Effetti aerodinamici dovuti al pilota su un modello di motociclo da competizione

INTRODUZIONE
Lo  scopo  di  questa  tesi  è  determinare  se  e  in  che  modo  il  pilota  influenza 
l'aerodinamica  della  moto.  Le  prove  sperimentali  eseguite  a  tal  fine  sono state 
realizzate nella galleria del vento dell'Università “La Sapienza” di Roma.
La propensione per questo tipo di studio viene da anni di passione per le gare di 
motociclismo, per questo è stata grande la gioia nel poter utilizzare per le prove 
sperimentali  una  riproduzione  delle  Yamaha  M1  usata  dal  grande  campione 
Valentino Rossi nel suo primo anno di gare insieme alla suddetta casa produttrice.
Nei Capitoli 1 e 2 sono raccolte una serie di informazioni di carattere generale su gli 
strumenti usati e sulle grandezze analizzate, in particolare il Capitolo 1 presenta le 
gallerie del vento, l'interazione moto-pilota e le forze che agiscono su tale sistema, 
mentre nel  capitolo 2 vengono illustrati  in  dettaglio tutti  gli  strumenti  utilizzati  in 
laboratorio, il loro funzionamento e i problemi che si sono incontrati nell'impiego.
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Il  Capitolo  3  è  un  estensione  del  2,  nel  senso  che  fa  riferimento  sempre  alle 
strumentazioni del laboratorio, ma qui ci si sofferma sulla bilancia dinamometrica, 
senza dubbio lo strumento più complicato tra quelli che si sono dovuti usare, e si 
spiega come è stata fatta la calibrazione delle celle.
Finalmente nel Capitolo 4 vengono riportati i risultati delle misurazioni, in particolare 
si  riportano  i  grafici  degli  andamenti.  Ancora  nel  capitolo  5  vengono  illustrati  i 
risultati, ma questo capitolo rappresenta il cuore di tutto il trattato, poiché qui viene 
fatto il confronto grafico tra i risultati ottenuti per la sola moto e quelli trovati con il 
pilota, quindi viene data una conclusione a quello che è lo scopo della tesi.
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CAPITOLO 1
INTRODUZIONE ALLA GALLERIA DEL 
VENTO E ALLO STUDIO DEL MODELLO
1.1 GALLERIA DEL VENTO E SUOI PRINCIPALI ELEMENTI
Anni di studi e di osservazioni hanno permesso di capire quanto sia importante 
l'aerodinamica per migliorare le prestazioni di un veicolo. Quest' affermazione 
risulta piuttosto banale se pensiamo alle competizioni motociclistiche o 
automobilistiche, dove l'aerodinamica ha priorità assoluta, eppure negli ultimi anni 
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questo studio ha interessato anche veicoli commerciali. Per poter stare al passo 
con le novità e le tecnologie moltissime case costruttrici si sono pertanto dotate di 
gallerie del vento, grazie alle quali è possibile testare l'aerodinamica dei veicoli e 
visionare i risultati in tempo reale. 
Quella che segue è una introduzione alla galleria del vento, dove vengono spiegate 
la sua configurazione, funzionamento e importanza.
Con la galleria del vento ci si propone di:
• Verificare la legge di Bernoulli;
• Misurare la resistenza aerodinamica dei corpi;
• Determinare il profilo di velocità.
Utilizzata attentamente, la galleria del vento costituisce la pietra angolare per la 
determinazione dei costi effettivi di produzione, lì dove l’aerodinamica è importante.
Questa è composta da una struttura metallica che costituisce il condotto attraverso 
il quale viene fatta circolare l'aria a velocità e temperatura controllate. All'interno del 
condotto  è  situata  una  camera  di  prova  dove  il  flusso  d'aria  deve  presentare 
caratteristiche di elevata laminarità ed il  cui profilo di  velocità deve essere il  più 
omogeneo possibile. In genere infatti, se la variazione di area A = A (x) è moderata, 
si assume che le proprietà del flusso siano costanti lungo ogni sezione, e quindi 
varino solo in direzione x (cioè perpendicolarmente a ogni sezione).
In un tubo Venturi si ha una sezione convergente – divergente, dove l'aria entra ad 
una certa velocità V1 e pressione P1 da una sezione A1, e passando attraverso la 
sezione di  area minima (gola)  raggiunge velocità  V2 e pressione P2.  Poiché il 
primo tratto di tubo è convergente e il flusso è subsonico, alla gola ci saranno 
V2 › V1 e P2 ‹ P1. Essendo però P2 inferiore al valore della pressione ambiente, si 
genera  una  forza  diretta  verso  la  sezione  di  uscita  dovuta  alla  differenza  di 
pressione, pertanto il flusso è spinto fuori dal tubo.
