Ogni vettura in movimento deve farsi strada nell’aria, che si oppone al suo avanzamento con una forza tanto più grande quanto più cresce la velocità. Questa forza prende il nome di resistenza aerodinamica e, insieme alla resistenza al rotolamento e agli attriti della trasmissione, rappresenta il lavoro che il motore deve compiere solo per mantenere la vettura in marcia. La sua espressione è piuttosto semplice:
Fa = ½ · ρ · v² · Cx · S
dove ρ è la densità dell’aria, v la velocità relativa fra vettura e aria, S l’area frontale e Cx il coefficiente di resistenza aerodinamica. Quest’ultimo, indicato come Cd nella letteratura anglosassone e come Cw in quella tedesca, è un numero adimensionale: non dipende dalle dimensioni del corpo, ma solo dalla sua forma e dal modo in cui il flusso lo abbandona. Un Cx basso identifica un corpo attorno al quale l’aria si richiude in modo ordinato, senza lasciarsi dietro un’ampia scia di vortici: è proprio quella scia a costituire la parte più consistente della resistenza di una automobile.
Il Cx non si calcola a tavolino, si misura. La verifica classica avviene in galleria del vento, dove apposite bilance rilevano le forze scambiate dalla vettura investita da un flusso d’aria di velocità nota, mentre un tappeto scorrevole sotto il pianale riproduce il flusso sotto il fondo. Ad essa si affianca la fluidodinamica computazionale (CFD), che simula il flusso al calcolatore e permette di valutare decine di varianti prima di costruire un modello fisico.
Cx e area frontale: due grandezze da leggere insieme
Accanto al coefficiente, nella formula compare l’area frontale S, cioè la superficie della sagoma che la vettura proietta osservandola esattamente di fronte. La resistenza dipende dal prodotto dei due termini, indicato come SCx (o CdA) ed espresso in metri quadrati. Ne consegue che una vettura alta e larga dall’ottimo Cx può opporre all’aria più resistenza di una vettura bassa e stretta dal Cx mediocre: è il motivo per cui i SUV, pur avendo compiuto progressi notevoli sulla forma, restano penalizzati rispetto alle berline.
Come ordine di grandezza, le berline moderne si collocano fra 0,28 e 0,32 di Cx, le sportive fra 0,25 e 0,30, mentre i veicoli a carrozzeria squadrata superano con facilità 0,35. Le vetture progettate attorno all’efficienza scendono sotto 0,25: la Mercedes EQS è stata presentata come la prima vettura di serie con un valore dichiarato a partire da 0,20, mentre la Lucid Air dichiara 0,197 nella configurazione con cerchi aerodinamici.
Perché il Cx conta così tanto
Nella formula la velocità compare elevata al quadrato, quindi raddoppiare l’andatura significa quadruplicare la forza resistente. E poiché la potenza è il prodotto della forza per la velocità, la potenza assorbita cresce con il cubo della velocità: vincere l’aria a 200 km/h richiede circa otto volte la potenza necessaria a 100 km/h. Ne discendono quattro conseguenze.
Le prime due riguardano l’energia. Sui consumi, a bassa velocità domina la resistenza al rotolamento, ma alle andature autostradali il contributo aerodinamico diventa la componente prevalente della resistenza al moto, e sulle vetture elettriche da esso dipende in misura rilevante l’autonomia. Sulla velocità massima, raggiunta dove la potenza alle ruote eguaglia quella assorbita dalle resistenze, guadagnare pochi km/h di punta richiede incrementi di potenza sempre più consistenti: lavorare sulla forma è quasi sempre più conveniente che lavorare sul motore.
Le altre due riguardano il comportamento. La stabilità, perché il flusso che scorre sopra la carrozzeria percorre un tragitto più lungo di quello che passa sotto il pianale e la differenza di pressione genera una forza verticale rivolta verso l’alto, la portanza, che alleggerisce gli assali riducendo l’aderenza; se poi tale forza si ripartisce in modo sbilanciato fra i due assi, ne risentono la precisione dello sterzo e il comportamento con vento laterale. E il rumore, dato che i vortici generati da specchi retrovisori, montanti anteriori e guarnizioni dei cristalli producono un fruscio aerodinamico che alle alte velocità supera quello del motore e del rotolamento.
Per governare questi aspetti, i progettisti dispongono di dispositivi che agiscono sul flusso in punti diversi della vettura:
- Splitter e spoiler anteriori
- Spoiler e alettoni posteriori
- Fondo piatto e diffusore
- Elementi aerodinamici attivi
Splitter e spoiler anteriori
All’avantreno il flusso si divide fra la parte che scorre sopra la carrozzeria e quella che si incanala sotto il pianale. Lo splitter è una lama orizzontale che sporge alla base del paraurti: l’aria che lo investe frontalmente viene rallentata quasi fino ad arrestarsi e genera sopra di esso una zona di alta pressione, mentre quella che passa al di sotto viene accelerata e vede la propria pressione ridursi. La differenza fra le due carica verso il basso l’asse anteriore.
