Ha più grip...ha meno grip
sul bagnato...sono gomme tenere, medie, no sono gomme dure?
Tutti termini usati frequentemente per definire il comportamento
e la qualità dei pneumatici.
Ma cosa vogliono dire? Cosa significa chiedere quanto grip ha?
Quanto è tenera o dura la gomma?
Cosa significa definire tenera una gomma? Termini usati più
propriamente nel caso delle costate di manzo.
E' come se confrontando diversi motori si dicesse: è più
potente o meno potente, ha più coppia o meno coppia,
senza conoscere i concetti di coppia e di potenza e senza quindi
associare a queste grandezze
dei valori numerici espressi in Kw e Nm.
Cerchiamo di fare un pò di chiarezza dando delle risposte
a delle semplici e intuitive domande.
Quale è
il compito del pneumatico?
La risposta è semplice, il pneumatico
deve assolvere due scopi :
- consentire il trasferimento
della forza di spinta o di frenata
a terra;
- generare la forza
laterale necessaria per il mantenimento dell'equilibrio
del motociclo in curva,
o lungo una traiettoria curvilinea come quelle generate ad esempio
per schivare un ostacolo,
per effettuare un cambio di corsia o per percorrere una curva
ad S.
Cerchiamo ora di capire come si genera
la forza laterale e che valore deve avere quando il motociclo
percorre una curva a raggio e a velocità costante (regime
stazionario) e da quali grandezze dipende.
E' facile intuire che la
forza laterale dipende dal carico verticale agente
sulla ruota.
Maggiore è il carico maggiore
è la forza laterale generata.
Meno intuitivo è comprendere
la dipendenza della forza laterale dall'angolo
di rollio (angolo di piega)
e dallo strisciamento laterale del pneumatico, strisciamento
laterale espresso dall'angolo
di deriva che sarà definito nel
seguito.
La forza laterale
dipende non solo dal carico, dall'angolo di rollio e dall'angolo
di deriva
ma anche da altri due parametri che i motociclisti conoscono
bene: la pressione di gonfiaggio
e la temperatura del pneumatico in condizioni di esercizio.
Consideriamo dapprima
l'effetto dell'angolo di rollio.
L'impronta del pneumatico in posizione verticale con il piano
stradale ha una forma simmetrica
ed ellittica; l'impronta rappresentata nella figura 1 è
colorata con toni di grigio la cui intensità
è proporzionale alla pressione tra ruota e piano stradale.
Figura 1.
La figura rappresenta l' impronta del pneumatico
su piano stradale e rispettivamente in posizione
verticale e inclinata. L'intensità del tono di grigio
nel disegno dell'impronta è proporzionale
alla pressione tra pneumatico e piano stradale.
Come si può osservare nella figura posta
a destra, quando la ruota è inclinata, la particella di
gomma
che percorre l'impronta non segue la traiettoria che seguirebbe
se non vi fosse contatto con la strada.
E' costretta proprio a causa del contatto con la strada a seguire
una traiettoria diversa, ossia il contatto
con la strada provoca la deformazione della carcassa del pneumatico,
deformazione che dà origine
ad una forza laterale crescente all'aumentare dell'angolo di
rollio.
Per capire meglio questo effetto si pensi ad un pneumatico indeformabile,
come se fosse di metallo,
che quindi è a contatto con il piano stradale in una zona
piccolissima assimilabile ad un punto.
In questo caso non essendoci deformazione della carcassa ed essendo
il contatto puntiforme
la forza dovuta al rollio risulterebbe nulla.
La forza dovuta al rollio dipende quindi dalla forma e dalle
dimensioni dell'impronta, grandezze dell'impronta
che dipendono a loro volta dalle caratteristiche geometriche
del pneumatico (raggio del pneumatico
e raggio della sezione) e dalla rigidezza laterale e radiale
della carcassa.
Figura 2.
Le rigidezze radiale e laterale dipendono dalle
geometria, dal tipo di pneumatico (anteriore o posteriore),
dalle caratteristiche costruttive della carcassa (radiale, a
tele incrociate), dalla pressione e dal carico verticale.
Consideriamo ora l'effetto
dello strisciamento laterale ossia dell'angolo di deriva.