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Sostanzialmente una galleria del vento consiste in un largo tubo Venturi dove l'aria 
è  indirizzata  da  una  ventola  connessa  a  un  qualche  motore.  Le  ventole  che 
indirizzano il flusso e la forma del condotto creano la differenza di pressione che 
effettua lavoro sull'aria. [21]
Naturalmente bisogna ricordare che lavoriamo in  condizioni  reali,  pertanto  l'aria 
sarà soggetta a delle perdite dal punto di vista della spinta dovute all'attrito delle 
pareti e alla resistenza data dal modello che si sta testando, per questo le ventole 
costituiscono anche una fonte di energia.
Esistono tre modi principali secondo cui classificare le gallerie del vento [1].
La prima classificazione le divide in subsoniche e supersoniche, a seconda del 
numero di Mach che caratterizza l’aria che viene fatta fluire al suo interno.
Il numero di Mach è definito come:
Ma = v / c
dove v è la velocità del vento,  c la velocità del suono, definita come  c = √(γRT), 
dove  T è  la  temperatura,  il  che  significa  che  la  velocità  del  suono  non  è  una 
quantità  costante,  ma  varia  relativamente  alla  temperatura  e  al  tipo  di  gas 
considerato.
Se  Ma  <  0.3,  il  flusso  è  detto  subsonico  e  si  può  assumere  l’ipotesi  di 
incompressibilità, se invece 0.3 < Ma < 0.8, il flusso è ancora subsonico ma cade 
l’ipotesi di incompressibilità, al di sopra dello 0.8 il flusso diviene supersonico. Nel 
nostro caso opereremo sempre a Ma < 0.3. [15]
Le  gallerie  del  vento  possono  anche  venire  classificate  a  seconda  del  tipo  di 
circuito, che può essere chiuso, detto di Prandtl, o aperto, detto di Eiffel. Nel primo 
caso il circuito si richiude su se stesso e la massa circolante d’aria è sempre la 
stessa,  mentre  nel  secondo caso la massa d’aria che transita  nella  “camera di 
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prova” va persa alla fine del condotto, con conseguente continuo ricambio d’aria in 
galleria. [1]
Una comune esigenza per i vari tipi di galleria del vento è la minimizzazione della 
potenza da fornire al ventilatore installato all’interno del circuito, il quale genera la 
portata d’aria necessaria per il raggiungimento della desiderata velocità di deflusso 
in camera di prova.
Fig 1.  Esempio di diffusori in galleria del vento.[2]
Poiché le perdite di carico medie lungo ogni pezzo di circuito sono proporzionali al 
quadrato  della  velocità  media  di  attraversamento  per  ogni  tratto,  allora  per 
ottimizzare la potenza, bisognerà mantenere bassa la velocità di  percorrenza di 
ogni sezione del condotto. Inoltre, assegnata la portata, la velocità di deflusso è 
inversamente proporzionale alla sezione trasversale del condotto, e ciò si traduce 
nell’aumento graduale delle sezioni del condotto al di fuori della sezione di prova 
(divergenza delle pareti). Ecco perché, indipendentemente dal tipo di galleria, la 
camera di prova risulta avere sempre la minima sezione di attraversamento e la si 
trova  sempre  a  valle  di  un  condotto  convergente,  mentre  viene  seguita  da  un 
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condotto diffusore, la fine del quale, nelle gallerie a circuito chiuso, coincide con 
l’inizio del tratto convergente.
In  virtù  del  progressivo  aumento  della  sezione,  a  valle  del  circuito  si  avrà  un 
recupero di pressione, che differirà dall’andamento teorico dato dall’equazione di 
Bernoulli, a causa delle inevitabili perdite di carico associate alla condizione reale 
del fluido. [1]
Un ultimo tipo di  classificazione è basato sul  tipo di  camera di  prova,  che può 
essere chiusa (flusso confinato), o aperta (tra i tratti convergente e divergente, il 
getto d’aria  è lasciato libero di  modificare la  curvatura delle  sue linee di  flusso 
periferiche).  Nel  caso  di  camera  chiusa,  possono  apparire  degli  errori  nelle 
misurazioni legati alla presenza delle pareti, in tal caso si parla appunto di “effetto 
parete”. Gli effetti dominanti sono:
o Bloccaggio del corpo;
o Bloccaggio di scia;
o Ispessimento dello strato limite.
