venerdì 10 novembre 2017

CONTROSTERZO: Quando la sterzata diventa un comando a basso livello



Sottosterzo e sovrasterzo.

Due parole che chiunque abbia un minimo di infarinatura in ambito automobilistico non può non aver sentito.  Due comportamenti dell'auto che chiunque abbia provato ad affrontare almeno una curva al limite (che sia con un kart o con il Pandino del nonno) non può non aver provato. 
 


Una piccola premessa:
 
Se segui questo blog da un po' di tempo e magari hai già avuto modo di esplorarlo un po' (parlo in particolar modo della visualizzazione da computer, la versione mobile è decisamente più minimal), avrai notato che cerco di suddividere i miei articoli in aree tematiche alternando articoli prettamente tecnici ad altri più incentrati sulla guida sportiva
Per trattare l'argomento a tutto tondo, però, l'articolo di oggi sarà un po' più "multidisciplinare": in particolare partiremo dal tecnico della teoria, ci immergeremo nel pratico della guida fino a sfociare nel tecnico degli accorgimenti di assetto che possono aiutarci ad arginare o sfruttare l'uno o l'altro fenomeno per migliorare il comportamento dell'auto. 

Cominciamo dall'inizio, cercando di definire in modo chiaro... 

Di cosa stiamo parlando:

Immagina di percorrere una curva a raggio costante (un anello), dapprima molto lentamente, per poi accelerare gradualmente aumentando a poco a poco la velocità. Aumentando la velocità, aumenterà la forza centrifuga e con lei la forza laterale esercitata dalle gomme sino a quando l'auto raggiungerà il suo limite di tenuta laterale; superato il limite la forza centrifuga l'avrà vinta e l'auto tenderà inevitabilmente ad allargare la curva.  
Questa triste storia americana può finire in 3 modi:


  

... e come disse un saggio pilota, sottosterzo è quando il muro lo vedi arrivare, sovrasterzo è quando senti solo la botta. 

Per superare questa definizione intuitiva che penso avessi già, è necessario considerare l'auto come un sistema dinamico che, dato in input un certo angolo di sterzo, restituisce in output un certo angolo di imbardata. 
Quando si parla di sistemi dinamici non si può non ricordare il concetto di stabilità; ti consiglio perciò di dare un'occhiata a questo articolo.  😉
In particolare ti richiamo 2 concetti fondamentali:

1) La definizione di stabilità come tendenza di un sistema a tornare al suo stato di equilibrio una volta perturbato.  

2) Il concetto di angolo di imbardata come orientamento del veicolo rispetto alla strada.  Da non confondere con l'angolo di deriva che invece identifica l'orientamento dell'auto rispetto alla direzione verso cui si sta muovendo.
 
Nel nostro caso la "perturbazione" al sistema è la sterzata in input; perciò, dato che, quando l'auto assume un comportamento sottosterzante, di fatto imbarda meno di quanto richiesto dall'angolo di sterzo, si tratta di un fenomeno strettamente legato al concetto di stabilità in quanto l'auto dimostra una tendenza a restare dritta (a mantenere quindi il suo stato di equilibrio!). 
Allo stesso modo, considerando il sovrasterzo come una tendenza dell'auto ad imbardare più di quanto richiesto dall'angolo di sterzo, si capisce che si tratta di un comportamento fondamentalmente instabile e legato al concetto di maneggevolezza. 

Questo legame tra stabilità e risposta di sterzo si può facilmente trovare in esempi reali e può essere reso evidente per mezzo di alcuni semplici grafici. 
Tornando all'anello percorso a velocità lievemente crescente, ad esempio, il comportamento dell'auto all'aumentare della velocità può essere riassunto in questo grafico.


Se a basse velocità qualunque auto è in grado di tenere senza problemi qualunque angolo di sterzo richiesto, all'aumentare della velocità e con essa dell'angolo di deriva e delle forze laterali esercitate dagli pneumatici la stabilità dell'auto comincia a fare la differenza:  
Un'auto sottosterzante tenderà a imbardare sempre meno fino ad andare quasi completamente dritta (l'angolo di imbardata tende a 0 ma non si annulla mai del tutto), una sovrasterzante invece tenderà a chiudere la curva sempre di più fino a girarsi; la velocità a cui l'angolo di imbardata diverge ad infinito è detta velocità critica.
ATTENZIONE!
Il fatto che un'auto neutra mantenga l'angolo di sterzo richiesto non significa che mantenga la curva!  Ricorda che angolo di imbardata e angolo di deriva non sono la stessa cosa; un auto neutra tenderà a scivolare verso l'esterno sulle 4 ruote.  Stiamo parlando dell'orientamento dell'auto, non della sua traiettoria.   😉

In sintesi abbiamo visto che un'auto sottosterzante tende ad accostarsi su un certo angolo di imbardata, esattamente come un sistema stabile, mentre un auto sovrasterzante vede l'angolo di imbardata "schizzare" all'infinito, comportamento tipico dei sistemi instabili. 

