Gli spoiler del gruppo VW e lo strato limite in aerodinamica

[fastfreddy]

Vorrei condividere con voi questa piccola riflessione che ho cercato, per quanto mi è possibile, di chiarire ...ne è saltato fuori un concetto interessante che non conoscevo, se non a grandi linee. Se qualcuno ne sa di più, sono ben accetti suggerimenti e precisazioni.

 

Da tempo mi chiedevo da cosa dipendesse la diffusione quasi a macchia d'olio degli spoiler aerodinamici sulle vetture sportive del gruppo VW, dal momento che quasi nessuno ne fa un uso così massiccio ...memore dell'esperienza fatta con la 911 e dei problemi di tenuta avuti dall'Audi TT mk1 (a cui fu aggiunto uno spoiler a produzione avviata), stentavo a credere che insistessero con questa soluzione aerodinamica per compensare i noti problemi di portanza insiti nelle automobili con la coda rastremata ...non mi spiegavo la cosa, tanto più dopo aver visto che nel libretto di uso e manutenzione dell'Audi A7 ci sono warning ben precisi nel caso di anomalie nel funzionamento dello spoiler retrattile (http://www.manualesaudi.com/AudiA7/it_IT/inhalt.htm). Posso capire che sia difficile rinunciare all'icona 911, ma sui nuovi modelli pensavo fosse il caso di cambiare rotta...

 

Alla fine invece, come d'altronde dovevo immaginare, è saltato fuori che quanto messo in pratica da VW è una cosa ben più raffinata di quella che può sembrare a una prima occhiata. Normalmente siamo portati a considerare gli spoiler come appendici aerodinamiche che, creando de-portanza, contribuiscono a tenere bel salda al suolo la vettura, ma in questo caso effettivamente, essendo questi alettoni piuttosto piccoli, non se ne capisce la reale funzione. E' qui che bisogna introdurre il concetto dello "strato limite". Quello che segue è ciò che ho trovato in rete, tradotto grossolanamente con google ...

 

Lo spoiler dell'Audi A7 e il concetto dello strato limite

 

In pratica potremmo dire che questi spoiler servono a modificare il profilo della vettura ad alta velocità (sono sicuro che VW, limitando l'uso della A7 in caso di problemi allo spoiler, si sia voluta cautelare ...non credo che a velocità autostradali la macchina abbia problemi ...ma forse li avrebbe a velocità superiori). Adesso che ho compreso questa tecnica la apprezzo di più anche se va detto che ricorrendo ad una forma meno estrema questo problema non si presenterebbe del tutto.

 

Il concetto può essere approfondito anche quì

 

https://www.f1analisitecnica.com/2011/06/aerodinamica-che-cose-lo-strato-limite.html

 

 

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"...alcune auto perdono trazione sulle ruote posteriori quando viaggiano ad alta velocità, quindi viene aggiunto uno spoiler (fisso o retrattile) per generare presumibilmente un carico aerodinamico sufficientemente grande da mantenere saldamente bloccate le ruote posteriori il terreno. In realtà, come sospetterà chiunque abbia una conoscenza di aeroplani o aerodinamica, un'ala così piccola non genererà una quantità ragionevole di forza perpendicolare alla direzione del movimento (cioè su o giù): Basta guardarlo: è posizionato in una posizione aerodinamicamente scomoda, con il bordo affilato del parabrezza posteriore che genera turbolenze. La sua superficie inferiore, che è quella lungo la quale l'aria deve accelerare per generare portanza (è un'ala invertita), è ruvida, irregolare e molto non aerodinamica e l'auto si muove comunque a una velocità relativamente bassa (la maggior parte degli aeroplani è molto più veloce ). Quindi, come può un'ala così schifosa, piccola e che si muove lentamente generare un sollevamento (negativo) per mantenere saldamente a terra le ruote posteriori di un'auto grande e pesante?

 

Non è così.

 

Quello che fa davvero è impedire che la scia che si forma dietro la macchina si insinui sul parabrezza posteriore e occupi l'intera area posteriore della vettura, fino al tetto. Le auto sono corpi contundenti, è molto difficile renderle aerodinamiche. Non puoi avere una lunga coda appuntita su un'auto, come su un aereo. Una scia turbolenta dietro un'auto è quasi inevitabile tranne che a velocità di camminata. La scia è un'area occupata dall'aria turbolenta che viaggia caoticamente in tutte le direzioni, anche contro la direzione del movimento. 

Il risultato di questa scia turbolenta è un'aerea di bassa pressione che “risucchia” l'auto, generando un'enorme quantità di resistenza che limita la velocità massima e aumenta il consumo di carburante. Ora, la macchina nell'immagine sopra ha una sezione di coda molto alta, c'è poco che puoi fare per renderla più aerodinamica. Una berlina come l'Audi A7 ha una piccola sezione di coda "Kammback" (Kammback - Wikipedia) e un parabrezza inclinato. La scia turbolenta è di conseguenza limitata al piatto "Kammback" e ha un'area più piccola, quindi anche la resistenza che produce sarà più piccola. Ma questa scia ha comunque una notevole energia e cerca di insinuarsi sulla carrozzeria della macchina e di "scollare" quello strato instabile di aria che si muove vicino alla superficie del veicolo che si chiama "strato limite". Strato limite - Wikipedia. Questo è il motivo per cui le auto moderne non hanno code arrotondate ma quel caratteristico "tratteggio". Il bordo del "tratteggio" funge da muro per impedire alla scia di arrampicarsi fino al tetto.

