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Articoli - Archivio

23/06/2016
IL RUOLO DELLE GOMME NEL CONSUMO DEL CARBURANTE

Inerzia e attriti

 

Non ci si pensa spesso ma tutte le parti in rotazione di un veicolo hanno delle inerzie da vincere in accelerazione e i pneumatici non fanno eccezione

Nicodemo Angì

 

 

 

 

 

Tolti i pistoni e le valvole, in un’automobile tutto ruota: dall’albero motore - che raccoglie il moto rettilineo dei pistoni – in poi è tutto un ruotare, con le piccole eccezioni delle valvole, di alberi, ingranaggi, pulegge e cuscinetti che termina soltanto nelle ruote, l’unico organo dell’auto a contatto con la strada. Tutto questo “frullare” genera sempre attrito ma durante le accelerazioni all’onnipresente attrito si aggiunge anche l’inerzia, che non è soltanto quella dell’intera auto ma deriva anche dalla resistenza che tutti questi organi rotanti oppongono alle variazioni di velocità. Queste ulteriori resistenze ai cambiamenti di velocità sono quantificabili e possono essere aggiunte a quella dovuta alla massa dell’auto per formare la “massa efficace” complessiva, che tiene conto di queste inerzie supplementari.

Un ex dirigente della Firestone ha raccontato che una delle Case del terzetto delle Big Three di Detroit ha sfidato i propri fornitori, nell’ottica di ottemperare ai regolamenti sui consumi CAFE, offrendo un premio di 50 cent/libbra (per ogni auto) sulle riduzioni di peso in una serie di componenti del veicolo. Il premio raddoppiava, significativamente, se la riduzione di peso era ottenuta per un particolare rotante. Il periodo nel quale questo premio è stato proposto ha coinciso con l’inizio del downsizing dei veicoli e dei loro componenti negli Stati Uniti, proprio per migliorare i punteggi nelle norme CAFE.

 

Se alleggerisci ti pago

È molto interessante il significato di questo raddoppio nel premio: era infatti l’implicito riconoscimento che una riduzione del peso in un organo in movimento, ad esempio uno pneumatico in rotazione, è più importante nel migliorare i consumi del veicolo di una parte statica. La cosa è in effetti ancor più critica proprio per le gomme: se la ruota di scorta nel bagagliaio aggiunge solamente massa, la stessa ruota sulla strada non solo dissipa energia nell’attrito di rotolamento ma fa perdere energia proprio per la sua inerzia rotazionale al punto che è stato perfino coniato il motto “a pound on a tire is like two on the frame”. Gli ingegneri naturalmente sanno che la resistenza di una ruota a un cambio di velocità dipende non solo dalle sue dimensioni e massa ma anche dalla distribuzione della massa stessa (nel calcolo sono compresi anche il cerchio e il tamburo o il disco del freno) rispetto all’asse di rotazione. La proprietà fisica che governa la risposta di un corpo rotante è il momento d’inerzia e aumenta rapidamente all’addensarsi della massa verso l’esterno.

Nel 2010 una popolare rivista automobilistica statunitense ha testato una Volkswagen Golf equipaggiata con pneumatici della stessa marca e modello ma con dimensioni che variavano da 195/65R15 a 235/35R19 (l’altezza totale era pressappoco la stessa). I risultati sono andati in direzione contraria alle aspettative: le gomme percepite come più sportive – ossia le ribassate con rapporto d’aspetto /35 - hanno peggiorato di tre decimi di secondo l’accelerazione, nella classica prova 0-60 mph (comparabile alla nostra accelerazione da 0 a 100 km/h).

 

L’inerzia rotazionale dell’insieme cerchio-ruota-freni

Anche i consumi sono aumentati di quasi il 10% rispetto a quanto ottenuto con le /65. In altre parole, le ruote da 15 pollici hanno sorpassato le ben più “trendy” gomme con cerchio da 19” in due importanti performance; è interessante ricordare che questa tendenza si è evidenziata in ognuna delle gomme – 5 misure diverse dalla /65 alla /35 – sottoposte al test.

Lo scadimento in accelerazione è da imputare alla diversa distribuzione delle masse dell’insieme cerchio/pneumatico (l’impianto frenante rimaneva ovviamente lo stesso): la gomma ribassata aveva “più” cerchio e battistrada verso la periferia e questo aumentava il momento d’inerzia. Le coperture più larghe non riuscivano quindi a compensare con un grip superiore (che, per inciso, aumentava i consumi con l’attrito sul manto stradale) un momento d’inerzia più elevato.

Un team universitario ha potuto lavorare nel reparto R & D di Goodyear, accedendo alle apparecchiature allo stato dell’arte di misurazione inerziale del noto costruttore di pneumatici. I calcoli, basati su principi teorici e perfezionati con dati sperimentali, hanno riguardato vari cerchi in lega e acciaio e pneumatici radiali per automobili, camion, fuoristrada e perfino per aeroplani. Fra i risultati possiamo riferire che la già citata massa efficace del veicolo aumenta del 2,6% con le 195/65 R15 e del 4,2% con le 235/35R17 a causa dei momenti d’inerzia di pneumatico e cerchio; quest’ultima percentuale è equivalente a un non trascurabile aggravio di peso pari a 59 kg. In un certo senso ancor più inaspettato è il risultato che la diminuzione della massa del battistrada dovuta all’usura è più importante, nella riduzione del momento d’inerzia, del passaggio da un cerchio d’acciaio a uno in lega: l’inerzia dipende infatti principalmente dalla massa più lontana dall’asse di rotazione.

È importante puntualizzare che l’inerzia rotazionale dell’insieme cerchio-ruota-freni incide molto sui consumi di carburante nella guida stop-and-go come quella cittadina mentre nella marcia a velocità praticamente costante, come quella autostradale, questo effetto è molto attenuato a differenza dell’attrito di rotolamento, sempre presente. Questo spiega anche il fatto che i veicoli elettrici, che devono usare al meglio l’energia della batteria, hanno generalmente pneumatici di sezione non molto elevata ma di diametro abbastanza generoso: aumentare il raggio del cerchio promuove infatti una bassa resistenza al rotolamento.

L’impatto estetico di una gomma ribassata montata su un cerchio di grande diametro è indubbiamente notevole, così come l’handling, dato che la ridotta altezza dei fianchi permette una guida più precisa. Fra i contraltari possiamo aggiungere anche un inaspettato rallentamento dell’accelerazione proprio per l’elevata concentrazione di massa - sia del cerchio sia della copertura verso l’esterno - avvertibile sopratutto nella guida con continue accelerazioni e frenate: un motivo di più per usare una guida fluida! 

 

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