Il  primo  di  essi  riguarda  l’aumento  di  velocità  dovuto  all’inevitabile  riduzione 
dell’area di passaggio per l’aria nella camera di prova a causa della presenza del 
modello,  a  cui  segue una riduzione di  pressione statica.  Tale  fenomeno è  non 
uniforme nel campo di moto, ma tende a ridursi vicino alla superficie del corpo, per 
questo è un errore cercare di correggere le misure. [1]
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Fig 2a e 2b. Linee di flusso per pareti dritte e pareti curve [16]
Finché il rapporto tra la sezione frontale del modello e quella della sezione di prova 
si  mantiene al  di  sotto del  5 – 7 % si  può trascurare l’effetto delle  pareti  della 
galleria,  altrimenti  delle nuove tecnologie permettono di  accelerare lentamente il 
flusso mentre l’aria passa tra il modello e le pareti, generando una forza risultante 
totale  che  può  essere  valutata  come  errore,  quindi  corretta  nelle  misure. 
Cambiando poi la forma delle pareti,  in modo da seguire le linee di  flusso, non 
avviene  più  alcuna  accelerazione  del  flusso  attorno  al  modello,  così  che  il 
bloccaggio del corpo è definitivamente rimosso. (Fig.2a e 2b) [1]
Le  compagnie  costruttrici  di  automobili,  che  come  già  detto  utilizzano 
principalmente  le  gallerie  del  vento  per  lo  studio  dell'aerodinamica  dei  veicoli, 
ultimamente si stanno interessando ad un nuovo problema, che riguarda il rumore 
generato dal corpo macchina durante i test. In questo caso la galleria, oltre alle 
normali  caratteristiche  richieste,  dovrà  avere  di  per  sé  delle  buone  qualità 
acustiche, in modo da ridurre il rumore che essa stessa genera, e quindi al fine di 
ridurre al minimo l’errore sulla misurazione. [21]
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Nel nostro caso la galleria del vento è necessaria per poter valutare le prestazioni 
di un veicolo a due ruote. La prima condizione è avere una pavimentazione che sia 
in grado di simulare la strada, è importante poi che il bloccaggio della moto a terra 
avvenga in modo che l'area dello stesso sia ridotta al minimo, in modo da interferire 
in maniera trascurabile con le grandezze misurate.
In termini pratici,  una volta che siamo nella galleria del vento, indirizziamo l'aria 
verso l'oggetto dei test, per noi la motocicletta, ed andiamo a misurare, attraverso 
dei  sensori,  l'entità  delle  forze  agenti  su  di  essa.  Per  valutare  le  prestazioni 
aerodinamiche di  una motocicletta e prescindere il  più possibile dalle condizioni 
ambientali  in  loco,  è  necessario  risalire  ad  alcuni  parametri  detti  coefficienti  
adimensionali delle forze, esprimibili come:
Cf = 2F / (ρAv²)
Tali  coefficienti  dipendono quindi  sia da misure statiche (temperatura,  pressione 
ambiente  e  umidità  relativa,  attraverso  la  densità)  che  da  misure  dinamiche 
(velocità dell’aria, carichi agenti sul corpo in esame). Semplificando possiamo dire 
che tali coefficienti dipendono dalla forma del corpo su cui incide l'aria e dal numero 
di Reynolds, dove il numero di Reynolds è definito come:
Re = ρ v l / η  
Dove:
• ρ è la densità del fluido;
• v è la velocità;
• l è una grandezza caratteristica (in un tubo l = d, che è il diametro);
• η è la viscosità dinamica del flusso.
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In  figura  (3)  è  visibile  l'andamento  del  coefficiente  adimensionale  di  resistenza 
viscosa in funzione di Re.
Fig 3.  Andamento del coefficiente di resistenza viscosa in funzione del numero di Reynolds.
Flussi aventi lo stesso Re si dicono similari. Si definisce il Recritico come quel numero 
al di sopra del quale il flusso da laminare diventa turbolento.
Successivamente,  tenendo  conto  della  distanza  dai  punti  di  applicazione  della 
forza, si derivano i momenti, importanti perché influenzano sensibilmente la stabilità 
di marcia, con i relativi coefficienti adimensionali:
Cm = 2M / (ρbAv²)
dove b è il braccio.
Universalmente per  la determinazione pratica delle  forze aerodinamiche a cui  il 
veicolo  è  soggetto  si  utilizzano  molti  strumenti,  tra  cui  una  bilancia  di  carico 
appositamente costruita. E’ l’elemento più importante della catena di misura, un 
errore  anche  piccolo  nella  sua  progettazione  e  successiva  realizzazione  può 
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