Bilancia estensimetrica sull'ala anteriore di una vettura di Formula 3

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fornendo però delle stime che, per forza di cose, non offrono un grado di 
precisione molto elevato. 
 A tale lacuna tenta, ambiziosamente, di porre parziale rimedio questa tesi, 
finalizzata alla realizzazione di un sistema di acquisizione dati del carico 
aerodinamico agente sull’ala anteriore della Dallara F301, monoposto di 
fabbricazione italiana realizzata dalla Dallara Automobili per il Campionato 
Nazionale di Formula 3 dei vari Paesi in cui tale competizione ha luogo. La scelta 
di una vettura di Formula 3, peraltro, non è casuale: come vedremo, alla base del 
sistema proposto si pone la lettura (mediante estensimetri) delle microdeformazioni 
indotte, sui supporti dell’ala anteriore, dal carico agente sull’ala stessa. Sulla F301, 
il supporto con cui l’ala è “appesa” al musetto della vettura, è realizzato in ERGAL 
7075, poi ricoperto da un’opportuna carenatura aerodinamica in fibra di carbonio. 
In Formula 1 e Formula 3000, invece, tutte le vetture adottano dei supporti 
realizzati in materiali compositi, molto più rigidi (cioè meno deformabili e che 
quindi si prestano poco a dei rilievi estensimetrici) e poco adatti all’applicazione 
delle “sonde” estensimetriche, dei cavi e dei relativi ancoraggi poiché tale 
applicazione, effettuata sulla superficie del supporto, ne modificherebbe 
sensibilmente la geometria, portando ad un “disturbo” (aumento della resistenza) 
dell’aerodinamica del pezzo e, conseguentemente, dell’intera vettura. Nei supporti 
della F301, invece, il sistema viene “nascosto” dalla carenatura e non induce alcuna 
variazione delle caratteristiche aerodinamiche del pezzo. 
 Vale peraltro la pena osservare che uno studio di tale natura non può essere 
eseguito senza un’adeguata analisi preventiva del pezzo in questione, analisi 
effettuata secondo i procedimenti sviluppati nell’ambito della Teoria degli Elementi 
Finiti, a monte delle imprescindibili prove sperimentali di laboratorio. Tale analisi, 
eseguita preliminarmente presso il Centro di Calcolo del Dipartimento d’Ingegneria 
Aerospaziale del Politecnico di Milano, ha ottenuto così due importanti risultati. In 
primo luogo, l’analisi dello stato di deformazione del supporto ha permesso di 
identificare la zona “ideale” in cui applicare le due griglie estensimetriche 
impiegate nelle prove. I criteri privilegiati ai fini di tale ricerca sono stati derivati da 
considerazioni pratiche, relative alla sensibilità della rosetta estensimetrica: si è 
cercato di individuare la zona caratterizzata dal massimo grado di deformazione e 
dallo stato tensionale più uniforme possibile. Inoltre, la valutazione delle 
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microdeformazioni, fornite dalla simulazione, ha consentito la formulazione di un 
“modello” teorico essenziale per l’elaborazione di un’adeguata funzione di 
trasduzione, funzione la cui ricerca, in buona sostanza, rappresenta il motivo 
ispiratore di questa tesi. La “bontà” di tale modello, rappresentato da una semplice 
funzione matriciale razionale di secondo ordine, è stata poi certificata coi dati 
sperimentali ricavati nelle prove di laboratorio, consentendone la definitiva 
adozione quale funzione di trasformazione che, dalle microdeformazioni rilevate 
dagli estensimetri, consente la determinazione, istante per istante, della deportanza 
totale agente sull’ala anteriore e del posizionamento della sua risultante sulla corda 
media aerodinamica. Per effetto delle irregolarità della pista e di altri fattori 
perturbanti, infatti, l’assetto istantaneo della vettura può subire, nel corso di ogni 
giro, delle escursioni significative, provocando delle variazioni dell’angolo 
d’incidenza e il conseguente spostamento del centro di pressione dell’ala. 
 L’effettiva funzionalità e affidabilità del sistema è stata infine collaudata in 
pista, dopo aver montato il supporto estensimetrato, le centraline di acquisizione e i 
relativi cablaggi su una vettura da competizione appartenente al team “Del Gallo”, 
nel corso di una gara, valevole per l’ultimo Campionato Italiano di Formula 3, 
disputata nell’autodromo internazionale “Santa Monica” di Misano Adriatico il 29 
luglio 2001. 
 Questa tesi, lungi dal presentarsi quale studio esaustivo del problema in 
esame, si propone piuttosto come spunto per altri e più completi approfondimenti, 
nella speranza di offrirsi, quale modesto contributo, alla ricerca applicata al fertile 
campo dell’automobilismo sportivo. 
 