Si definisce angolo di deriva l'angolo tra la direzione della
velocità di avanzamento e il piano della ruota. L'impronta
in presenza di strisciamento laterale risulta avere una forma
asimmetrica. Nella prima parte dell'impronta le particelle di
gomma tendono a seguire la direzione della velocità di
avanzamento, poiché
la velocità di avanzamento non coincide con il piano della
ruota le particelle contenute nell'impronta si
deformano rispetto alla carcassa del pneumatico. E' questa la
zona di adesione dell'impronta. Arrivati
ad una certa deformazione le forze elastiche di richiamo dovute
alla deformazione della gomma superano
le forze di adesione e pertanto le particelle di gomma iniziano
a strisciare rispetto al piano stradale.
In questo caso si ha una zona dell'impronta detta di strisciamento.
L'integrale delle pressioni laterali
esteso a tutta l'area dell'impronta dà origine alla forza
laterale di deriva.
Figura 3.
Origine della forza laterale di deriva. La risultante
delle pressioni laterali è la forza laterale dovuta
all'angolo di deriva.
Abbiamo visto che la forza laterale dipende
sia dall'angolo di rollio che dallo strisciamento laterale del
pneumatico, strisciamento laterale che abbiamo espresso mediante
l'angolo di deriva.
E' consuetudine rappresentare la forza laterale al variare dell'angolo
di deriva per valori prefissati dell'angolo di rollio,
come rappresentato nella figura 4 nel caso di un pneumatico anteriore
di tipo sportivo.
Figura 4.
Forza laterale al variare dell'angolo di deriva
per vari valori dell'angolo di rollio.
Questo tipo di rappresentazione è usata
nel campo automobilistico nel quale ovviamente gli angoli di
rollio sono
molto piccoli e i pneumatici producono le forze laterali richieste
solo grazie allo strisciamento laterale.
Molto diverso
è il caso dei motocicli dove i pneumatici lavorano principalmente
con il rollio e secondariamente
con lo strisciamento laterale, almeno per quanto riguarda la
produzione della forza laterale. Diventa quindi logico
per i pneumatici motociclistici rappresentare la forza laterale
al variare dell'angolo di rollio, per valori discreti
dell'angolo di deriva, come rappresentato nella figura 5.
Figura 5.
Forza laterale al variare dell'angolo di rollio
per vari valori dell'angolo di deriva.
La forza laterale può essere espressa
analiticamente mediante una funzione lineare dell'angolo di rollio
e dell'angolo
di deriva, come se la forza fosse la somma di due componenti
indipendenti tra di loro: la componente di rollio
e la componente di deriva.
Le costanti K hanno anche un significato
geometrico, rappresentano le tangenti delle curve rispettivamente
della forza laterale normalizzata in funzione dell'angolo di
rollio, con angolo di deriva nullo, e della forza laterale
in funzione dell'angolo di deriva, con angolo di rollio nullo.
Figura 6.
Significato geometrico della rigidezza di rollio
e di deriva.Le rigidezze indicate sono espresse in 1/rad.
Per comprendere quanto debba valere la forza
laterale consideriamo un motociclo mentre sta percorrendo
una traiettoria circolare con raggio costante e a velocità
costante.
Se trascuriamo
l'effetto giroscopico, generato dalle ruote mentre percorrono
la curva, e il fatto che i pneumatici
hanno una sezione considerevole ( il cui raggio medio di curvatura
può superare anche i 100 mm nel caso
delle ruote posteriori) la forza laterale necessaria per garantire
l'equilibrio risulta uguale al prodotto del carico
verticale per la tangente dell'angolo di rollio.
Le ipotesi semplificative introdotte equivalgono
a considerare un motociclo virtuale con ruote aventi momento
di inerzia molto piccolo (ruote in magnesio o in fibra di carbonio)
con sezione molto piccola, tipo le ruote
tubolari delle biciclette da corsa.
Ad esempio con
un angolo di rollio uguale a 45° la forza laterale è
uguale esattamente al carico verticale.
