Quando si parla di visualizzazione dei vortici d’estremità d’ala in Formula 1 vengono subito in mente le celeberrime trecce di Berenice. Ecco, in questo caso non c’entrano niente. O meglio, la struttura aerodinamica è la stessa, ma il fenomeno fisico alla base della sua manifestazione è completamente diverso. Sullo stesso principio si fonda un vero e proprio metodo di visualizzazione aerodinamica: il metodo Schlieren. Ecco come funziona.
Nell’immagine sovrastante viene indicato, mediante due frecce, il vortice originato dal bordo dell’ala anteriore. Questo viene reso visibile dalle diverse proprietà ottiche dell’aria all’interno della struttura vorticosa e intorno ad essa. Ma andiamo per gradi e vediamo perché tutto ciò accade.
Com’è fatto un vortice?
Il vortice che si origina all’estremità dell’ala anteriore si chiama “vortice d’estremità d’ala” (no, i fluidodinamici non hanno molta fantasia). Questo si origina a causa della tendenza dei fluidi a migrare dalle zone ad alta pressione (la parte superiore dell’ala) a quelle a bassa pressione (la parte inferiore della monoposto). Nel far ciò il fluido accelera e l’accelerazione sarà tanto maggiore quanto è maggiore la differenza di pressione tra le due aree. L’aumento di velocità fa diminuire la pressione e di conseguenza si crea una struttura roteante con un nucleo che ha una pressione e una temperatura più basse rispetto all’ambiente circostante.
Indice di rifrazione dell’aria: cosa c’entra?
Le diverse proprietà del fluido all’interno del vortice rispetto a quello fuori sono alla base della sua visualizzazione. Infatti pressione e temperatura sono due parametri da cui dipende il valore dell’indice di rifrazione di un gas: l’aria in questo caso. L’indice di rifrazione è una grandezza che indica di quanto la luce rallenta quando attraversa un determinato materiale. Per esempio la luce in acqua viaggia più piano che in aria perché l’acqua ha un indice di rifrazione maggiore. Di conseguenza, per il Principio di Fermat, la luce verrà deviata in modo differente da mezzi con indici di rifrazione differenti. Quest’ultima frase è quella che ci interessa.
Il percorso intrapreso da un raggio di luce che viaggia tra due punti sarà quello che richiede il minor tempo
Pierre de Fermat, 1658
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L’autore dell’articolo, 2022
Nel nostro caso abbiamo l’aria fredda e a bassa pressione al centro del vortice con un determinato indice di rifrazione e l’aria calda a pressione atmosferica tutta intorno e quindi con un indice di rifrazione diverso. La luce che giunge alla telecamera viene deviata in modo differente nei due mezzi (aria calda e pressione atmosferica e aria fredda a bassa pressione) e di conseguenza si creano zone dove arrivano più raggi luminosi e zone dove ne arrivano meno. Questo crea una differenza di luminosità che rende visibile il vortice. In basso il video in cui si vedono chiaramente i vortici generati delle monoposto.
Ovviamente la differenza tra i due indici di rifrazione deve essere abbastanza grande affinché la luce venga deviata in modo tale da permettere la visualizzazione. Le condizioni atmosferiche nel GP di Francia, in cui l’asfalto a 60°C riscaldava l’aria a contatto con esso, hanno garantito una differenza sufficiente tra le proprietà ottiche dell’aria nel vortice e quella vicino alla pista. In un laboratorio o con i mezzi adeguati è possibile anche ampliare queste differenze per creare immagini più nitide e contrasti più elevati: questo metodo prende il nome di “metodo Schlieren“, dalla parola tedesca “Schlieren“, che vuol dire “striature“.
Alcuni esempi di immagini ottenute con il metodo Schlieren
Il metodo Schlieren è utilizzato per visualizzare fenomeni in cui sono presenti gradienti di densità, temperatura e pressione dell’aria o di altri mezzi che portano con sé diversi indici di rifrazione. Un’onda d’urto ha tutte queste caratteristiche, e quindi ecco qui un a bella immagine. BOOM!
Un’altra cosa facilmente visualizzabile è l’aria calda in un ambiente più freddo. Nelle immagini sottostanti possiamo vedere degli esempi di aria calda turbolenta (si nota il tremolio dell’immagine) che sale da un barbecue e dal motore Renault della Red Bull di Sebastian Vettel (che poi in quella stagione erano più o meno la stessa cosa). Se nel catturare l’immagine viene bloccata metà della luce che arriva alla fotocamera mediante una lama o simili si aumenta il contrasto perché la luce viene deviata in modo diverso da mezzi diversi, di conseguenza verrà fermata una maggiore quantità di luce che è passata da uno dei due mezzi. Per questo motivo l’aria calda nelle fotografie del barbecue o del tizio che tossisce si vede molto meglio rispetto alle foto della F1 in cui l’aria calda sale dal motore delle vetture.
In basso un video con altri esempi.
