Trombe di aspirazione: la fisica della bocca svasata, dalla Pegaso alla Ferrari 360

In Italia le trombe di aspirazione le conoscete meglio di chiunque altro: le avete viste per decenni spuntare dai Weber di Alfa, Ferrari e Lancia, lucide come canne d’organo. Proprio per questo vengono trattate come un pezzo d’arredamento. C’è chi le monta perché fanno scena e chi le toglie per metterci un filtro a fungo, convinto di non perdere niente. Sbagliano tutti e due, perché quella bocca svasata è pura fisica, e di fisica ne contiene due tipi diversi.

Nel primo capitolo di questa serie abbiamo visto come un motore aspirato sfrutti le onde di pressione nel condotto per riempire il cilindro più di quanto farebbe la sola pressione atmosferica. Dopo il bonus sul filtro dell’aria, questo secondo bonus si occupa della parte che avevamo lasciato in sospeso: l’imbocco, il punto esatto in cui l’aria viene afferrata.

Le trombe lavorano su due fronti. Il primo è la forma della bocca, cioè quanta aria entra pulita e quanta se ne perde all’ingresso. Il secondo è la lunghezza del condotto, che decide quando le onde di pressione tornano alla valvola, e anche lì la forma della bocca ci mette lo zampino. Confondere le due cose è il motivo per cui sulle trombe circolano tante sciocchezze.

Lo spigolo vivo si mangia il diametro

Prendete un tubo tagliato a squadra e provate a farci entrare aria in fretta. L’aria che arriva dai lati deve girare attorno al bordo, e a quella velocità non ce la fa: si stacca dalla parete e forma vortici proprio sull’ingresso. I vortici occupano posto, la corrente si stringe in una vena più sottile del tubo e il diametro che avete pagato lavora come se fosse più piccolo.

Con la bocca svasata lo spigolo sparisce. L’aria segue la curva, resta attaccata alla parete e riempie tutta la sezione. Gli ingegneri misurano la differenza con il coefficiente di efflusso, il rapporto tra l’aria che passa davvero e quella che passerebbe dallo stesso foro in condizioni ideali.

I numeri più chiari li hanno pubblicati Gordon Blair, professore alla Queen’s University di Belfast e una vita passata a modellare motori da corsa, e W. Melvin Cahoon, ingegnere della Volvo Penta, in uno studio sulle bocche d’aspirazione uscito sulla rivista Race Engine Technology. Hanno simulato al computer il flusso con la piccola differenza di pressione che vede un’aspirazione reale. Il tubo tagliato a squadra si fermava a un coefficiente di 0,567. Con un semplice raggio sul bordo saliva a 0,719. La loro tromba migliore, a profilo ellittico, arrivava a 0,743. In portata, circa 30 grammi al secondo contro circa 36: un 20% d’aria in più dallo stesso foro.

Il dettaglio che di solito non si racconta è dove sta il guadagno. Il salto grosso è tra nessuna tromba e una tromba qualsiasi fatta bene. Tra un semplice raggio e il profilo ellittico perfetto ballava solo un 3,5% di coefficiente. Blair e Cahoon hanno lasciato anche la ricetta: imbocco circa 2,13 volte il diametro del tubo, tromba lunga quanto il diametro d’uscita. Ecco perché nessun motore da corsa con un corpo farfallato per cilindro lascia mai il tubo nudo.

Il limite del guadagno

Quel 20% però si misura sulla bocca, da sola. Al cilindro interessa tutto il percorso, e su quasi tutti i motori, a quasi tutti i regimi, la strozzatura vera non è la tromba ma la valvola di aspirazione, dove l’aria deve infilarsi nella corona sottile tra fungo e sede mentre la valvola è ancora mezza chiusa. Rispetto a quel collo di bottiglia, una bocca migliore è un guadagno reale ma piccolo. Chi giura di aver trasformato il motore solo con delle trombe nuove ha cambiato anche qualcos’altro, oppure vende trombe.

La lunghezza sposta la coppia

La seconda funzione è quella che conta davvero per il carattere del motore, perché la tromba è anche un pezzo di tubo, e la lunghezza del tubo decide a che regime arriva la spinta gratuita.