La condizione di equilibrio è rappresentata nella figura
6 che mostra che la forza centrifuga viene equilibrata
esattamente dalla somma delle due forze laterali generate dai
due pneumatici.
che rappresenta
la condizione di equilibrio in curva.
La forza laterale
generata dal rollio, rapportata al carico verticale, può
risultare inferiore o superiore alla forza
richiesta nella condizione di equilibrio rappresentata dal valore
della tangente dell'angolo di rollio.
Nel primo caso, con forza di rollio insufficiente, si dovrà
avere uno strisciamento laterale ossia un angolo di deriva
positivo che produrrà l'aliquota della forza mancante
all'equilibrio; nel secondo caso invece l'angolo di deriva dovrà
essere negativo in modo da ridurre la forza laterale che per
effetto del solo rollio risulta superiore a quella richiesta
nelle condizioni di equilibrio.
Figura 8.
Esempio di forze laterali anteriore e posteriore
al variare dell'angolo di rollio. Le curve tratteggiate rappresentano
le forze laterali richieste per l'equilibrio in curva.
Consideriamo i
pneumatici le cui caratteristiche sono rappresentate nella figura
7. Supponiamo che il veicolo stia
percorrendo una curva e che sia inclinato di 40°. La forza
di rollio nel caso del pneumatico posteriore risulta
insufficiente per l'equilibrio. Infatti con deriva zero la forza
laterale risulta pari a circa 0.73 (punto A) mentre la forza
richiesta risulta pari a 0.85. Il pneumatico posteriore quindi
striscerà lateralmente verso l'esterno e il valore dell'angolo
di deriva sarà proprio tale da far crescere la forza laterale
al valore necessario per l'equilibrio, rappresentato dal punto
B.
Nel caso del pneumatico anteriore si avrà invece nella
condizione di equilibrio un angolo di deriva negativo in quanto,
per un angolo di rollio di 40°, la forza prodotta dal solo
rollio risulta (punto B) maggiore di quella necessaria
per l'equilibrio (punto A). In questo caso il motociclo, a causa
delle caratteristiche dei pneumatici presenta
un comportamento sovrasterzante. Infatti se consideriamo la stessa
motocicletta che percorre la stessa curva
ma equipaggiata con pneumatici ideali, in grado di fornire una
forza di rollio proprio uguale a quella richiesta,
il raggio di curvatura risulterebbe maggiore come illustrato
nella figura 8.
Figura 8. Motociclo in curva visto dall'alto.
Si potrebbe anche montare sull'anteriore un
pneumatico scadente e uno prestante sul posteriore.
In sostanza si potrebbe avere il caso di pneumatico con deriva
al anteriore elevata e con deriva nulla
o leggermente negativa al posteriore. Il motociclo presenterebbe
con questi pneumatici un comportamento
molto sottosterzante. Il comportamento sottosterzante potrebbe
risultare pericoloso in quanto, nel caso fosse
necessario restringere la curva, si richiederebbe al pneumatico
anteriore una maggiore forza laterale ossia
in definitiva un maggiore angolo di deriva. E se il pneumatico
non fosse in grado di generare questa maggiore
forza cosa succederebbe? L'anteriore scivolerebbe e la caduta
sarebbe certa.
Il problema delle gomme non è tutto qui.
Ad esempio come è la dipendenza della forza di rollio
e di deriva dalla temperatura, dalla pressione?
Le forze dipendono dai carichi verticali, in modo proporzionale
o non proporzionale?.
Come si combina la forza laterale quando è richiesta una
forza longitudinale di frenata o di spinta?
Perchè cambiando i pneumatici, pur dando una sensazione
di tenuta, la guida si sente diversa?
Come vengono influenzate le caratteristiche di maneggevolezza
del motociclo dalle caratteristiche dei pneumatici?
Calma, le domande sono molte, a queste domande si cercherà
di dare risposte scientifiche corrette nei prossimi articoli.
Nel frattempo incominciamo a chiedere ai costruttori di pneumatici
i certificati di collaudo con l'indicazione dei valori
delle forze generate al variare dell'angolo di rollio e dell'angolo
di deriva, della pressione e della temperatura..
Forse è
bene parlare con numeri alla mano ... gomma tenera, dura, più
grip ... sono solo parole vuote.