 
L’AUTORE 
 
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CAPITOLO 1: ACQUISIZIONE DATI 
 
 
 
1.1 DEFINIZIONE 
 
Con il termine “acquisizione dati” s’indica, in pratica, qualsiasi attività o 
strumentazione di controllo e monitoraggio del funzionamento di un apparecchio o 
di un macchinario. Se tale misurazione avviene a distanza di sicurezza si preferisce 
usare il termine “telemetria”. Questo tipo di tecnica, per esempio, si utilizza per 
tenere sotto controllo le funzioni di un missile, oppure per misurare quanto distano 
due oggetti tra di loro (telemetro), oltre, naturalmente, per controllare il 
funzionamento di prototipi, confrontando i dati ottenuti con i dati previsti in sede di 
progetto. Più generalmente, e per quanto concerne questa tesi, l’acquisizione dati (o 
la telemetria) è quella tecnica che permette di conoscere cosa sta accadendo a bordo 
dei mezzi sportivi (automobili, motocicli, imbarcazioni). 
 
 
1.2 PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO 
 
Semplificando molto, in campo automobilistico, un sistema d’acquisizione 
dati è costituito da tre elementi: una rete di sensori, una centralina con uno o più 
computer per raccogliere i dati a bordo dell'automobile, un sistema informatico per 
elaborare e gestire tutti i dati e per presentarli ai tecnici che dovranno poi 
interpretarli. 
 I sensori usati possono comprendere, oltre ai consueti rilevatori di 
temperatura, pressione e numero di giri, dispositivi sofisticati come piattaforme 
inerziali e rilevatori di deformazione di geometria; questi dispositivi sono 
interfacciati ad una centralina computerizzata, che immagazzina i dati e li 
comprime. Nel caso si utilizzi un sistema di telemetria, viene inoltre applicato un 
algoritmo di cifratura (durante le prove o la gara, è di vitale importanza non far 
sapere ai team avversari i dati delle proprie monoposto); a questo punto, i dati sono 
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pronti per essere trasmessi ai box. Normalmente però, una vettura di un team di 
Formula 3 non trasmette i dati in tempo reale, perché una nota specifica del 
regolamento tecnico FIA (art.5.7) vieta esplicitamente l’impiego della telemetria in 
gara e durante le prove ufficiali, ma si limita a comprimerli e registrarli in un 
apposito computer di bordo, per poi scaricarli, mediante un apposito sistema di 
cablaggio, in un computer posto nei box al termine della gara o della sessione di 
prove. 
 Su ogni vettura sono installate decine di sensori che trasmettono parametri 
significativi. I dati della telemetria vengono scaricati dalla monoposto e poi, grazie 
all’impiego di un particolare software dedicato, vengono elaborati e rappresentati ai 
box tramite dei diagrammi di andamento delle varie funzioni vitali della macchina. 
Questo consente di determinare, per esempio, le regolazioni dalla monoposto su un 
determinato circuito, basandosi sui dati raccolti durante tutte le passate sessioni di 
prove e gran premi. Tutti i dati raccolti sono poi utilizzati per creare un modello di 
comportamento della monoposto, in modo da provare diverse combinazioni ancora 
prima di accendere il motore sulla pista. 
 
 
1.3 I SENSORI IMPIEGATI IN UN SISTEMA DI ACQUISIZIONE DATI 
PER UNA VETTURA DI FORMULA 3 
 
Una grande varietà di sensori di diversa natura è normalmente impiegata in un 
sistema di rilevazione telemetrica: oltre ai sensori termici, si usano dei rilevatori di 
velocità, quali ad esempio dei tubi di Pitot. Altri sensori sono impiegati per la 
misurazione del numero di giri (delle ruote, ad esempio): normalmente ci si affida a 
rilevatori ottici, ma questo tipo di applicazione tuttavia non viene impiegata per la 
rilevazione di parametri relativi al motore poiché una nota specifica del 
regolamento della Formula 3 (art. 3, Regola 5) impedisce, infatti, qualunque 
rilevazione telemetrica connessa all’impianto propulsivo. Questi componenti hanno 
costi elevatissimi, in quanto progettati generalmente per usi aeronautici; inoltre, per 
motivi d’ingombro e pesi, aumentano sensibilmente i costi.                               
.    Diverso è il discorso relativo alla geometria del telaio: è possibile misurarne 
la deformazione in vari modi, utilizzando sensori d’allineamento ottici oppure degli 
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estensimetri: placchette resistive che variano la loro resistenza in base alle 
deformazioni della struttura sulle quali sono applicate; con questo sistema è anche 
possibile misurare gli sforzi nei materiali, oltre che la deformazione di oggetti come 
le pareti dei cilindri o le testate dei motori. Per lo schiacciamento delle sospensioni 
si può far uso di metodi differenti: ottici, resistivi o magnetici. 
 