Il meccanismo va raccontato bene, perché quasi tutti lo raccontano al contrario. Quando la valvola si apre e il pistone scende, risucchia la colonna d’aria nel condotto e manda verso l’imbocco un’onda di depressione. Arrivata all’estremità aperta, quell’onda si riflette e cambia segno: parte come depressione e torna come sovrapressione. Un’eco che rientra rovesciata.

Se il condotto ha la lunghezza giusta, la sovrapressione arriva alla valvola quando è ancora aperta, verso la fine dell’aspirazione, e infila nel cilindro un’ultima dose d’aria prima della chiusura. Senza turbo né compressore, solo con il respiro del motore rimandato indietro al momento giusto.

L’onda viaggia alla velocità del suono, quindi il tempo di ritorno dipende dalla strada da fare. I preparatori americani usano da decenni una regola empirica: giri al minuto per lunghezza in pollici uguale a 84.000. Con quella regola, per accordare a 4.500 giri servono circa 47 centimetri di condotto, per 9.000 giri poco più di 23. Condotto lungo, coppia ai bassi e medi. Condotto corto, potenza in alto. La lunghezza si conta dalla valvola alla bocca, quindi la tromba è il pezzo con cui il preparatore sposta il punto buono. Va presa come punto di partenza: presuppone un certo modo d’onda, la velocità del suono cambia con la temperatura e la lunghezza efficace dipende anche dalla forma dell’imbocco.

Facciamo un caso concreto, per capire quanto sono piccoli i numeri in gioco. Un quattro cilindri sportivo che si vuole far spingere a 7.000 giri chiede, secondo la regola, 12 pollici, cioè circa 30 centimetri dalla testa della valvola alla bocca della tromba. Togliete il condotto nella testata e quello del corpo farfallato, e alla tromba restano pochi centimetri da giocare. Ecco perché al banco si provano trombe di lunghezze diverse, guardando dove si sposta la curva di coppia: accorciare di poco sposta il picco verso l’alto, allungare lo porta giù, e con lui si sposta anche il buco che ogni accordatura lascia da qualche altra parte del contagiri.

Gli americani ci hanno costruito sopra un’auto di serie. Nel 1960 Chrysler offriva sulla 300F, e su Dodge D500 e Plymouth Sonoramic, collettori a condotti lunghi circa 30 pollici, 76 centimetri per cilindro, due collettori incrociati sopra il V8 con un quadricorpo per bancata. Con la regola dei preparatori si arriva intorno ai 2.800 giri, e Chrysler dichiarava fino al 10% di coppia in più. Il prezzo è sempre lo stesso: con una lunghezza fissa non puoi avere insieme il massimo in basso e il massimo in alto. Scegli una banda, l’altra resta a metà.

Maranello ha smesso di scegliere

La via d’uscita è un collettore che cambia lunghezza efficace con i giri, e uno degli esempi più eleganti lo conoscete bene: la Ferrari 360 Modena di fine anni Novanta. Le trombe non si allungano: è il collettore che apre e chiude passaggi interni.

A pochi giri e con poco gas l’aria percorre condotti lunghi e stretti, che danno coppia. Secondo una descrizione tecnica del sistema, oltre i 5.500 giri circa e con l’acceleratore aperto più del 45%, delle farfalle comandate da un attuatore pneumatico si aprono e offrono all’aria un percorso molto più largo e lungo meno della metà. Su un V8 di 3,6 litri che dà la potenza massima a 8.500 giri, la distanza tra la coppia in città e l’urlo in alto è enorme, ed è lì che il trucco paga. La stessa idea si trova, con altre soluzioni, in tanti collettori variabili di costruttori generalisti. La Ferrari F430, che le è succeduta nel 2004, è arrivata con un V8 nuovo di 4,3 litri.

L’allievo spagnolo di Alfa Romeo

Ed ecco la parte che in Italia si racconta poco. La Pegaso Z-102, costruita dall’ENASA nello stabilimento di Barcellona tra il 1951 e il 1958, in circa 84 esemplari, nacque sotto la direzione di Wifredo Ricart, l’ingegnere catalano che prima della guerra aveva progettato auto da corsa all’Alfa Romeo, e che a Portello non tutti ricordano con affetto. Il V8 era tutto in lega, con doppio albero a camme per bancata, roba rarissima nella Spagna povera del dopoguerra. La versione da 2,8 litri respirava attraverso quattro carburatori Weber 36 DCF doppio corpo, ognuno con le sue bocche: un motore pensato come quelli da corsa, con tante bocche al posto di una sola gola comune.

