Aston Martin, come molti altri team, ha portato una livrea speciale in occasione del GP degli Stati Uniti che si correrà nel weekend del 19 ottobre a Austin. Il team inglese però, al contrario di molti competitor, non ha dato spazio a nuove colorazioni, ma ha preferito “decorare” la monoposto con alcune delle equazioni più utilizzate dagli ingegneri di Formula 1. Scopriamo quindi insieme la fisica che si cela dietro le formule scritte sulla livrea della Aston Martin AMR25.
L’iniziativa della squadra inglese mira a pubblicizzare un progetto che ha come obiettivo quello di scoprire giovani talentuosi tra i 18 e i 25 anni che studiano materie scientifiche. Il fine è ovviamente quello di portarli a fare un’esperienza all’interno del team di Formula 1. Le posizioni aperte sono 3 e coprono i tre ambiti più importanti per la progettazione delle monoposto di Formula 1 2026, ovvero l’aerodinamica, il motore e i carburanti. Alla fine del processo di selezione, che è diviso in tre fasi, verrà selezionato un vincitore per ogni ambito. Per chi volesse partecipare la competizione si chiama Aramco STEM challenge 2025.
Dal momento che la competizione divide i partecipanti in 3 gruppi, ci pare ovvio dividere anche le formule presenti sulla livrea della monoposto in 3 categorie, ovvero quelle relative al motore, quelle relative al carburante e quelle relative all’aerodinamica. La divisione a volte non è così netta dal momento che il motore brucia carburante, ma va bene lo stesso.
Come si calcola quanto spinge un motore di Formula 1?
La prima formula che incontriamo sull’ala posteriore è l’equazione usata per calcolare l’efficienza volumetrica del motore, ovvero il rapporto tra l’aria che viene effettivamente aspirata dal motore durante un ciclo e quella che potrebbe essere teoricamente aspirata se i cilindri si riempissero totalmente con l’aria alla pressione di ingresso. A numeratore troviamo infatti un integrale della massa d’aria in funzione del tempo, che serve a calcolare la massa d’aria totale che entra nel motore in un determinato periodo di tempo, in questo caso un ciclo di lavoro. A denominatore troviamo invece il valore teorico di aria che potrebbe riempire i cilindri durante un ciclo, calcolato tenendo in conto la pressione di ingresso dell’aria, il numero di cilindri, il volume di un cilindro e il fatto che il motore sia a 4 tempi.
La seconda equazione presa in considerazione indica come viene ripartita la potenza disponibile del carburante. Non tutta la potenza teorica viene infatti convertita in potenza utile all’albero W, ma parte di questa viene ceduta al sistema di raffreddamento, parte viene dispersa dai gas di scarico sotto forma di energia termica, parte viene usata per vincere gli attriti meccanici dei pistoni e altri organi di movimento e il resto viene dispersa in vari modi non misurabili con precisione.
Passiamo poi all’efficienza termica, ovvero quanta energia chimica del carburante riesce ad essere convertita in potenza all’albero motore. In questo caso a numeratore troviamo la potenza all’albero mentre al denominatore la portata di carburante moltiplicata per il potere calorifico inferiore dello stesso. Il potere calorifico è la quantità di energia termica liberata dalla combustione completa di una determinata quantità di combustibile. Moltiplicando questo valore per la portata di combustibile si ottiene l’energia teorica liberabile dalla combustione completa ogni secondo, ovvero la potenza totale teorica. Il rapporto tra la potenza reale e quella teorica totale fornisce per l’appunto l’efficienza.
Proseguendo nel nostro viaggio di potenze andiamo a trovare la formula della potenza che tutti abbiamo studiato al liceo, definita come prodotto tra coppia e velocità angolare. Questa relazione risulta utile per calcolare la potenza trasmessa a oggetti rotanti, come appunto un albero motore oppure Nikita Mazepin nel 2021.
L’ultima formula per quanto riguarda il motore è un bilancio energetico utile a spiegare dove finisce il lavoro prodotto dal motore. A sinistra troviamo infatti il lavoro prodotto dal motore, dato dall’integrale della forza lungo il percorso, mentre a destra ci sono tutti i modi in cui questa energia può essere convertita. Parte di questa viene per esempio usata per vincere le forze che si oppongono al moto, come ad esempio la resistenza aerodinamica oppure l’attrito di rotolamento degli pneumatici. Il resto viene convertito in energia cinetica oppure in energia potenziale. La prima è legata principalmente alla velocità della vettura, quindi aumentare l’energia cinetica significa andare più veloce. La seconda è legata al cambiamento di altitudine, ovvero al lavoro prodotto andando contro o a favore della forza di gravità (in pratica dipende se affronto una salita o una discesa). Notiamo come se il termine a sinistra non varia, la somma di quelli a destra deve pure rimanere costante. Possiamo quindi giungere alle considerazioni banali, ma fisicamente calcolabili, che se ho più drag andrò più piano perché una parte maggiore dell’energia dovrà essere usata per vincere quella forza aerodinamica. Stessa cosa vale percorrendo una salita. Durante una discesa invece il termine mgh diventa negativo e quindi, per bilanciare questo cambio di segno, l’energia cinetica, e di conseguenza la velocità, potrà essere maggiore. (Sì, in pratica ho scritto un intero paragrafo per spiegare come a parità di potenza in salita si va più piano che in discesa).