 
 
 
 
 
Figura 1-1: Una rosetta estensimetrica applicata ad un supporto 
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1.4 IL SISTEMA DI RILEVAMENTO DEL CARICO AERODINAMICO 
AGENTE SULL’ALA ANTERIORE 
 
1.4.1 Il Carico Aerodinamico 
 
Il peso complessivo, in ordine di marcia, di una vettura di Formula 3 è fissato, 
per regolamento, sui 540 Kg. Data la grande leggerezza della monoposto, si rende 
necessario, al fine di garantire una sufficiente aderenza alla vettura, l’applicazione 
di un carico “supplementare” che, senza appesantire la vettura (senza cioè 
aumentarne la massa inerziale), garantisca uno schiacciamento di quest’ultima 
verso il suolo. Tale forza, di origine aerodinamica, è fornita, oltre che dal fondo 
piatto della vettura, da due superfici deportanti, una anteriore e una posteriore 
rispetto al telaio. 
 Nonostante l’importanza cruciale rivestita dal carico aerodinamico, un 
sistema di valutazione “diretta” del carico agente su ogni superficie deportante non 
è mai stato realizzato, neppure per i sofisticati sistemi di rilevazione telemetrica 
adottati dai più prestigiosi team di Formula 1. La stima delle forze aerodinamiche 
agenti su ogni monoposto, infatti, viene normalmente dedotta e calcolata valutando 
parametri diversi, quali la velocità istantanea della vettura e lo schiacciamento delle 
sospensioni, note a priori le caratteristiche geometriche (e i coefficienti 
aerodinamici) delle superfici interessate. Tale stima, pur offrendo con un buon 
grado di approssimazione la deportanza, non fornisce però indicazioni 
sufficientemente precise sulla reale distribuzione di tale forza: non è esattamente 
nota, ad esempio, quale sia la percentuale di deportanza esercitata da ognuno dei 
due alettoni. Una stima di massima di tale distribuzione può essere effettuata a 
partire dalle caratteristiche geometriche di ogni singolo ala ma non può fornire, per 
forza di cose, una valutazione sufficientemente accurata del reale andamento delle 
forze in gioco. 
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1.4.2 Il Carico Aerodinamico agente sull’ala anteriore 
 
La superficie anteriore di una vettura di Formula 3 è, a tutti gli effetti, un’ala. A 
differenza di quella impiegata in un comune aeromobile, tuttavia, la componente 
verticale della forza aerodinamica agente (deportanza) è diretta verso il basso, per 
aumentare l’aderenza della vettura. La risultante del carico aerodinamico che 
sollecita l’ala è applicata in un punto detto “Centro di Pressione” ed è 
completamente definita da tre parametri (vedi figura 1-2): la deportanza (L), ossia 
la componente verticale; la resistenza (R) cioè la componente orizzontale e la 
distanza da un riferimento fisso (per esempio il bordo d’attacco) del Centro di 
Pressione. In questa ricerca, per semplicità, il contributo dato dalla resistenza sarà, a 
tutti gli effetti, trascurato. Per inciso, l’errore che si commette trascurando la 
presenza della resistenza aerodinamica è stato valutato a posteriori, nel corso della 
prova in pista, inferiore al 10%. 
 
 
DEPORTANZARESISTENZA
 
 
Figura 1-2: Il carico aerodinamico agente sull’ala anteriore. 
VELOCITÀ 
DELL’ARIA 
 9
Deformazioni  
 
 
1.4.3 Il Rilevamento Estensimetrico 
 
Il carico aerodinamico sopra visto si trasmette alla vettura mediante due supporti 
realizzati in lega d’alluminio (precisamente ERGAL 7075). Per effetto di tale 
carico, i supporti stessi si deformano in funzione della forza applicata. Misurando 
perciò queste deformazioni, mediante l’impiego di un’apposita sonda non intrusiva 
a variazione resistiva (detta “estensimetro”), è possibile risalire, a “ritroso”, ai 
carichi originali, dopo un’apposita taratura diretta. 
 