Quel motore andava. Il 25 settembre 1953, sul rettilineo di Jabbeke in Belgio, il collaudatore Celso Fernández fece 243,079 km/h di media sul chilometro lanciato e si prese quattro record ufficiali dell’automobile club belga. E con l’auto di riserva: il Bisiluro, il 2,5 litri con due compressori preparato apposta, aveva rotto il motore, e la squadra ripiegò sulla barchetta Touring 2,8 con un compressore che aveva corso a Le Mans. La carrozzeria, va detto, era milanese. Così la Pegaso divenne l’auto di produzione più veloce del mondo e tolse il record alla Jaguar XK120, che nel 1949 aveva fatto circa 213 km/h sulla stessa strada. A ottobre del 1953 Norman Dewis tornò a Jabbeke con una XK120 molto modificata e arrivò a circa 277 km/h, segno che agli inglesi la cosa bruciava. Il record, sia chiaro, lo fece un’auto sovralimentata, e misura l’insieme, non l’effetto delle trombe.

Le corse furono più amare. A Le Mans nel 1953 Juan Jover sbagliò la frenata dopo il ponte Dunlop a oltre 200 km/h, si distrusse una gamba e la Pegaso ritirò le altre auto. Joaquín Palacio vinse la sua classe alla Coppa del Montjuïc il 2 ottobre 1954, e quello stesso anno una Z-102BS corse la Carrera Panamericana senza arrivare in fondo. Una delle carrozzerie spider porta il nome della Rabassada, la cronoscalata di Barcellona; le vittorie che le vengono attribuite lì non trovano conferma nei risultati pubblicati.

Da Bologna a Madrid

E torniamo ai Weber, che chiudono il cerchio in un modo che pochi italiani conoscono. La Fabbrica Italiana Carburatori Weber nacque nel 1923 e per decenni da Bologna uscirono i carburatori che alimentavano mezzo motorismo sportivo europeo. I Weber originali si sono fatti a Bologna fino al 1992; poi la produzione si è trasferita a Madrid. Chi oggi restaura una Giulia o una vecchia Ferrari e monta Weber nuovi, molto probabilmente fa respirare il suo motore attraverso un corpo fuso in Spagna. Il pezzo più italiano dell’aspirazione è diventato spagnolo, e la Pegaso, che di Weber bolognesi ne aveva quattro, era arrivata prima.

Un tubo che spiega un motore

Le trombe sono la prova migliore che su un motore quasi niente è decorativo. In quella bocca ci sono due lezioni di fisica: l’aria che gira una curva invece di inciampare su uno spigolo, e l’onda che rimbalza nel tubo e torna alla valvola in tempo.

Nel mondo della preparazione contano i numeri grossi: il turbo che raddoppia la potenza, il protossido, il salto. I dettagli piccoli vengono snobbati. Eppure qui basta dare forma a una bocca e scegliere la lunghezza di un tubo perché un aspirato riempia meglio i cilindri, senza nessun organo che consumi potenza per soffiare, né compressore né turbo. L’aria in più la regala la fisica; a pieno carico, il carburante per bruciarla va comunque aggiunto.

Un’auto elettrica, tra l’altro, salta tutto questo: il suo motore non respira, quindi niente condotti e niente trombe da accordare.

L’aspirato che ha aperto questa serie aveva ancora margine nascosto nella forma della propria bocca e nell’eco del proprio respiro. Tirarlo fuori senza forzare e senza rompere niente è forse il modo più pulito di fare cavalli. Non si compra a catalogo: si capisce, studiando come entra l’aria.

Un V8 stradale con una farfalla per cilindro, subito davanti a ogni tromba: così respirava l’S65 della BMW M3 E92.

Controlla di essere ancora vivo.

Foto: dave_7 (CC BY 2.0), ZidaneHartono (CC BY-SA 4.0), TTTNIS (pubblico dominio), Prova MO (CC BY-SA 4.0), Lothar Spurzem (CC BY-SA 2.0 de).