Se nonostante ciò, la scia riesce a scavalcare il bordo della coda dell'auto, ecco cosa succede (immagine turbolenza allegata). 

 

La scia turbolenta non inizia più dalla coda dell'auto, ma dal tetto. A volte può anche iniziare dal margine superiore del parabrezza anteriore ed estendersi sopra il tetto dell'auto. Una scia così grande e turbolenta non solo genera un'enorme quantità di resistenza, ma cerca anche di "succhiare" la parte posteriore della macchina verso l'alto! Puoi vedere nell'immagine sopra come le linee di flusso verdi si incurvano verso l'alto quando incontrano la scia: questo è un segno di una forza di sollevamento che agisce sul retro della macchina. Quindi, lo spoiler è in realtà un limite, un'area di alta pressione (sul lato superiore dello spoiler) che impedisce alla scia turbolenta di strisciare all'indietro e di occupare tutta la parte posteriore della vettura. A bassa velocità, il bordo della sezione di coda “Kammback” è sufficiente per tenere a bada la scia, ma all'aumentare della velocità, la scia turbolenta guadagna più energia e diventa abbastanza forte da tagliare lo strato di confine, arrampicarsi sopra quel bordo e causare il caos al flusso aerodinamico precedentemente pulito e regolare sul parabrezza posteriore dell'Audi. Questo è quando lo spoiler viene in soccorso: aggiungendo una barriera più alta, con più pressione sul lato anteriore, che la scia turbolenta non è in grado di attraversare. Lo spoiler aggiunge davvero resistenza, ma molto meno della resistenza che sarebbe generata dalla scia turbolenta se si estendesse al parabrezza posteriore.

 

EDIT # 2: alcuni commentatori di questa risposta notano che un'ala, per quanto piccola, produce un sollevamento (verso il basso). Questo è corretto, ma mettiamolo in prospettiva: l'ala di coda di un'Audi A7 ha una superficie di circa 0,3 mq. Supponiamo che l'ala posteriore dell'Audi sia efficiente come l'ala di un piccolo aereo (non lo è: la forma della sua parte inferiore è lungi dall'essere aerodinamica e l'intera ala è immersa in un flusso d'aria che è profondamente disturbato dal strato limite che scorre sul parabrezza posteriore). Un Cessna 172 ha un carico alare massimo di circa 69 kg per metro quadrato di superficie. In base al presupposto precedente, l'ala posteriore dell'Audi sarà in grado di generare una forza di sollevamento massima verso il basso di 23 kg. A causa della sua forma e posizione, e la velocità limitata della vettura (una Cessna 172 ha una velocità di crociera di 185 km / h), un valore di circa 10 kg è più realistico.

Quindi, l'effetto in termini di carico aerodinamico generato da questa "ala" che agisce come un'ala propria, è simile all'effetto di mettere un carrello portabagagli nel bagagliaio dell'auto. Se qualcuno ha avvertito la differenza nella tenuta di strada fornita dall'avere un carrello nel cofano di una grande berlina, al contrario di un cofano vuoto, sarei interessato a conoscere i dettagli ".

 

 

 

[stev66]

In pratica quello che faceva lo spoilerino sulla Ritmo del 1978. ?

[Damynavy]

Praticamente, la A7 è un'ala?

[fastfreddy]

1 ora fa, Damynavy scrive:

Praticamente, la A7 è un'ala?

 

no ...ha un profilo che agevola la risalita della turbolenza dalla coda (che crea portanza) e lo spoiler serve a modificarlo in modo che ciò non avvenga ...io l'ho capita così ...se avessero chiuso il bordo della coda con una forma a spoiler (come nella 370Z in foto) avrebbero ottenuto lo stesso scopo ...aggiungo che non a caso Bangle ha disegnato i cofani alti che sono stati tanto criticati in passato (BMW E63 e 65)  ...proprio per risolvere questi problemi di aerodinamica ...parlando della Serie 7 disegnata da lui, Bangle spiegò che in Mercedes, per esempio, questi problemi non li avevano perché potevano fare code lunghe (mentre inspiegabilmente in BMW la macchina doveva essere non più lunga di un tot)

 

 

Modificato 24 Ottobre 2019 da fastfreddy

[Damynavy]

Partiamo da qui. 

 

Teorema di Bernulli

 

https://www.youmath.it/lezioni/fisica/idrostatica-fluidodinamica/3220-equazione-di-bernoulli.html

 

Scorrere (a destra) fino a numero di Reynolds. 

 

Poi, dovrebbe essere più chiaro...

[Damynavy]

I concetti espressi sopra, applicati alle auto...

 

https://www.autotecnica.org/laerodinamica-dei-veicoli-parte-1/

 

 

 

 

 

 

 

-la W25, dotata di una carrozzeria a bassa resistenza aerodinamica: il PROFILO risultava però portante e causava il sollevamento del muso alle alte velocità.-

 

 

Disegnarono una "quasi" ala...

Modificato 24 Ottobre 2019 da Damynavy