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Articoli - Archivio

05/09/2011
Sì, viaggiare (senza slittare)

Dal motore alle ruote (quarta puntata)

Le ruote girano ma... l'auto cammina? Scopriamo insieme come e fino a quando le gomme lavorano bene 

Nicodemo Angì

Ai pneumatici vengono assegnati due compiti principali, oltre al contribuire, con la loro flessibilità, all'isolamento del veicolo dalle imperfezioni del manto stradale. Essi devono consentire il trasferimento a terra della forze - di direzione opposta - generate dalla trazione e dalla frenata e permettono al veicolo di curvare.

 

Nei precedenti numeri di Pneurama avevamo visto tutto il "lavoro" che c'è a monte di un'azione per noi scontata e semplice: il far girare le ruote. Frizioni e convertitori, ingranaggi, giunti e tanti altri componenti lavorano in una squadra coordinata il cui scopo è quello di trasmettere la potenza e la coppia del motore alle coperture perché queste ultime, in virtù delle loro caratteristiche fisico-meccaniche, possano a loro volta trasmetterle al suolo generando una reazione che permette al veicolo di avanzare.
Quest'ultimo anello della complicata catena è, in realtà, uno di quelli che pone le maggiori difficoltà quando si tratta di descriverne il comportamento, dato che l'oggetto "gomma" è tutt'altro che facile da modellizzare matematicamente. I giunti, un cambio a ingranaggi, perfino la frizione o il convertitore di coppia, sistemi che implicano slittamenti di materiale d'attrito e forze all'interno di un fluido quale l'olio idraulico, sono molto più deterministici di un pneumatico. Il comportamento di questi componenti meccanici e meccano-idraulici, in altre parole, è molto più predicibile, date certe condizioni e certi input, rispetto a quanto non accada con le coperture.


Le forze in gioco, il gioco delle forze
Vediamo ora più in dettaglio le forze ed i comportamenti in gioco. Ai pneumatici, siano essi quelli di una bicicletta o di una autogru da 40 tonnellate, vengono assegnati due compiti principali, oltre al contribuire, con la loro flessibilità, all'isolamento del veicolo dalle imperfezioni del manto stradale. Essi devono consentire il trasferimento a terra della forze - di direzione opposta - generate dalla trazione e dalla frenata e permettono al veicolo di curvare. Quest'ultima azione è particolarmente importante, probabilmente ancor più critica dell'imprescindibile tandem trazione-frenata: cerchiamo di capire meglio di cosa si tratta. Il nostro veicolo, come tutti i corpi dotati di massa, tenderebbe a muoversi di moto "rettilineo e uniforme" se fosse completamente libero nello spazio, ossia non soggetto a forze e/o vincoli. Si tratta chiaramente di un'astrazione pura, dato che queste condizioni non saranno mai osservabili; sono comunque sperimentabili, da parte di chiunque, comportamenti "attenuati" che discendono da questa legge fisica. Una palla da biliardo che non ruoti su sé stessa andrà diritta, così come una ruota di bicicletta che si muova su una strada piana. Per far ruotare un veicolo intorno al suo asse verticale di imbardata, ossia per fargli cambiare direzione, occorrerà quindi applicare un'opportuna forza laterale. Si potrebbe ad esempio pensare a dei piccoli razzi laterali, come quelli montati sulle navicelle spaziali Apollo: soluzione che evoca l'epopea spaziale ma di poco pratica applicazione sulla Terra. Per i veicoli ferroviari si è risolta la questione dotando le loro ruote di un bordino laterale che, impegnandosi nel fianco interno del binario, costringe i vagoni a seguire la rotaia. In pratica quando il convoglio impegna una curva la sua "tendenza" a proseguire diritto viene ostacolata (e, auspicabilmente, vinta) dalla forza generata dal bordino che striscia contro il fianco del binario. Questa forza è la reazione che il binario esercita in risposta all'azione della ruota del vagone.
La strada non ha binari e, del resto, neanche le ruote delle auto hanno i bordini: come si generano allora le forze che permettono ai veicoli di curvare? La risposta è nella forza laterale che i pneumatici, in virtù della loro aderenza con l'asfalto delle strade, riescono a generare quando il loro piano di rotazione non è parallelo alla direzione del moto del veicolo. Nel caso delle forze longitudinali (accelerazione e frenata) la situazione è più lineare, dato che le forze sono, normalmente, parallele al piano nel quale la ruota gira.
Notiamo subito come la forza laterale che un pneumatico riesce a sviluppare sia proporzionale all'angolo (Slip Angle) che c'è fra la direzione dell'avanzamento e il piano di rotazione del pneumatico stesso ma questo regime di proporzionalità vale solamente per angoli inferiori ad un certo valore. Una volta raggiunto il limite, la forza laterale infatti si stabilizza iniziando poi a decrescere all'aumentare dell'angolo stesso: questa diminuzione indica che la la ruota sta slittando.


