato nel giorno della presentazione della sua F14-T qualche cifra significativa del suo nuovo propulsore:

– Alesaggio: 80 mm;
– Corsa: 53 mm.

Questi due dati indicano rispettivamente il diametro del singolo pistone e la corsa che compie all’interno del cilindro, contando ovviamente dal punto più in basso (Punto Morto Inferiore, abbreviato in PMI) a quello più in alto (Punto Morto Superiore, PMS), o viceversa. Possiamo notare immediatamente che il rapporto:

corsa/alesaggio = 0,6625

è un numero minore di uno e ciò, in termini motoristici, sta ad indicare un motore superquadro. Questa definizione indica un motore che ha una corsa breve rispetto all’ampiezza della faccia utile del pistone; è chiaramente una scelta progettuale dettata dagli scopi a cui si punta, ed infatti alcuni dei vantaggi di un motore superquadro sono: pesi ed ingombri in altezza minori (si pensi a quanto ciò possa aiutare nell’aerodinamica del posteriore della monoposto), possibilità di una migliore disposizione di candela ed iniettore all’interno della camera di combustione per via di un alesaggio più grande (quindi di un’area circolare della testata dedicata al singolo cilindro più estesa), possibilità di avere valvole di aspirazione e scarico più grandi per gli stessi motivi di cui prima (a tutto vantaggio della fluidodinamica interna del motore), possibilità di raggiungere regimi di rotazione più elevati anche per via di forze di inerzia inferiori (date anche da bielle e manovelle più corte e leggere).

Tutti questi vantaggi (controbilanciati da una certa difficoltà, rispetto ai motori dalla corsa più lunga, nell’avere una buona combustione – rischio di detonazione – e nel garantire un omogeneo raffreddamento proprio per via della camera di combustione più estesa) sono chiari ed evidenti nell’ambito di una gara automobilistica, soprattutto per via della possibilità di elevare il numero di giri e quindi di elevare potenza e rendimento del motore stesso.

A proposito di numero di giri: molti appassionati, e non, di gare automobilistiche si sono lamentati per via della riduzione del regime massimo di rotazione del propulsore dai 18000 giri del 2013 ai “soli” 15000 giri del 2014. Innanzitutto c’è da chiarire che per un motore turbocompresso si tratta di una cifra elevatissima, paragonabile (se non superiore, in proporzione) ai 18000 degli ormai vecchi V8 aspirati; i motivi sono vari e questa non è la sede per citarli, ma è così. Troppe volte si parla di regime di rotazione ma non si ha chiara la fisica di un “qualcosa” che viaggia a 15000 giri al minuto, ovvero che in un secondo compie 250 giri! Già così si tratta di qualcosa di stupefacente, ma non basta: grazie alla conoscenza della corsa del pistone possiamo ricavarci la velocità media con cui il pistone si sposta all’interno del cilindro e che, nel caso del regime massimo di rotazione (pari a 15000 giri/min), è di 26,5 m/s. Avete capito bene: la velocità con cui il pistone percorre la corsa è MEDIAMENTE di 26,5 metri al secondo, che in soldoni fanno 95,4 km/h!

Si tratta di un dato degno di nota, soprattutto perché ci stiamo riferendo ad una velocità media che considera che il pistone parte da 0 m/s al PMI ed arriva a 0 m/s al PMS. Da risultati sperimentali, ricavabili anche analiticamente ma ancora una volta è lungi da questa sede, si è visto che la velocità massima del pistone durante la sua corsa è superiore di circa il 60% della sua velocità media. Nel nostro caso si tratta quindi di una velocità massima (arrotondata per difetto) di 42 m/s, ovvero più di 150 km/h! Il massimo del massimo è considerare che il pistone parte, raggiunge tale velocità e si arresta di nuovo all’altro punto morto in un ridottissimo spazio di 53 mm e per 500 volte al secondo (ovvero 250 giri al secondo calcolati precedentemente moltiplicati per le due corse di cui si compone un giro, una di andata ed una di ritorno), per un totale di 30mila volte al minuto… 30mila!

