Stefano Rossignoli 19 dicembre 2011
ATTENZIONE!!!
Non andate ad ammazzarvi in strada dicendo poi che lo avevate letto su scienzafacile perchè sono fatti vostri e le cose elencate in seguito, per conoscerle, si fanno in pista o in aree appositamente dedicate e comunque assumendosi le proprie responsabilità, magari con un bel corso di guida sicura. Personalmente però credo che ogni utente dovrebbe conoscere buona parte dei comportamenti del suo mezzo…soprattutto per comportarsi di conseguenza in caso di emergenza…In questo articolo comunque parliamo solo di conseguenze di forza, massa e accelerazione…
Oserei dire che guidare in generale è una scienza. E’ FISICA allo stato puro del termine, ovvero la regina delle scienze. Come in tutte le applicazioni di una scienza però non basta studiarla sui libri ma necessita di una certa sensibilità piuttosto rara, di molta autocritica e di moltissimo training (ovvero di allenamento)…
Non essendo un pilota (seppur lo sia stato sulle due ruote a pedali qualche tempo fa…non certo il migliore, ma senza dubbio molto veloce) ed essendo scienzafacile un sito di divulgazione scientifica che mira alla divulgazione e alla comprensione delle cose, mi limiterò a specificare il perchè di ALCUNI comportamenti dei mezzi che guidiamo spesso, se non addirittura tutti i giorni, ovvero automobili (ma vale anche per i camion), biciclette e motociclette…
Cominciamo con un concetto fondamentale: Attrito .
L’attrito è una forza. In parole semplici è la resistenza che viene naturalmente posta al movimento del nostro mezzo…
Ci intressano maggiormente due tipi di attrito: quello radente, ovvero la resistenza opposta allo sfregamento di una superficie sull’altra (ad esempio lo pneumatico che tiene o che sfrega sull’asfalto) e quello volvente ovvero la resistenza opposta al rotolamento di un corpo cilindrico (pneumatico) su una superficie (asfalto, ecc). L’attrito viscoso per ora ci interessa solo parzialmente e comunque riguarda la resistenza al movimento di un solido dentro un fluido (aria, acqua, ecc)
Tutti dovrebbero sapere che sull’asfalto asciutto la gomma tiene di più che sull’asfalto bagnato o su una strada sterrata, peggio ancora sulla neve, per non parlare del ghiaccio.
Questo perchè?
L’attrito dipende da tante cose, vediamole:
#1 Prima di tutto dipende dalla natura delle superfici, ovvero dal tipo di materiale.
Il ghiaccio è ovviamente diverso dall’asfalto e l’asfalto bagnato è più scivoloso di quello asciutto, il che vuole dire che ghiaccio e asfalto bagnato oppongono meno forza d’ attrito dell’asfalto asciutto. Questo ad esempio è uno dei motivi per cui in alcuni casi si cambia mescola di gomma nelle coperture…
#2 In secondo luogo l’attrito depende dal peso del mezzo.
Maggiore è il peso del mezzo, maggiore sarà l’attrito. Visto che dall’attrito dipende anche la capacità di un mezzo di affrontare curve e frenate, viene da pensare quindi che per frenare di più o curvare meglio servirebbe un mezzo molto pesante. Questo è sbagliato, in quanto un mezzo pesante richiede una forza e soprattutto un dispendio energetico maggiore sia per essere fermato sia per fargli cambiare direzione (i dettagli magari in seguito), oltre al fatto che la gomma non si comporta in modo uniforme all’aumento di massa del mezzo…
#3 Un modo per diminuire l’energia necessaria a muovere mezzi molto pesanti è anche quello di aumentare il diametro delle ruote. L’attrito volvente dipende infatti anche da questo: maggiore è il diametro della ruota, minore sarà l’attrito (volvente)… anche per questo le ruote dei pesantissimi SUV, camion, trattori, ecc sono più grandi, non solo perchè sono più belle esteticamente… (se fossero strette e piccole poi, caricate come sono, si scalderebbero così tanto che esploderebbero dopo pochi km)
Sempre riguardo al punto #3, ultimamente e soprattutto nel campo delle biciclette da fuoristrada (MTB) si sta diffondendo molto l’utilizzo di ruote più grandi (specificatamente da 29 pollici di diametro – vedi link), questo perchè la resistenza volvente è minore e soprattutto il dislivello tra piccoli ostacoli (sassi, buche, gradini, ecc) viene ridotto moltissimo rispetto all’utilizzo delle tradizionali 26 pollici. In altre parole la ruota entra meno tra un ostacolo e l’altro, sta più fuori, ammortizzatori e braccia devono lavorare di meno e la bici va più dritta e più veloce …e dura anche di più in conseguenza ai minori scossoni. Mi sa che con le 29′ dura di più anche il ciclista, o almeno di più di me!!!