Non uscire da quel cerchio
Per capire meglio il comportamento di una copertura sottoposta a forze è utile parlare del "cerchio della trazione" (traction circle o friction circle), un grafico sul cui asse Y vengono riportate le forze orientate nella direzione del moto (la trazione è positiva, la frenata è negativa) mentre l'asse X - orizzontale - visualizza le forze laterali, con il semiasse destro che indica quelle che si creano quando il veicolo curva verso destra.
Molte diverse situazioni possono a questo punto verificarsi dato che i due tipi di forza (laterale e longitudinale) possono presentarsi singolarmente oppure - situazione molto più frequente - in combinazione.
La situazione più "tranquilla" potrebbe essere quella nella quale il veicolo si muove in rettilineo ma con il cambio in folle: in questo caso il pneumatico si troverà a trasmettere soltanto la debole coppia frenante causata dall'attrito della trasmissione e dei cuscinetti delle ruote. Il nostro grafico della trazione presenterà perciò soltanto una piccola freccia sull'asse Y, in direzione negativa.
Con il motore in presa e l'auto che si muove in rettilineo a velocità costante le ruote motrici si troveranno a trasmettere una forza uguale e contraria alla resistenza aerodinamica, (l'attrito della trasmissione è vinto dal motore) mentre quelle non motrici sperimenteranno solo le forze di attrito (di entità generalmente trascurabile rispetto a quelle laterali e di trazione/frenata). Il grafico relativo alle ruote motrici evidenzierà una forza lungo l'asse verticale, positiva dato che si tratta di una forza di trazione, più grande rispetto al solo attrito.
In accelerazione la forza di trazione aumenterà di valore (la freccia verticale sarà più lunga) fino ad arrivare a toccare il margine del cerchio che è "innocentemente" posizionato nel grafico. Si tratta in realtà di una figura molto importante, perché è la "frontiera" che separa la zona nella quale la copertura è aderente al suolo da quella nella quale si ha slittamento. In pratica un'accelerazione (che sia laterale o causata da aumento di velocità/frenata poco importa) il cui valore ecceda quello individuato da questa curva porterà ad uno slittamento della gomma perché è superiore a quella massima trasmissibile dalla gomma stessa.
Questa figura circolare non è un cerchio perfetto: il considerarlo tale è un'utile semplificazione, dato che i limiti di aderenza di una copertura dipendono, a parità delle altre condizioni, dal carico che essa sopporta e questa quantità è piuttosto variabile. Un'auto in accelerazione alleggerirà parecchio il suo asse anteriore mentre in frenata si avrà l'effetto contrario; questi trasferimenti di carico si risconteranno - seppur invertiti - anche nell'asse posteriore. In curva la situazione cambia parecchio, dato che tutte le coperture dovranno trasmettere delle forze laterali, più accentuate se le ruote sono sterzanti; quelle motrici continueranno inoltre a trasmettere la trazione. Il risultato è un punto di lavoro che si trova in uno dei quattro quadranti del grafico piuttosto che su un asse.
In un prossimo articolo vedremo cosa comporta uno slittamento e quali sono le soluzioni che i costruttori di veicoli predispongono per evitare questo fenomeno. 

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