Condividi su

Articoli - Archivio

06/08/2015
DOVE VA L'AUTO E DOVE "PUNTA" LA RUOTA

Traiettoria ideale e reale

 

Lo scorrimento del battistrada, la deriva e la trasmissione delle forze dal pneumatico al suolo

 

Massimo Clarke

Quello tra la gomma e l’asfalto è un rapporto complesso. Per consentire al pneumatico di svolgere il proprio compito in maniera sempre più efficace, nel corso degli anni si sono affermate soluzioni costruttive che da tempo si sono in larga misura standardizzate; per quanto riguarda la tipologia e la quantità dei materiali, invece, ogni produttore sembra seguire la sua strada. E giustamente non comunica granché, per tutelare la sua tecnologia.

La struttura e le mescole vengono comunque sviluppate per consentire al pneumatico di svolgere al meglio le sue funzioni fondamentali, ovvero sopportare il carico, assicurare un buon confort, garantire una buona tenuta di strada e permettere la trasmissione al suolo di ingenti forze. È quindi chiaro che esso deve possedere un’ adeguata elasticità. Se infatti fosse, per assurdo, perfettamente rigido, non potrebbe funzionare: il contatto col suolo si ridurrebbe a una linea e quindi il carico gravante sulla ruota darebbe luogo a una pressione (che come noto è una forza divisa per la superficie sulla quale si ripartisce) non solo elevatissima, ma addirittura infinita! Nessun materiale potrebbe resistere. Questa situazione-limite è puramente teorica (non esistono corpi perfettamente rigidi). Anche quando si impiegano materiali compatti e di elevata durezza, come certi acciai e certe ghise, nella zona di contatto degli organi meccanici ha luogo una piccola deformazione elastica, che consente alla forza in gioco di ripartirsi su una superficie che, per quanto ridotta, non è comunque nulla. È quanto accade ad esempio nel caso delle ruote metalliche per impiego ferroviario, o in quello dei rulli dei cuscinetti; le pressioni di contatto sono elevatissime ma risultano sopportabili. 

Ruote troppo rigide non solo non potrebbero contribuire in alcun modo al confort di marcia (niente molleggio, smorzamento di urti e vibrazioni…), ma non potrebbero neanche consentire al pilota un accettabile controllo del veicolo. Non per nulla i veicoli con ruote metalliche (dotate di bordino di guida) viaggiano su rotaie.

È a questo punto chiaro che le deformazioni elastiche dei pneumatici non devono essere di poco conto. Ciò è necessario, assai più che per assicurare un buon confort, per consentire la formazione di una impronta a terra di congrua estensione. È attraverso tale superficie infatti che si scaricano le forze, tanto longitudinali quanto trasversali, che il pneumatico trasmette al suolo (le prime sono acceleranti e frenanti, mentre le altre agiscono quando la marcia non è rettilinea). Tali forze vengono trasmesse grazie all’aderenza, che viene generata sia da meccanismi di vero e proprio ancoraggio meccanico che da fenomeni di tipo adesivo.

L’aderenza, nota anche come grip, è dunque la capacità del pneumatico di trasmettere forze al suolo. Per indicare graficamente quella totale a disposizione si fa ricorso al “cerchio di aderenza”, nel quale la distanza tra il centro e la circonferenza (ovvero il raggio) indica il massimo grip complessivo che il pneumatico può fornire. Se si frena a fondo, sfruttando tutta la aderenza che la gomma è in grado di assicurare, non possono essere trasmesse al suolo forze trasversali. E viceversa, se si utilizza tutto il grip disponibile per queste ultime, non c’è più alcuna possibilità di trasmettere forze longitudinali. È per questa ragione che nelle curve al limite non è possibile frenare o accelerare. Nelle condizioni intermedie, la risultante dei due vettori che indicano le forze longitudinale e trasversale in gioco non deve essere più lunga del raggio, ossia deve rimanere all’interno del cerchio di aderenza (che in realtà quasi sempre è leggermente ellittico). In caso contrario si ha una perdita di aderenza: il grip richiesto è superiore a quello disponibile.

Per via della loro elasticità, sotto l’azione del carico i pneumatici subiscono uno schiacciamento. La parte inferiore è chiamata a sopportare il peso che grava sulla ruota e quindi si deforma elasticamente; ciò avviene in una misura che dipende, oltre che dal carico stesso, dalla rigidezza strutturale del pneumatico e (soprattutto) dalla pressione di gonfiaggio. Questo significa che il raggio reale di rotolamento è inferiore al raggio geometrico della ruota.

Durante la rotazione si ha quindi un susseguirsi di compressioni e distensioni dei fianchi che interessano via via tutto il pneumatico, mentre l’impronta a terra si “rinnova” di continuo.   

Quando la ruota è ferma, nell’area di impronta le pressioni di ripartiscono in maniera simmetrica, con i valori più alti nella zona centrale; quando però essa gira liberamente, senza che al suolo vengano trasmesse forze longitudinali o trasversali, la distribuzione delle pressioni diventa asimmetrica, con spostamento in avanti del valore massimo.

Nella marcia rettilinea, quando il pneumatico trasmette al suolo le forze longitudinali (frenanti o acceleranti) non avvengono cambiamenti di traiettoria. Ogni elemento del pneumatico stesso, e in particolare il battistrada, si deforma in senso tangenziale allorché arriva nella zona di contatto col suolo. Ha luogo uno scorrimento, in conseguenza del quale in accelerazione la ruota gira più rapidamente, in relazione alla velocità del veicolo, mentre in frenata gira più lentamente. Si verifica inoltre una variazione del grip, che raggiunge il suo valore più elevato in corrispondenza di un certo scorrimento, dopo di che peggiora. 

Quando l’auto percorre una traiettoria curvilinea entrano in gioco le forze trasversali. La direzione nella quale “punta” la ruota però non coincide con quella nella quale effettivamente avviene il movimento. Tale comportamento è dovuto alla deriva, fenomeno causato dalle forze in questione, che originano una deformazione elastica trasversale con conseguente distorsione dell’impronta a terra. La parte anteriore di quest’ultima contatta il suolo con un lieve spostamento laterale rispetto a quella posteriore. L’angolo di deriva è quello che il piano mediano del pneumatico forma con la direzione del moto.

torna all'archivio