Piccola parentesi: l’attrito (da manuale), non dipende dalla superficie d’appoggio, il che va contro alla normale interpretazione sulla funzione delle gomme più larghe che aumentano la tenuta di strada dei mezzi su ruote…
Ma si sa: risolvere un problema dal punto di vista pratico è quasi sempre più complicato della teoria su cui si basa e gli pneumatici non lavorano propriamente come il cilindro o il cubo di ferro/legno/plastica/vetro dell’esperimento fatto nel laboratorio di fisica delle superiori e per questo vi mando a forum e letture più specializzate di questa in cui si tratta di mescole, interazione gomma/superficie, pressione tra asfalto e pneumatico, scolpitura in base al fondo, alle condizioni climatiche, reazione al carico verticale, laterale, ai trasferimenti di carico, e chi più ne ha più ne metta …provate solo a pensare a quanto studiano sul comportamento delle ‘gomme’ delle macchine da corsa…e ai diversissimi assetti tra auto preparate per un rally su neve, terra o asfalto asciutto/bagnato…
Detto questo, partiamo dal presupposto che il nostro mezzo a due o a quatro ruote abbia gomme buone e adatte al clima e al fondo stradale della nostra zona e cominciamo col vedere cosa fa il mezzo quando ci muoviamo…
Accelerazione
L’accelerazione in questo caso è la conseguenza dell’applicare forza sulle ruote. Questa può essere applicata tramite un motore, tramite i nostri muscoli o, naturalmente, da una discesa… (ma per semplificare ulteriormente il discorso, d’ora in poi ragioniamo come fossimo in piano e semmai aggiungeremo la variabile pendenza qua e là).
Attenzione! L’accelerazione in fisica è sinonimo di decelerazione. La decelerazione è sempre una conseguenza dell’applicazione di una forza sulle ruote da parte di freni o, per i mezzi motorizzati, del freno-motore (ovvero, lasciando parzialmente o totalmente libero l’acceleratore, la forza che il motore contrappone all’aumento del numero di giri)… Nonostante tutto in questo articolo parleremo di accelerazione e di decelerazione come due cose diverse!
Conseguenze dell’accelerazione (beccheggio)
Accelerando, il mezzo tende ad alzarsi anteriormente e a schiacciarsi posteriormente (questo è il beccheggio), per il fatto che il peso va a concentrarsi posteriormente (trasferimento di carico al posteriore). Questo porterà ad avere meno carico sul davanti e in tal caso, gli pneumatici seguono anche le leggi di attrito. Gli anteriori sono meno carichi e la direzionalità è meno efficace… Macchine e motociclette normali con ammortizzatori mollicci e bilanciamento dei pesi approssimativo beccheggiano molto e traballano anche un po’ sul davanti perdendo molta precisione sullo sterzo… Anche in bici, gli ammortizzatori mollicci vanno bene per i turisti e per il comfort in città ma vanno subito in crisi se sollecitati diversamente…
A discolpa dei mezzi “normali” bisogna dire che assetti meno esasperati e spacca schiena, ammortizzatori mollicci e pneumatici non troppo ribassati e rigidi (con bassi angoli di deriva), se perdono in precisione, d’altra parte perdonano anche moltissimi comuni errori e distrazioni dei normali utenti che altrimenti finirebbero fuori strada più spesso del solito…
Decelerando, il carico maggiore sarà sul davanti ed aumenterà la direzionalità (inteso come la capacità dell’avantreno di imprimere una direzione al mezzo). Di conseguenza, il minor carico sul posteriore gli conferirà meno tenuta di strada e in caso di curva tenderà a volte ad uscire verso l’esterno della traiettoria…
Esempio pratico in automobile trazione anteriore: Sono in curva, marcia ovviamente inserita, la macchina smette di girare o quasi (Sottosterzo) perchè sto accelerando o perchè il fondo è diventato più viscido, rilascio l’acceleratore (a volte, ma non sempre, l’aiuto con un minimo di freno) e la macchina decelera un po’ aumentando il carico sull’anteriore e riprende a curvare…forse!!!
