Cos'è una geometria di sterzo "Anti-Ackermann"? E perché è così usata in Formula 1?

Tutti sappiamo quanto sia importante per una monoposto di Formula 1 tirare fuori la massima prestazione dagli pneumatici: anche se può sembrare una frase trita e ritrita, resta vero il fatto che questi ultimi sono l'unico punto di contatto tra la vettura e il suolo.

Ciò significa che tutte le forze generate durante un giro di pista - o un'intera gara - hanno modo di trasferirsi al suolo solamente tramite gli pneumatici. Se ci pensiamo, che senso avrebbe progettare una vettura in grado di generare valori mostruosi di downforce, se questo non le desse più grip per affrontare le curve? Ovviamente ben poco, nel momento in cui l'obiettivo ultimo è quello di stampare tempi sul giro quanto più competitivi...

Tra i componenti che devono essere messi al servizio della resa degli pneumatici abbiamo sicuramente la scatola dello sterzo (e le sue geometrie), progettata secondo un criterio che viene spesso chiamato "Anti-Ackermann". Ma partiamo dal principio...

Condizione di sterzatura di Ackermann

Supponiamo di osservare dall'alto un veicolo che percorre una curva (di raggio costante R) a sinistra. Nell'immagine di riferimento, per completezza, si riportano i dati geometrici relativi alla carreggiata "a" e al passo del veicolo "l".

Schema geometrico di un veicolo durante una curva a sinistra

In una condizione di questo tipo, considerando ovviamente le ruote posteriori come non sterzanti, la teoria vuole che per ridurre lo strisciamento degli pneumatici si debba avere un angolo di sterzata maggiore per la ruota anteriore destra che per quella anteriore sinistra. Ovviamente, se la curva analizzata fosse a destra, la situazione si ribalterebbe in maniera perfettamente speculare; ma, per semplicità, continuiamo a considerare il caso di curva a sinistra.

La differenza tra l'angolo di sterzatura di ciascuna delle due ruote anteriori, tuttavia, non è casuale: per portare virtualmente a zero lo strisciamento bisogna considerare la costruzione geometrica in alto. In essa, si osserva come gli assi che partono dai due centri ruota vanno ad intersecarsi in un punto appartenente all'asse posteriore... tale punto è detto "centro di istantanea rotazione", e trascurando tutti gli effetti secondari che agiscono durante il moto di un veicolo (sempre per fini semplificativi), vogliamo far sì che rimanga fisso nel tempo.

Quanto descritto prende il nome di condizione di sterzatura cinematica, o altresì "condizione di Ackermann". A livello matematico, tale scenario è pienamente realizzato se i due angoli α1 e α2 soddisfano le seguenti relazioni:

La condizione di sterzatura cinematica è così importante che viene presa come riferimento per definire la "percentuale di Ackermann", un parametro che ci dà una misura di quanto un meccanismo di sterzo si avvicini allo scenario ideale appena trattato. Per dare un'idea, abbiamo:

• Una percentuale di Ackermann del 100% se la condizione di sterzatura cinematica è perfettamente rispettata;
• Una percentuale di Ackermann dello 0% se le due ruote sterzanti hanno lo stesso angolo di sterzatura;

Quali ricadute hanno le considerazioni fatte su un veicolo in marcia?

Tutto ciò che abbiamo espresso nella trattazione del paragrafo precedente significa che, qualsiasi sia la percentuale di Ackermann, a livello visivo percepiremmo (correttamente) la ruota esterna come sterzata con un angolo inferiore rispetto a quella interna... l'unica cosa che cambia è che tale effetto si intensifica man mano che andiamo da un valore dello 0% ad uno del 100%.

Ma in Formula 1, come stiamo per scoprire, le cose non stanno assolutamente così...

Sterzi da Formula 1: si preferisce il comportamento Anti-Ackermann

Per comprendere a quali risultati abbia portato lo sviluppo tecnico delle geometrie di sterzo, basta vede l'immagine che segue, dove nella fattispecie Pierre Gasly va al punto di corda di una curva a destra con la sua Alpine A523.