Sulle vetture di serie lo stesso compito è affidato a un più semplice spoiler anteriore, che scende verso l’asfalto per limitare l’aria diretta sotto la vettura, dove il sottoscocca e gli organi meccanici esposti generano una resistenza elevata. Alla stessa logica appartengono le feritoie mobili della calandra, che chiudono parzialmente le prese d’aria del vano motore quando le esigenze di raffreddamento lo consentono.
Spoiler e alettoni posteriori
È opportuno distinguere due dispositivi che il linguaggio comune tende a confondere. Lo spoiler è un elemento integrato nella carrozzeria, tipicamente un labbro rialzato sul bordo del cofano o del portellone, il cui compito è stabilire un punto di distacco netto del flusso, impedendo che l’aria segua la coda inclinata generando portanza e vortici disordinati. Correttamente dimensionato, riduce contemporaneamente portanza e resistenza, perché rende la scia più compatta.
L’alettone è invece un profilo alare separato dalla carrozzeria e montato rovesciato rispetto all’ala di un aeroplano: la sua funzione è produrre deportanza, una forza che schiaccia il retrotreno sull’asfalto aumentando l’aderenza in curva e in frenata. Ma ogni profilo che genera deportanza genera anche resistenza: la scelta dell’incidenza è sempre un compromesso fra i due effetti.
Fondo piatto e diffusore
Il sottoscocca di una vettura tradizionale è una superficie irregolare, popolata da scarico, sospensioni e traverse, che rallenta il flusso e ne provoca il distacco. Rivestirlo con pannelli di carenatura è oggi fra le soluzioni più efficaci per abbassare il Cx senza intervenire sulla forma visibile della carrozzeria, tanto da essere adottata anche sulle vetture di segmento medio e basso.
Un fondo regolare rende inoltre possibile il diffusore, il canale divergente ricavato nella parte terminale del pianale. L’aria che percorre lo spazio ristretto fra fondo e asfalto è costretta ad accelerare e la sua pressione si abbassa, secondo lo stesso principio che governa un condotto strozzato; il diffusore riporta gradualmente il flusso in uscita alla pressione ambiente, richiamando così altra aria da sotto la vettura. Si ottiene deportanza distribuita lungo tutto il fondo senza aggiungere superfici esposte al vento: per questo il fondo è il modo più efficiente di produrre carico aerodinamico e, nelle competizioni, ne è l’elemento principale.
Elementi aerodinamici attivi
Le esigenze di una vettura cambiano continuamente: in autostrada conviene la minima resistenza, in curva e in frenata conviene il massimo carico. Un profilo fisso non può soddisfare entrambe le condizioni, e da qui nasce l’aerodinamica attiva, cioè l’impiego di superfici mobili gestite da una centralina in funzione della velocità, dell’angolo di sterzo e della pressione sul pedale del freno. Sulle Porsche 911 lo spoiler posteriore estensibile assume posizioni diverse a seconda della velocità e della modalità di guida; sulla Bugatti Chiron l’ala posteriore a comando idraulico si solleva per generare carico, si abbassa nella ricerca della velocità massima e si dispone quasi verticalmente in frenata, funzionando da freno aerodinamico. Il sistema ALA (Aerodinamica Lamborghini Attiva) della Huracán Performante agisce invece con valvole che aprono e chiudono condotti interni allo splitter e all’ala.
Due filosofie a confronto
Nella progettazione di una vettura stradale l’obiettivo prevalente è la riduzione della resistenza: si lavora sulla pulizia delle superfici, sulla carenatura del fondo, sul disegno dei cerchi e sul flusso attorno ai passaruota. La deportanza non è ricercata di per sé, si punta piuttosto ad annullare la portanza e a ripartirla in modo equilibrato fra i due assali, quanto basta per garantire stabilità e sicurezza.
In una vettura ad alte prestazioni o da competizione la priorità si rovescia. Poiché la forza trasmissibile da uno pneumatico cresce al crescere del carico verticale che lo schiaccia al suolo, generare deportanza significa percorrere le curve più velocemente e frenare più tardi: il progettista accetta allora consapevolmente un aumento del Cx in cambio del carico, sapendo che sul giro cronometrato il tempo guadagnato in curva supera quello perduto in rettilineo. Compreso questo, si legge correttamente anche una scheda tecnica: un Cx elevato non è necessariamente un difetto di progetto, né un Cx bassissimo è garanzia di prestazioni in curva.
Foto: © Car-Shooters