Perchè forse?
Perchè le alternative sono almeno cinque:
#1 La macchina riprende direzionalità e in qualche modo riesco a fare la curva
#2la macchina non riprende abbastanza direzionalità e continua ad andare dritta fino a sbattere o ad uscire di strada
#3 (Sovrasterzo) La macchina prende molta direzionalità, il posteriore la perde allargando la traiettoria mentre l’anteriore la stringe e finisco a sbattere (se c’è da sbattere) sull’interno della curva…
#4 Come il caso 3 ma con perdita di aderenza più decisa sul posteriore e l’automobile va in testacoda
#5 Come nel caso 4 ma con macchina molto stretta e alta, non molto assettata, fondo irregolare, ecc e, quando la macchina diventa perpendicolare alla direzione di marcia mi cappotto…
Un altro caso tipicamente istintivo può essere quello di frenare con decisione …e la macchina se ha ABS e cose varie (e non vado troppo forte) mi tirerà fuori. Se non ha l’ABS e blocco le ruote, vado via dritto più di prima. La macchina a ruote bloccate non gira!!! Diventa come un cubo che striscia sull’asfalto…
(Non ho considerato volutamente l’intervento di tutti quegli aggeggini elettronici che sono ormai di serie su molti mezzi a 4 ruote …e che comunque sono molto svantaggiosi ad esempio su neve, vedi ABS …anche se addomesticano molto la guida sull’asfalto asciutto e bagnato)
Tutti questi comportamenti sono solo alcuni di quelli con cui i piloti fanno i conti ad ogni allenamento, ad ogni giro di pista o ad ogni gara di downhill. Allora in questi casi, un bloccaggio delle ruote può essere anche voluto, ecc, ecc
E sono anche quei comportamenti a cui di solito noi non sappiamo reagire quando ci servirebbe, ovvero in caso di manovre di emergenza…
Un ciclista, quando ‘perde’ il davanti, cerca di avere già da prima una posizione corretta il più bilanciata possibile e comunque dando maggior carico alla ruota desiderata, poi, a seconda della velocità, può imprimere un’accelerazione pedalando con forza (cercando di non dondolare troppo) in modo che il posteriore perda aderenza, allarghi la traiettoria ridando la giusta direzionalità all’anteriore, oppure blocca un poco il posteriore per ottenere un effetto simile (ma anche una decelerazione), questo gli consente anche, se necessario, di puntare la gamba all’interno della curva per poter inclinare di più la bici avendo comunque una certa ‘sicurezza’ di non andare in terra in scivolata…
Ma cosa succede In curva?
In curva, il nostro mezzo vorrebbe non curvare!!! Ecco quel che succede! Un corpo qualsiasi tende ad andare dritto. Per farlo curvare ci vuole una forza che lo mantenga nella direzione richiesta. Questa è data sempre dagli pneumatici che imprimono la direzione e cercano di mantenerla. Lasciando perdere i complicati spostamenti che compie il ciclista o motociclista per opporsi alla forza che vorrebbe farlo andare dritto, torniamo al comportamento delle quattro ruote…
In curva, il fenomeno più evidente in conseguenza delle forze in gioco è certamente il Rollio, ovvero l’inclinarsi del mezzo verso destra (in una curva a sinistra) e verso sinistra (in una curva a destra). Questo accade perchè il carico tende ad andare in posizione opposta al verso di spostamento.