 
1.5 LA FUNZIONE DI TRASDUZIONE 
 
 Volendo determinare i parametri che definiscono la risultante del carico 
aerodinamico, a partire dalle deformazioni rilevate dagli estensimetri, è necessario 
determinare il legame o la relazione algebrica che intercorre tra i dati d’ingresso (le 
deformazioni) e quelli d’uscita (i parametri del carico). L’insieme di tali relazioni 
prende il nome convenzionale di “Funzione di Trasduzione” (vedi figura 1-3). La 
ricerca di tale funzione rappresenta, appunto, il fine ultimo di questa tesi. 
 
  
 
 
    INGRESSO      USCITA 
 
 
 
Figura 1-3: La Funzione di Trasduzione 
 
 FUNZIONE DI 
TRASDUZIONE 
 
Carico aerodinamico   
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CAPITOLO 2: LA DALLARA F301 
 
 
Figura 2-1: Una Dallara F301 e, dietro, una Dallara F300. Entrambe 
adottano lo stesso tipo di musetto. 
 
2.1 LA VETTURA 
 
La Dallara F301 è una monoposto da competizione realizzata dall’omonima casa 
automobilistica italiana su commissione dei team partecipanti ai vari campionati 
organizzati, ogni anno, dalla Federazione Internazionale dell’Automobilismo. Gran 
parte dei requisiti fisici della vettura vengono rigidamente definiti da precise norme 
del Regolamento Tecnico che stabiliscono, ad esempio, che le ruote debbano essere 
obbligatoriamente scoperte, con il treno anteriore differente, per dimensioni e 
diametro, da quello posteriore. Il telaio della F301 è realizzato in materiale 
composito (fibra di carbonio), in grado di conferire alla vettura una grande 
rigidezza strutturale senza appesantirla in modo eccessivo. Il regolamento, infatti, 
pur stabilendo un limite minimo per il peso complessivo in ordine di marcia (540 
Kg) della vettura, non definisce delle norme precise in merito alla ripartizione del 
peso stesso, consentendo ai progettisti di distribuire i pesi secondo le rispettive 
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esigenze. Per questa ragione, il peso dell’intera struttura portante (telaio, musetto) 
non supera i 50 Kg. 
 Il musetto della vettura, come avviene da un po’ di tempo anche in Formula 
1, è rialzato rispetto al piano dell’asfalto, per aumentare la quantità l’aria da 
convogliare sotto al suo fondo piatto. Quest’ultimo ha una forma ad imbuto, con la 
sezione anteriore più grande di quella posteriore, perciò la velocità dell’aria in 
uscita, per il Teorema di Bernoulli, è nettamente superiore che in entrata. La 
depressione che si viene a generare determina una forza che schiaccia la monoposto 
verso il suolo, forza che si va ad aggiungere alle deportanze dei due alettoni. La 
risultante complessiva è talmente elevata da superare la forza di gravità, 
permettendo, per assurdo, di viaggiare su di un’immaginaria pista capovolta senza 
staccarsi da essa. 
 Il motore situato posteriormente (subito dietro al sedile del pilota), non deve 
superare per regolamento i 2000 cc, non può essere sovralimentato e deve avere al 
massimo 4 cilindri. Genera mediamente una potenza di 210HP a 6200 giri al 
minuto mentre la coppia max è di 24-26 Kgm a 5700-5900 giri/minuto, con una 
velocità massima che s’aggira intorno ai 270 Km/h. Si tratta, ovviamente, di puri 
valori di riferimento giacché ogni team è libero di scegliere il motore che 
preferisce, pur nel rispetto dei limiti imposti. 
La F.I.A. impone norme molto severe per l’omologazione delle vetture che 
partecipano ai vari campionati nazionali di Formula 3. Tali norme, oltre a definire 
(come abbiamo visto) lo standard di riferimento per i principali parametri che 
definiscono i margini di competitività d’ogni singolo team, sono soprattutto dettate 
da imprescindibili requisiti di sicurezza atti a tutelare l’incolumità fisica dei piloti. 
A questo fine, i prototipi delle vetture vengono preliminarmente sottoposti a una 
nutrita serie di test, atti a verificarne l’idoneità strutturale a seguito di urti frontali, 
laterali o connessi a un ipotetico ribaltamento delle monoposto. 
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Figura 2-2: Dati essenziali della Dallara F301 
 
