Resistenza aerodinamica: il muro che la Fiat Turbina aveva già capito nel 1954 (AeroNEC · 1)

Nel 1954 la Fiat costruì una vettura con un motore a turbina, e nessuno se la ricorda per il motore. Se la ricordano gli ingegneri, perché quella scocca sagomata aveva un coefficiente aerodinamico di 0,14 misurato in galleria, un numero che è rimasto a lungo un record. Settant’anni dopo, il motore della Turbina è una curiosità da museo, e l’auto di serie più filante al mondo, la Mercedes EQS, si ferma a 0,20. Questa è la prima cosa da sapere sulla resistenza aerodinamica: a Torino l’avevano già capita prima di quasi tutti, e poi per decenni si sono occupati d’altro.

Anche a noi spagnoli questa materia ha toccato il portafoglio in modo molto concreto. Nel marzo del 2011, con il petrolio alle stelle, il governo Zapatero abbassò il limite in autostrada da 120 a 110 orari per quattro mesi. Fu una mossa impopolare, derisa da tutti i bar del paese, e in realtà aveva dietro un calcolo fisico serio. Da voi il limite è 130. Quei dieci chilometri orari in più, come vedremo tra poco, non costano quanto pensate. Costano molto di più.

Questa è AeroNEC, la nostra serie di cinque capitoli sull’aria. Niente coefficienti da sparare al bar: l’obiettivo è capire perché le auto sono fatte così. E si parte da quella che frena tutte, che si chiama drag in tutti i box del mondo e che è l’unica tassa a cui nessun motore può sottrarsi.

La formula che serve, una sola

La forza con cui l’aria ti ferma si calcola così:

Forza = ½ × densità dell’aria × Cx × area frontale × velocità²

Dimenticate quasi tutto e tenete l’ultimo pezzo: la velocità è al quadrato. Se raddoppi la velocità, l’aria non spinge il doppio, spinge quattro volte tanto. Da 50 a 100 orari, la resistenza quadruplica.

Ma per mantenere una velocità non basta una forza, serve una potenza, e la potenza è forza per velocità. Se la forza è già al quadrato e la moltiplichi di nuovo per la velocità, ottieni un cubo. La potenza necessaria per vincere l’aria cresce con il cubo della velocità. Per andare al doppio ne servono otto volte tanti. Niente sconti, e nessun ufficio tecnico può farci nulla.

Applichiamolo all’Italia. Passare da 120 a 130 orari sembra una differenza da niente, l’8%. Ma 1,083 al cubo fa 1,27: solo per l’aria, serve circa il 27% di potenza in più. Il contachilometri sale di poco, mentre il motore paga più di un quarto in più di quanto pagava un momento prima. E il discorso spagnolo del 2011 si capisce allo stesso modo. Da 120 a 110, l’aria chiede circa il 23% di potenza in meno. Il risparmio reale alla pompa era parecchio inferiore, perché il motore non lavora solo contro l’aria, ma la direzione era quella giusta.

Da qui si capisce anche perché una supercar da 400 orari non può accontentarsi di 200 cavalli. Se un’auto arriva a 200 con 100 CV, per arrivare a 400 con la stessa forma gliene servirebbero, solo per l’aria, circa 800. E quando si parla di 1.000 cavalli e di 450 orari, il capriccio non c’entra. È il conto che presenta il cubo.

Perché l’aria diventa cemento

La cosa è difficile da accettare, perché l’aria non si vede e ci si passa dentro con la mano. A passo d’uomo è quasi niente, a 50 comincia a spingere, a 120 è una lastra. Chi tira fuori un braccio dal finestrino in autostrada lo sa benissimo.

