Ogni auto di Formula 1 è il risultato di migliaia di ore di studio, innumerevoli calcoli computerizzati, simulazioni e test, nonché diverse sessioni in galleria del vento necessarie per ottimizzare ogni minimo componente, anche se i regolamenti stabiliscono dei limiti d’uso: un massimo di 1.200 occupazioni in galleria del vento, con 960 test e 240 ore di Wind on Time.
I sistemi frenanti non fanno eccezione, e Brembo sottopone tutti i componenti forniti alle squadre di Formula 1 a rigorosi e sofisticati test e simulazioni. Ci sono test per misurare la pressione delle pinze, altri in cui viene valutata insieme alla coppia: questi test vengono effettuati applicando il 50% di forza in più rispetto al valore massimo ipotizzato nella progettazione. Sul banco dinamico progettato da Brembo, l'intero sistema frenante, inclusa la scatola del pedale e le sospensioni, viene testato simulando una gara. Se i sensori danno un risultato positivo, il freno viene approvato e può essere prodotto in serie e consegnato alle squadre per l’intero campionato. Nonostante tutti i calcoli e i test statici e dinamici, la storia delle corse è ricca di imprevisti che hanno causato problemi, compromettendo il successo di un Gran Premio.
Nei casi più comuni, la causa scatenante è stata esterna e indipendente dalle azioni della squadra, come un componente staccatosi da un’altra auto: famosa è la telecamera staccatasi dalla Ferrari di Jean Alesi al GP d’Italia del 1995 che colpì il braccio di sospensione della vettura gemella, costringendo Gerhard Berger al ritiro.
A volte, tuttavia, i guasti sono stati causati da fattori estranei alle altre auto in pista: come un'invasione di animali o un oggetto proveniente dagli spalti. L'Alpine Renault sa qualcosa su questo, poiché nel 2021, durante il GP del Bahrain, ha fermato Fernando Alonso dopo soli 33 giri per evitare problemi peggiori alla sua A521.
Tutto a causa di un involucro di un panino che si è incastrato nelle prese d'aria dei freni posteriori della vettura francese, causando un surriscaldamento che ha finito per compromettere il funzionamento del sistema frenante.
Gli ingegneri ai box si sono accorti che qualcosa non andava tramite la telemetria e hanno optato per il ritiro, poiché continuare sarebbe stato un rischio per la sicurezza del pilota e dei suoi colleghi.
La storia della Formula 1 e lo stesso Alonso non sono nuovi a episodi del genere: nel 2015, durante il GP di Spagna con McLaren, Alonso fu costretto ad abbandonare la gara al giro 25 dopo momenti di paura - “i freni posteriori non sembravano più funzionare,” aveva comunicato il pilota ai box.
Il malfunzionamento fu causato da una visiera strappata che era entrata nella presa d'aria: il piccolo pezzo di plastica trasparente fu trovato sul fondo della vettura. Lo stesso accadde al GP del Belgio 2022, con Charles Leclerc come vittima: la visiera penetrò la presa d'aria del freno anteriore destro al primo giro, producendo fumo, ma fortunatamente, il successivo pit stop permise di rimuoverla.
Grazie a sensori posizionati in vari punti dell'auto, le squadre conoscono la temperatura dei dischi e delle pinze in ogni momento. Sulla base di questi dati, eventuali allarmi vengono inviati al pilota per modificare il bilanciamento dei freni dell'auto o gestire il sistema: questa comunicazione avviene quando si registrano anomalie rispetto alle previsioni.
L'importanza delle prese d'aria dei freni
Ma come funzionano le prese d'aria dei freni e cosa succede in caso di ostruzione accidentale? Intorno ai lati delle ruote delle auto di Formula 1, nel tempo abbiamo visto svilupparsi condotti dei freni in carbonio sempre più sofisticati, con prese d'aria, alette e deviatori di flusso progettati ad hoc, capaci non solo di raffreddare il sistema frenante, ma anche di svolgere funzioni aerodinamiche.
