A 280 km/h, un pilota di Formula 1 sopporta a volte accelerazioni che superano più volte la forza di gravità, pari all’accelerazione sperimentata da un astronauta al decollo di un razzo. A quella velocità, un incidente può essere letale. Tuttavia, gli incidenti in Formula 1 accadono e i piloti si salvano, come Robert Kubica nel GP del Canada 2007.
Dopo essere uscito di pista, a 280 km/h, l’auto di Kubica è stata totalmente distrutta, ad eccezione dell’abitacolo, l’abitacolo in cui viaggia il pilota.
Il pozzetto come giubbotto di salvataggio
Kubica è riuscito a salvarsi la vita grazie ai materiali compositi, soprattutto il carbonio: il materiale principale con cui sono realizzati i telai delle monoposto. Il team Mc Laren è stato il pioniere nel suo utilizzo, alla fine degli anni ’90.
La fibra di carbonio è un materiale molto leggero, ma singolarmente può raggiungere una resistenza meccanica pari a quella di un buon acciaio. Immersa in una matrice, anch’essa di carbonio, la fibra può assorbire molta più energia dell’acciaio prima di rompersi.
Un materiale composito in fibra di carbonio può avere una resistenza alla trazione tre volte superiore a quella di un buon acciaio (3,5 GPa vs. 1,3 GPa) ma con il vantaggio di essere 6 volte meno denso (1,75 g/cm³ vs. 7,9 g/cm³). Questo gli conferisce una resistenza specifica di 2 GPa contro 0,17 GPa per l’acciaio.
In un materiale composito, una rete di fibre riempie una matrice. Con questa configurazione, quando si verifica una crepa, la sua propagazione è ostacolata e il materiale è in grado di sopportare molta energia prima di rompersi.
La fibra sintetica più resistente
Fibre di tipo aramidico più recenti come lo zylon (usato anche, ad esempio, nei giubbotti antiproiettile) a volte sostituiscono la fibra di carbonio. Questi nuovi materiali forniscono ancora più capacità di immagazzinare energia.
Fernando Alonso si è miracolosamente salvato la vita al Gran Premio d’Australia dopo aver subito un incidente a 310 km/h. Se il pilota asturiano può vivere per raccontarlo, è grazie allo zylon, un materiale più resistente dell’acciaio che ha evitato una tragedia alla curva 3 dell’Albert Park perché è in grado di assorbire tutta l’energia di un colpo nonostante si decompone con l’impatto. Lo Zylon è considerato oggi la fibra sintetica più resistente realizzata in laboratorio.
I freni sono un prodigio tecnologico
Quando guardiamo una trasmissione di Formula 1, i telecronisti pongono molta enfasi sulla temperatura dei freni: se non è appropriata, l’efficacia diminuisce. Questo comportamento è regolato dalle leggi relative alla disciplina scientifica nota come tribologia.
Un materiale entra in contatto con un contromateriale e, a causa dell’attrito, si verifica la frenatura. Siamo di fronte a quello che viene definito un sistema tribologico, in cui contano i materiali che sono a contatto, la temperatura, l’umidità e la superficie di contatto.
La differenza di pochi gradi di temperatura può causare l’usura di una ganascia del freno in pochi secondi o molti minuti. E quella velocità di degrado del freno, inoltre, può essere modificata a seconda delle condizioni ambientali.
Le conoscenze fornite dalla scienza dei materiali sono fondamentali per poter prevedere le migliori condizioni di sopravvivenza rispetto alle condizioni operative estreme di un freno di Formula 1 (accelerazioni o decelerazioni 5G), anch’esse costituite da composti carbonio-carbonio (come i freni dell’aviazione), introdotte negli anni ’80 dal team Brabham. Le gare possono essere vinte o perse a causa dell’usura dei freni.
Pneumatici e tribologia
Anche il sistema pneumatico-cingolo è un sistema tribologico. L’usura delle gomme (direttamente legata all’aderenza) dipende, ancora una volta, dai materiali con cui sono realizzate, ma anche, e molto, dalla temperatura e dalle condizioni ambientali.
Una cattiva scelta delle gomme è stata motivo di grandi disastri, con conseguenze mai positive, nelle gare di Formula 1.
Anche in questo caso dominano i materiali compositi (o meglio ancora le strutture composite), dove vengono utilizzate bande di rinforzo in acciaio su una base di gomma (gomme diverse).
La durezza della gomma di base è ciò che determina il comportamento del pneumatico e di conseguenza l’aderenza del veicolo alla pista. Non tenere conto della durezza della pista, della temperatura o dell’umidità nella scelta del pneumatico può causare un’usura accelerata e una perdita totale di aderenza. E, di conseguenza, la perdita di posizioni in gara.
Alluminio, titanio e acciaio per il motore
In un motore di Formula 1 troviamo metalli di molte famiglie: alluminio nel monoblocco, titanio nei pistoni, acciaio nell’albero motore. Nel motore di un’auto convenzionale (tranne in alcuni veicoli di fascia alta) non troviamo mai il titanio, a causa del suo costo elevato e dell’effetto pernicioso che può avere. Può causare problemi di corrosione: il titanio, essendo un elemento molto “nobile”, funge da catodo rispetto all’acciaio o all’alluminio, provocandone il degrado.
La breve vita di un motore di Formula 1 fa prevalere le esigenze di affidabilità e resistenza a possibili problemi di corrosione. Ma nella ricerca del controllo del peso, possiamo trovare leghe di magnesio (anche più leggere dell’alluminio), o nella direzione completamente opposta, il tungsteno per fungere da contrappeso e per rispettare le normative sul peso.
Possiamo anche trovare rivestimenti ceramici per ottimizzare le prestazioni. La ceramica consente temperature di lavoro più elevate e una maggiore ottimizzazione del ciclo termico.
Un motore di Formula 1 è un laboratorio di prove sui materiali, dove alcuni ne sostituiscono altri in base al comportamento alla fatica, alla temperatura di esercizio, all’affidabilità. Laboratorio che ti consente di esportare i tuoi progressi su veicoli di serie.
Quando un motore si rompe e bisogna sostituire un pezzo, per quanto complesso possa essere, oggi la tecnologia dei materiali permette di sostituirlo in poche ore grazie alla manifattura additiva (stampa 3D) dei metalli. Ancora una volta il laboratorio dei materiali esporta tecnologia.
Se oggi pensiamo a quali sono le forze trainanti che guidano la progettazione e lo sviluppo dei prototipi delle vetture di Formula 1, potremmo dire che sono la sostenibilità e la sicurezza. Produciamo auto che pesano meno, consumano anche meno, ma mantengono o migliorano le prestazioni e non dimenticano mai la sicurezza del guidatore.
Abbiamo già parlato della sicurezza che conferiscono al telaio i nuovi materiali che evitano danni al pilota quando si schianta ad alta velocità. Ma non dimentichiamo i progressi nello sviluppo di materiali ignifughi che consentono al fuoco di non danneggiare la pelle del pilota per molti secondi in caso di incendio. Auto che lavorano al limite della tecnologia grazie ai materiali. Auto veloci, sostenibili e sicure.
Autore
José Manuel Torralba, IMDEA MATERIALI