 
Peso minimo in ordine di marcia=540kg 
Passo=2678 mm 
Carr.Ant.=1500mm 
Carr.Post.=1430mm 
Potenza=210HP a 6200 rpm 
Coppia Max=24-26 kgm a 5700-5900rpm 
Vmax=270 km/h 
Apertura alare ant.=1280mm 
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2.2 IL SUPPORTO DELL’ALA ANTERIORE 
 
 
 
 
Figura 2-3: Particolare del musetto di una Dallara F301 
 
Nel corso degli ultimi anni i musetti si sono notevolmente modificati, in parte per 
motivi aerodinamici, in parte per motivi strutturali. La prima vettura a modificarlo 
sostanzialmente nei primi anni ‘90 fu la Benetton in Formula 1, che ne introdusse 
uno parzialmente rialzato definito “a becco d’anatra” per la sua forma insolita. 
Poiché il resto del telaio derivava completamente da quello della stagione 
precedente, l’attacco tra quest’ultimo e il musetto era posto molto in basso, 
costringendo così i progettisti ad incurvarlo in modo notevole. 
 L’ala era ancora calettata direttamente al musetto perciò, per sfruttare 
pienamente l’effetto suolo che si generava tra il profilo e il terreno, gli si diede la 
forma ad “ali di gabbiano rovesciate”. Tutto ciò, a parità d’apertura alare, creava 
però una deportanza totale inferiore a quella generata dall’ala precedente, poiché la 
risultante aerodinamica per ogni semiala, a causa della presenza di una componente 
orizzontale, non era più verticale, ma obliqua. 
 In seguito, nel corso degli anni, i musetti vennero prima completamente 
rialzati, riprogettando il resto del telaio in funzione di questa modifica, 
posizionando così la parte anteriore dell’abitacolo più in alto, costringendo così i 
piloti ad una posizione maggiormente “sdraiata”. Successivamente però, i 
progettisti ritennero di dover modificare ancora la forma dell’ala, abbandonando la 
forma ad ali di gabbiano e riproponendo, in sostanza, la vecchia soluzione ad ala 
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“dritta”, orizzontale e posizionato in prossimità dell’asfalto, per sfruttare 
maggiormente “l’effetto suolo”. Si rese così necessario separare l’ala dal corpo 
della vettura, introducendo dei supporti verticali che colleghino l’ala stessa, posta in 
basso, con il musetto più in alto.  
 Nella Dallara F301, come si vede dalla fotografia, si fa uso di quest’ultima 
soluzione, con due supporti in lega d'alluminio (Ergal 7075) “nascosti”, per 
questioni aerodinamiche, da due carenature in fibra di carbonio. I supporti sono 
fissati alla parte inferiore del musetto e al dorso dell’ala mediante giunzioni 
filettate, e non rappresentano un blocco unico come avviene nelle vetture della 
Formula 1. Si tratta di una scelta dettata da più motivi quali la semplicità e la 
rapidità di montaggio. Inoltre, in caso di rottura o incidente, è sufficiente cambiare 
solo la parte danneggiata (es. l’ala), e non l’intero “blocco”. 
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2.3 I MATERIALI 
 
A differenza del resto della struttura portante che, come abbiamo visto, è costruito 
in fibra di carbonio, i supporti dell’ala anteriore sono realizzati con una lega 
particolare di alluminio: l’ERGAL 7075, le cui caratteristiche sono riportate nella 
pagina seguente. Tra tutte le leghe d’alluminio è quella con le caratteristiche 
meccaniche fra le più elevate e viene impiegata principalmente nell'industria 
aeronautica e in quella automobilistica. 
La scelta di utilizzare un supporto in lega d’alluminio è tutt’altro che scontata: in 
molte altre applicazioni automobilistiche (come in Formula 3000, ad esempio) si 
preferisce impiegare altri materiali (per lo più compositi). Uno dei vantaggi di tale 
scelta sta nella facilità di realizzazione del pezzo in questione: a differenza dei 
supporti in materiale composito, quello della Dallara F300 è stato ottenuto con una 
fresatura a controllo numerico, procedura che semplifica ulteriormente la 
lavorazione poiché caratterizzata da un elevato livello d’automazione. Per di più, 
l’Ergal 7075 si presta bene alla lavorazione con macchine automatiche, a dispetto 
delle altre leghe che tendono a formare un truciolo continuo che s'avvolge 
facilmente attorno all'utensile, obbligando l’operatore ad interrompere il lavoro per 
asportarlo. Si tratta di una caratteristica di non poco conto che rende l’ERGAL una 
lega d’alluminio decisamente superiore rispetto alle altre.