Il motivo è nel modo in cui l’aria si comporta. A bassa velocità si sposta con ordine. In marcia, invece, non fa in tempo a farlo: si accumula davanti al muso creando alta pressione, si sfrangia lungo la carrozzeria e dietro lascia una zona di bassa pressione che tira letteralmente la macchina all’indietro. L’aria non diventa dura, e non si comprime come si immagina: a queste velocità è un fluido normalissimo. È la differenza di pressione tra davanti e dietro a fermarti. Per chi guida, l’effetto è lo stesso di un muro. Ma ricordatevi di quella zona dietro alla macchina, perché è metà della storia e le dedichiamo un capitolo.

La bolletta sul serbatoio

In autostrada, oltre la metà della potenza del motore se ne va per vincere l’aria. Più l’auto è grande e alta, peggio è: un SUV può arrivare attorno al 70% e una berlina bassa si ferma verso il 45-50%. La velocità più efficiente di quasi ogni auto sta tra i 70 e gli 80 orari. Sotto quella soglia pesano di più il rotolamento delle gomme, la trasmissione e gli attriti meccanici. Sopra, l’aria si mangia tutto.

In Italia la crisi del 1973 si è fissata nella memoria con le domeniche a piedi, le biciclette in tangenziale e i limiti a 100 e 120. Dalla Spagna di quegli anni guardavamo le foto dei vostri bambini sui pattini in autostrada con una certa invidia. Dietro quella stagione c’era lo stesso principio del cubo. Il risparmio più facile da ottenere nell’immediato, per un intero paese, consisteva nel far andare tutti più piano e nel lasciare in pace l’aria.

Per questo due auto con lo stesso motore possono consumare in modo molto diverso sull’A1. La meccanica è uguale. A cambiare è quanto muro deve spostare ciascuna.

Quel Cx di cui tutti si vantano

Qui anche mezza stampa specializzata casca. Il famoso Cx misura soltanto quanto è pulita la forma, quanto bene l’aria scivola sulla carrozzeria senza staccarsi. Non dice quanta aria bisogna spostare. Quella la dice l’area frontale, cioè la grandezza del buco che la macchina apre nell’aria, guardandola di fronte.

La cifra che comanda è il prodotto delle due, che gli ingegneri chiamano CdA, o SCx. E con quella cominciano a cadere i miti. Una Toyota Prius ha un Cx di circa 0,24. La Bugatti Veyron, mille e passa cavalli e oltre 400 orari, si ferma a circa 0,36. Sulla carta del Cx, l’ibrida da pendolari è più aerodinamica dell’hypercar.

Il motivo è semplice. La Veyron è larga, bassa e piena di prese d’aria per raffreddare quel mostro di motore, e la sua forma è curata per restare incollata a terra a velocità pazzesche, senza decollare. Non doveva essere la più pulita del mondo. Se supera i 400 è perché risponde alla legge del cubo con una valanga di cavalli. La Prius, che è stretta e alta a forma di goccia, ha un solo scopo: consumare poco. La prossima volta che qualcuno vi vanta il Cx della sua macchina, chiedetegli l’area frontale.

Da noi questo discorso ha un precedente che vale una citazione. La Lancia Aprilia del 1937, nata con la mentalità di Vincenzo Lancia e misurata poi al Politecnico di Torino, aveva un Cx attorno a 0,47: oggi fa sorridere, ma per una berlina di serie di quegli anni era un risultato eccezionale, in un mondo di auto che si comportavano come armadi. Poi, nel 1972, Pininfarina ha inaugurato a Grugliasco la prima galleria del vento italiana in scala reale, come ricordiamo parlando della casa di Pininfarina. Per decenni, gli stessi costruttori stranieri ci hanno portato le loro macchine. Non è un caso che il disegno italiano sia stato spesso anche il più efficiente, ben prima che il tema diventasse di moda.

Il campione che non ricorda nessuno

Se conta il CdA, l’auto più efficiente non è quella con il Cx migliore. È quella che abbina un Cx basso a un corpo piccolo. E qui spunta un nome dimenticato: la Honda Insight del 1999. Un Cx di 0,25, buono senza strafare, abbinato a una carrozzeria strettissima, bassa, con coda affilata e ruote posteriori coperte. Il risultato fu il CdA più basso di qualsiasi auto di serie fino a quel momento.