I carburanti: campo di battaglia per la Formula 1 del 2026?
Passando alle formule del carburante, possiamo iniziare con il rapporto di equivalenza aria-combustibile, ovvero un parametro che serve a indicare quanta aria viene utilizzata nella combustione rispetto a quanta ne servirebbe per una combustione stechiometrica, ovvero una combustione in cui si ha una quantità di comburente e combustibile tale per cui si ha una reazione completa. Nel caso in cui questo rapporto di equivalenza aria-combustibile sia uguale a uno vuol dire che ho una combustione stechiometrica nella quale non avanzano né ossigeno né carburante. Nel caso il parametro sia maggiore di uno vuol dire che ho più combustibile del necessario e quindi vado a formare quella che viene definita una miscela ricca. In caso contrario ho più aria del necessario, ovvero una miscela magra.
Scorrendo le formule lungo la livrea della Aston Martin incontriamo anche una delle equazioni più famose della chimica, ovvero l’equazione di Arrhenius. Questa formula indica che la velocità di una reazione chimica, ovvero la variazione della concentrazione dei reagenti e dei prodotti, dipende dalla temperatura alla quale questa reazione avviene e da una certa energia di attivazione sotto la quale la reazione non avviene.
Le formule della fisica legate all’aerodinamica sulla livrea della Aston Martin
Passiamo infine alla parte preferita degli aerodinamici, ovvero le formule di aerodinamica (ho avuto grande fantasia in questa introduzione). La prima formula che salta all’attenzione è quella della deportanza, ovvero la componente della forza aerodinamica che agisce sulle monoposto orientata perpendicolarmente rispetto al moto dell’aria. Questa importante forza in Formula 1 spinge le monoposto verso il basso facendole rimanere incollate all’asfalto (sul come viene generata ne avevamo già parlato nell’articolo riguardante le formule fisiche scritte sul casco di Hadjar). La deportanza dipende dal quadrato della velocità, dalla densità dell’aria, dal cL, ovvero un coefficiente che dipende dalla forma della vettura e dall’area su cui agisce la pressione aerodinamica. La dipendenza dal quadrato della velocità porta ad avere forze altissime alle alte velocità, tanto che in Aston Martin affermano che la forza dovuta al carico aerodinamico può arrivare a essere fino a 6.5 volte il peso della monoposto.
Proseguendo troviamo la sorella cattiva della deportanza, ovvero la resistenza aerodinamica. Questa è la forza malvagia che agisce sulle monoposto perché è la componente delle forze aerodinamiche orientata in direzione contraria a quella dell’aria, e quindi della vettura. Come ovvio che sia anche questa dipende dalla densità dell’aria, dal quadrato della velocità e dal un coefficiente che dipende dalla forma della vettura. La dipendenza dalla densità dell’aria ci aiuta a capire perché quando la Formula 1 corre in Messico, dove la densità dell’aria è più bassa per via dell’altitudine, le monoposto raggiungano velocità più alte.
Dulcis in fundo non potevano che esserci loro, le formula per eccellenza quando si tratta di aerodinamica, ovvero le formule di Navier–Stokes, coloro che regolano il moto dei fluidi. In questo caso abbiamo l’equazione della conservazione della quantità di moto scritta nella sua forma RANS, ovvero mediata nel tempo. Questo approccio risulta utile quando si parla di moto turbolento poiché il calcolo di tutte le fluttuazioni istantanee turbolente risulta estremamente dispendioso mentre così parte di queste si annullano. Sul lato sinistro dell’equazione troviamo la variazione della quantità di moto del fluido nel tempo e nello spazio mentre sulla destra le forze che producono questo spostamento. Il primo termine a destra rappresenta la variazione della pressione nello spazio, il secondo gli sforzi viscosi mentre il terzo gli sforzi apparenti, che sono una conseguenza matematica della trattazione RANS, ovvero quella di usare la media delle fluttuazioni.
I più attenti di voi avranno notato una discrepanza tra la formula scritta sopra e quella scritta sull’endplate della Aston Martin. Bene, l’autore dell’articolo, dopo aver spremuto a fondo i suoi pochi neuroni, ha provato a venirne a capo, ma con scarsi risultati. Nella formula scritta sull’Aston Martin infatti non tornano le unità di misura tra la parte destra e la parte sinistra dell’equazione dal momento che a sinistra ho kg/(m2s2) mentre nei termini a destra compaiono un kg/m4 e un m/s2. Se qualcuno trovasse l’errore ce lo scriva pure nei commenti, grazie per l’attenzione e alla prossima.
Concludiamo con una galleria delle foto della livrea della Aston Martin AMR25 con tutte le sue formule.
P.S. Ci teniamo a ribadire che questo articolo non è stato sponsorizzato da Aston Martin, ma nel caso qualche vertice del team volesse darci dei soldi dopo averlo letto li accetteremmo con piacere, grazie.