Chi mastica un po’ di fisica, e di meccanica in particolare, sa che tali variazioni di velocità in spazi così brevi e con frequenze tanto elevate devono necessariamente implicare accelerazioni spaventose subite dai corpi in ballo, ovvero dal pistone, ma anche dalla biella e dalla manovella che lo supportano. Nel caso di biella e manovella, le quali sono rispettivamente dotate di moto roto-traslatorio e di moto rotatorio puro, questo calcolo risulta troppo complesso e lo accantoniamo, anche perché i risultati sono espressi in unità di misura non semplici da rendere fisicamente perché non di uso comune. Per fortuna, grazie ai dati posseduti, possiamo però calcolare con una certa rapidità il valore dell’accelerazione a cui è soggetto il pistone al PMI ed al PMS:

a (PMI)= (1- 1/μ) r (2πn/60)^2
a (PMS)= (1+ 1/μ) r (2πn/60)^2

In queste formule abbiamo r che è il raggio di manovella (pari a metà della corsa), n che è il regime di rotazione (che assumeremo pari al regime massimo per capire ancora meglio il tutto) e µ che è il rapporto caratteristico di un motore, pari al rapporto tra lunghezza di biella ed il raggio di manovella. In questo caso si tratta di un dato che non ci è fornito ma facilmente ipotizzabile in quanto il range di valori va da 3,5 a 5, con i valori più bassi per i motori più lenti, quindi possiamo assumere µ = 5 sia perché trattiamo un motore velocissimo e sia perché così sappiamo che la cifra che verrà fuori sarà sicuramente stimata in difetto perché µ si trova al denominatore della frazione.

Bene, sperando che stiate continuando la lettura dopo questa disserzione matematica tediosa ma fondamentale per capire di cosa parliamo, snoccioliamo i dati:

a (PMI, 15000 giri/min) = 52309 m/s2 = 5332,2g
a (PMS, 15000 giri/min) = 78463 m/s2 = 7998,3g

Sapete quando si dice che in frenata la testa del pilota subisce 5 o 6 g di accelerazione? Bene, come potete osservare, il pistone all’interno del motore quando rallenta, si ferma e riparte al PMI subisce una accelerazione pari a circa 5332 volte quella dell’accelerazione di gravità, mentre quando fa lo stesso al PMS (dove è ulteriormente caricato dalla potenza della combustione) subisce una accelerazione molto prossima agli 8000 g!

Vi assicuriamo che i calcoli si basano su relazioni consolidate della meccanica e che sono plausibili per delle macchine così spinte come un motore di Formula 1, ma nonostante ciò abbiamo ripetuto più volte il calcolo ed il risultato resta sbalorditivo, oltre che indicativo di cosa sia progettare le componenti di un assieme al cui interno ci sono tali sollecitazioni.

Lasciando ora la meccanica fredda dei meccanismi e ritornando alla meccanica calda ed alla fluidodinamica del propulsore, vogliamo dare un’idea dell’efficienza che essi hanno. Tramite il discutissimo dato imposto dalla FIA sulla portata massima di combustibile dei nuovi motori 2014, pari a 100 kg/h, possiamo calcolare un parametro ingegneristico detto consumo specifico, che ci dà appunto l’idea dell’efficienza con cui il propulsore utilizza il combustibile con cui viene alimentato. Ipotizzando una potenza massima di circa 600 cavalli (tale pare essere la potenza attuale dei 1.6L V6 turbo, e comunque si tratta di un dato conservativo perché, qualora fosse più alto, non farebbe che ridurre il consumo specifico perché nella formula compare al denominatore), deriva un consumo di 0,226 kg/kWh. A molti, quasi a tutti, ciò dirà poco o niente, ma dovete fidarvi di noi: ci sono automobili stradali sul mercato che non si avvicinano nemmeno lontanamente ad un tale rapporto, destandosi anzi su livelli molto più alti di grammi di combustibile utilizzati per ogni kilowattora di potenza prodotto. E’ chiaro comunque che le monoposto di Formula 1 consumano incredibilmente di più delle vetture stradali, ma rapportando il tutto alla potenza prodotta ne deriva che consumano come la vettura che abbiamo parcheggiata in garage e forse anche meno!

Dulcis in fundo, una delucidazione sul regolamento 2014: molti si stanno chiedendo come faranno le monoposto a completare la gara se avranno un tetto massimo di portata di combustibile pari a 100 kg/h ed avranno un serbatoio di 100 kg di combustibile. Il calcolo banale, ma errato, porta alla capacità di “girare” in pista per un’ora, mentre le monoposto degli scorsi anni (giudicate più veloci delle attuali, ma anche qui vorremmo riparlarne nella seconda parte della stagione) completavano le gare in un’ora e mezza. Bene, chiariamo che il limite di 100 kg/h è un tetto massimo, il quale sarà raggiunto solo al massimo numero di giri e con la strategia energetica votata alla massima prestazione della monoposto, ovvero in ridottissime fasi di gara. In altre fasi si avrà una portata inferiore (quindi un consumo inferiore, una potenza inferiore, una prestazione globale inferiore), per cui quei 100 kg di combustibile stivati in serbatoio basteranno per tutta la gara, o meglio, dovranno bastare altrimenti la monoposto non giungerà al traguardo.