Anni dopo, la Volkswagen XL1 ha abbassato ulteriormente l’asticella, ma parliamo di un esperimento di un paio di centinaia di esemplari. Tra le auto che la gente poteva comprare, l’Insight è stata la regina, e proprio per l’area. Nel frattempo, in Italia, abbiamo avuto una lezione al contrario: quanti SUV di oggi hanno un Cx rispettabile sul depliant e un muro enorme davanti? Una berlina bassa consuma quasi sempre meno in autostrada, anche quando i coefficienti scritti sui cataloghi si somigliano. La forma inganna, l’area no.

La gara al decimale

Questo non significa che il Cx non conti. Con le elettriche, ogni centesimo è oro. Mercedes ha calcolato che abbassare il coefficiente di un solo centesimo aggiunge circa il 2,5% di autonomia nei viaggi lunghi. E infatti la guerra ai decimali va avanti da un pezzo. L’Audi 100 C3 del 1982 toccò lo 0,30, diventando la berlina di serie più filante del mondo. La Mercedes W124 del 1984 scese sotto quella cifra. La Opel Calibra del 1989, con il suo 0,26, ha fatto dell’aerodinamica un argomento di vendita per gente normale. Oggi il primato di una vera auto di serie è della Mercedes EQS, con 0,20. Le elettriche hanno riportato la questione al centro, perché su un’auto a batteria ogni grammo di resistenza si legge subito nell’autonomia. E un secolo fa l’aereo con le ruote di Gabriel Voisin già ci provava, con metodi molto più coraggiosi.

Mettete accanto i numeri: 0,30, 0,26, 0,20. Poi tornate alla Fiat Turbina, con il suo 0,14 del 1954. Va detto che era un prototipo e che nessuno avrebbe potuto metterla in un garage, con quella coda e quelle pinne. Resta il fatto che a Torino, senza computer, con le gallerie di allora, hanno prodotto un numero che le auto di oggi non hanno mai raggiunto.

Tra lo 0,30 dell’Audi e lo 0,20 della EQS ci sono quarant’anni di ingegneri a combattere al centesimo: sottoscocca lisci, specchietti ridisegnati, griglie che si chiudono da sole, guarnizioni sigillate. Non si vedono, ma si pagano ogni volta che l’auto beve meno di quanto dovrebbe per la sua stazza. E basta uno specchietto risolto male, una ruota scoperta o un buco dove l’aria si infila per mandare all’aria ore di lavoro su tutto il resto. All’aria non interessano i bei dettagli. Le interessa la continuità.

Che cosa portarsi a casa

L’aria è un muro che diventa quattro volte più duro ogni volta che raddoppi la velocità, e che chiede otto volte tanta potenza per essere attraversato. In autostrada è il primo nemico del serbatoio, e il Cx da solo è mezza verità.

Da qui in poi guarderete le auto in modo diverso. Capirete perché una supercar è larga e bassa e un’auto efficiente è stretta e a goccia. Inizierete anche a sospettare di quell’alettone sulla macchina di vostro cognato, a cui dedicheremo l’ultimo capitolo della serie. E capirete perché a Maranello, da Dallara e da McLaren si litiga per un grammo di carico senza regalare velocità di punta.

L’aria però non è soltanto qualcosa che frena. Usata bene, è anche quello che incolla un’auto a terra e la fa curvare a velocità che sembrano impossibili. Quella è un’altra guerra, e la raccontiamo nel prossimo capitolo.

Nessun cavallo si salva dal conto dell’aria. Né i vostri, né quelli di Molsheim.

Controlla di essere ancora vivo.

Foto: Fiat Turbina, MrWalkr e Accurimbono (CC BY-SA 4.0); Lancia Aprilia, Franco Vannini (CC BY 2.0); Bugatti Veyron, Calreyn88 (CC BY-SA 4.0); Honda Insight, Irmantas Baltrusaitis (CC BY-SA 4.0). Via Wikimedia Commons.