Tornando all’accelerazione, se accelero in avanti il carico va indietro e viceversa …quindi se ho trasferimento di carico, vuole dire che anche in curva c’è accelerazione… Ogni volta che si applica una forza infatti si ha come conseguenza un’accelerazione (in fisica infatti l’accelerazione è il rapporto tra Forza e massa del corpo interessato a=F/m). Questa forza è detta forza centripeta. E ogni volta che c’è un’accelerazione di mezzo, in auto abbiamo dei trasferimenti di carico…
Le ruote esterne quindi saranno sottoposte a maggior carico e sollecitazioni e se il rollio verso l’esterno della curva diventa troppo, la macchina si cappotterà. Gomme più larghe e assetti più rigidi o più studiati, limitano questi trasferimenti di carico migliorando la tenuta di strada sull’asciutto, ma sul bagnato non è sempre così. In caso di pozzanghere, il battistrada troppo largo potrebbe non riuscire a scaricare l’acqua a sufficienza e planare sulla superficie (acquaplaning) fuori controllo o quasi…
Sulla neve, ruote più strette garantiscono una miglior direzionalità, trazione, ecc, in quanto aumenta la pressione che la gomma del pneumatico esercita sul manto ‘stradale’
Fondi lisci e compatti come neve dura e ghiaccio, soprattutto se inclinati, richiedono di essere incisi da chiodi o catene, in modo che questi ultimi scavino letteralmente appigli a cui il mezzo si possa attaccare per progredire nella direzione richiesta… (Non dimenticatevi le catene nel baule della macchina – scegliete un battistrada adeguato con motociclette e bici, ricordando che un buon battistrada per una certa situazione, spesso è un pessimo battistrada in altre situazioni e bisogna regolare la guida di conseguenza )
Traggo qualche conclusione in quanto l’argomento è talmente vasto e difficile da trattare che mi perderei. E’ decisamente meglio attingere a fonti specializzate… Questi piccoli esempi però spero accendano qualche lampadina e permettano di capire come ogni azione imprima forze che portano a comportamenti consequenziali nel mezzo che guidiamo.
Non mi permetto di insegnare a guidare, perchè avrei solo da imparare.
Non si finisce mai di farlo ma mi permetto solo di ripetere che ogni azione ha le sue conseguenze e 1500Kg o più di macchina, lanciati a soli 60 km all’ora, in certe situazioni, sono molto più difficili da girare o da arrestare di quanto sembri e, a mio parere, tutti i guidatori dovrebbero provare e imparare a farlo e a capire anche quando non si può fare …prima di mettersi quella cosina rosa in tasca chiamata patente.
E a Scuola Guida chissà se gli istruttori saprebbero farlo/insegnarlo?
…per favore, prudenza, distanza di sicurezza (soprattutto da me) e usate il cervello…
ATTENZIONE!!!
Non andate ad ammazzarvi in strada dicendo poi che lo avevate letto su scienzafacile perchè sono fatti vostri e queste cose, per conoscerle, si fanno in pista o in aree appositamente dedicate e comunque assumendosi le proprie responsabilità, magari con un bel corso di guida sicura. Personalmente però credo che ogni utente dovrebbe conoscere buona parte dei comportamenti del suo mezzo…soprattutto per comportarsi di conseguenza in caso di emergenza…In questo articolo comunque parliamo solo di conseguenze di forza, massa e accelerazione…
Links di approfondimento:
http://www.29pollici.com/faq/109-le-29-pollici-si-guidano-diversamente
http://ralph-dte.eu/2010/12/19/assetto-da-neve-gomme-piu-larghe-o-piu-strette/
http://ralph-dte.eu/motori/#setting
http://forum.motorionline.com/index.php?showtopic=21922
A presto!