Questo accade perché, liberando l'aria dalle turbolenze generate dal movimento rotatorio del pneumatico, è possibile ridurre la resistenza aerodinamica dell'auto o aumentarne il carico aerodinamico. In presenza di un'ostruzione anche di una sola delle prese d'aria, il disco e le pastiglie sono costretti a operare costantemente a temperature superiori a quelle ottimali di funzionamento.
Questo porta alla loro ossidazione, e in pochi eventi di frenata intensi, la temperatura del materiale di attrito rischia di salire alle stelle. La mancanza accidentale di ventilazione può quindi compromettere prima il liquido freni e poi il materiale di attrito.
Oltre a usurarsi molto rapidamente, il materiale di attrito inizia a bruciarsi, erodendo parte del disco, mentre il liquido freni bolle, generando il fenomeno del vapor lock. Se l'auto continua a correre in queste condizioni e il pilota preme più forte sul pedale del freno, l'usura raggiunge i fori di ventilazione, rischiando di far esplodere il disco.
L'alluminio utilizzato per realizzare le pinze dei freni fonde a 700°C. Tuttavia, le pinze Brembo a sei pistoni per Formula 1 hanno una soglia di garanzia di 210°C, che è significativa ma inferiore alla temperatura minima di funzionamento per i dischi, il cui range di utilizzo è tra 350°C e 1.000°C.
Al contrario di dischi e pastiglie, che raggiungono temperature molto elevate nelle condizioni più estreme come il GP del Canada, il cui layout prevede molti punti di frenata duri e ravvicinati, le pinze Brembo non superano mai i 200°C.
Il mistero della temperatura ottimale
Nel circuito Gilles-Villeneuve, così come nelle piste di Abu Dhabi, Città del Messico e Singapore, il ruolo delle prese d'aria dei freni diventa fondamentale perché la sequenza di frenate violente senza lunghi rettilinei che permettano ai sistemi frenanti di raffreddarsi richiede di indirizzare grandi quantità di aria al loro interno.
Al contrario, su piste come Silverstone, Suzuka o Interlagos, c'è il rischio opposto, ovvero il non raggiungimento della temperatura ideale di funzionamento dei freni, con il conseguente rischio del fenomeno della lucidatura del materiale di attrito.
In tali condizioni, i freni necessitano di meno aria, e le prese d'aria vengono "parzialmente chiuse", riducendo effettivamente il flusso d'aria diretto ai freni. Sulla carta, queste scelte sembrano logiche, ma l'angolo della ruota di una vettura di Formula 1 include molti elementi, ognuno con necessità diverse.
Inoltre, deve essere considerato l'impatto sulle prestazioni degli pneumatici, la temperatura operativa dell'unità di potenza e la resistenza aerodinamica sui rettilinei.
In breve, un vero e proprio esercizio di equilibrio, al quale si aggiunge una variabile in più: il numero di fori di ventilazione nei dischi freno. Progettati tramite calcoli CFD (Computational Fluid Dynamics), sono il risultato di uno studio sinergico tra il produttore del disco e i costruttori delle auto.
A seconda delle prese d'aria utilizzate in una stagione o modificate per un GP specifico, le squadre scelgono la versione del disco che ritengono migliore. Per l'anteriore, Brembo ha prodotto dischi con fino a 1480 fori, ma dal 2022 è stato stabilito un diametro minimo di 3 mm, riducendo il numero di fori nei dischi anteriori a un intervallo tra 1.000 e 1.100.
Le squadre fornite da Brembo utilizzano due tipi di dischi in carbonio: “wide spline” e “single sided spline.” Nella specifica “wide spline”, lo spessore del drive - la parte in contatto con la campana - è uguale allo spessore del disco, mentre nella specifica “single sided spline”, lo spessore del drive è inferiore a quello del disco.
Questa seconda soluzione può favorire una strategia di ventilazione diversa per il disco e una migliore disposizione dell'angolo della ruota, ma a discapito dello stress meccanico ottimale sul carbonio, che limita la possibilità di perforazione per la ventilazione. La scelta di una soluzione o dell’altra dipende dalle necessità di ogni squadra in base al progetto delle singole vetture.