Sterzatura delle ruote anteriori durante una curva a destra (Pierre Gasly, Alpine A523) - Credit: F1TV

Come si vede grazie alle linee tratteggiate in verde, le due ruote anteriori paiono - e sono - convergenti: la ruota esterna, in questo caso la sinistra, sta sterzando molto più di quella interna (la destra)... Questo è in perfetta antitesi con quanto spiegato fino a poche righe fa. Come mai?

Quello che osserviamo è un comportamento "Anti-Ackermann", in cui per incrementare l'aderenza laterale si accetta una cospicua dose di strisciamento relativo tra pneumatico e asfalto, e con esso la relativa usura delle coperture. La resistenza che si genera a causa di questo strisciamento è così elevata da avere l'effetto di ridurre la velocità del veicolo quasi come se il pilota stesse utilizzando i freni... certamente una tecnica utile nei casi in cui si corre il rischio di mancare il punto di corda, sebbene va da sè che affidarsi a questo fenomeno toglie sensibilità a chi guida...

Come trovare lo "Slip Angle" ottimale per migliorare l'aderenza?

Arrivati a questo punto, abbiamo capito che la direzione in cui puntano le ruote sterzanti è fondamentale per il livello di aderenza con cui un pilota può affrontare una curva: proviamo a complicare un attimo il discorso, introducendo nella nostra modellazione il fenomeno per il quale la forza d'inerzia tende a deformare la carcassa degli pneumatici nel "tentativo" di spingere il veicolo verso l'esterno della curva.

La forza d'inerzia infatti causa la presenza di uno slittamento laterale, per cui si può definire un angolo tra la direzione in cui le ruote "puntano" e quella in cui il veicolo effettivamente viaggia: stiamo parlando del cosiddetto "slip angle" (in italiano chiamato anche "angolo di deriva"). La domanda che gli ingegneri si pongono diventa allora: a quale slip angle corrisponde il massimo valore di aderenza laterale ottenibile?

Relazione tra aderenza laterale e slip angle di uno pneumatico - Credit: Rodrigo Santos (racingcardynamics.com)

Il grafico in alto mostra piuttosto chiaramente (linea rossa) che per poter incrementare il livello di aderenza fornito da uno pneumatico da competizione è necessario adottare meccanismi di sterzo che garantiscano uno slip angle non nullo: è proprio per questo motivo che si ricorre alla sterzatura Anti-Ackermann!

Ovviamente per pneumatici da competizione meno estremi (linea blu) e per pneumatici stradali (linea verde) la situazione risulta molto più contenuta, e anche per questo - oltre che per ridurre l'usura degli stessi - i veicoli stradali vengono progettati con sterzi ben lontani dall'essere Anti-Ackermann...

Cosa va a complicare ulteriormente la progettazione?

Per concludere, occorre precisare che quanto scritto in questo articolo potrebbe essere analizzato sotto una lente ancora più critica, introducendo nella trattazione parametri come le altezze da terra, la massa della monoposto, i livelli di carico aerodinamico della stessa e la presenza o meno di asfalto bagnato.

A parità di tutte queste condizioni, resta valido quanto detto: capite allora come la progettazione di una monoposto di Formula 1 non potrà mai mirare ad ottenere il massimo da qualunque componente che la costituisce, perché spesso ciò che aiuta nel raggiungere un target risulta deleterio su altri fronti...

Utilizzando come esempio proprio la sterzatura, abbiamo imparato che usare una percentuale di Ackermann del 100% in F1 significherebbe ridurre enormemente l'usura degli pneumatici, il che sarebbe ottimo... Ma allo stesso tempo significherebbe avere a disposizione una minore aderenza (e quindi una macchina più lenta in curva), per cui la soluzione proposta risulta molto meno allettante!

Insomma, come raccontato più volte, le esigenze di progettazione sono quasi sempre frutto di compromessi... Ma se amate l'aspetto tecnico della massima serie, questo lo sapevate già!

Sperando che questo approfondimento vi sia piaciuto, vi do appuntamento ad un prossimo articolo... Nell'occasione, vi ricordo che potete seguire Race Analysis anche su Instagram, su Twitter e su YouTube. Alla prossima!