Sin'ora abbiamo parlato di regime stazionario, ovvero a velocità e angolo di sterzo costanti, ma cosa accade se, a velocità costante, sterziamo bruscamente applicando di colpo un certo angolo di sterzo?   

Anche qui la stabilità dell'auto fa la differenza... 


Quando si parla di risposta dinamica (qui entra in gioco l'evoluzione del sistema nel tempo), è inevitabile che ci sia un transitorio; ovvero un certo lasso di tempo che separa l'input della brusca sterzata dalla risposta dell'auto in termini di imbardata.  Questo è dovuto principalmente ai trasferimenti di carico che passano attraverso le sospensioni e in particolare dalle molle e gli stessi pneumatici: sino a quando il trasferimento di carico non è completato, infatti, gli pneumatici non riescono ad esercitare forze laterali.   

Nel grafico ho tracciato in blu un comportamento tipicamente sottosterzante: l'auto non riesce mai a raggiungere l'angolo di sterzo richiesto costringendo il guidatore a sterzare di più per effettuare la stessa curva. 
In rosso invece è evidenziato un comportamento estremamente sovrasterzante con l'auto che si gira repentinamente non appena concluso il transitorio. 
In giallo infine il compromesso ideale: un comportamento lievemente oscillante ma che si stabilizza, finito il transitorio, sull'angolo di sterzo desiderato. 

In realtà, a velocità costante, praticamente tutte le auto si comportano più o meno nel modo evidenziato in giallo o al limite in blu se la velocità è piuttosto alta...  e per la sicurezza stradale è giusto così, dato che su strada la maggior parte delle curve affrontate a più di 40 km/h viene percorsa a velocità più o meno costante. 
Solo i veicoli industriali, come tir o autoarticolati, possono presentare comportamenti lievemente instabili che oscillano attorno all'angolo di sterzo desiderato con un'ampiezza di oscillazione sempre maggiore sino a quando l'angolo di imbardata non diventa più recuperabile, ma non è un grosso problema in quanto il guidatore, in genere, corregge sul nascere queste oscillazioni stabilizzando il veicolo in modo istintivo. 

"Quindi, dopo tutto sto papiello, mi stai dicendo che le macchine in curva sono tutte buone!?"

A velocità basse e costanti diciamo di si.
Quando le velocità iniziano a salire (per chi più, per chi meno) la tendenza collettiva delle auto stradali è il sottosterzo.  
Tutto questo a velocità costante..  

Quando si spinge al limite o si è in una situazione di emergenza, però, difficilmente la velocità resta costante.  



Ed è in questi momenti che le buone auto e i buoni piloti fanno la differenza! 

Ma andiamo con ordine...  

Quando si guida al limite,(ricordi l'articolo in cui ti parlavo di traiettorie?) le curve si possono generalmente suddividere in 3 fasi: 

1) Frenata e inserimento
2) Percorrenza
3) Uscita e accelerazione

In ognuna di queste 3 fasi l'inerzia del veicolo genera uno spostamento di carico che, modificando la forza verticale agente sugli pneumatici, cambia radicalmente le proprietà di stabilità dell'auto. 

Partiamo dalla fase di frenata: 

Quando si pesta violentemente il pedale del freno, la decelerazione crea una forza di inerzia che spinge l'auto in avanti. (2a Legge di Newton, la puoi sperimentare facilmente quando sei in piedi nel pullman e l'autista frena 😜)
Questa forza ha un braccio di leva che, in genere, è tanto maggiore quanto più in alto si trova il baricentro dell'auto e, meccanica elementare, come tutte le forze munite di braccio di leva crea un momento che tende a far ruotare il telaio dell'auto attorno ad una retta definita asse di beccheggio.  
Questo momento viene controbilanciato dalle forze verticali che l'asfalto esercita sulle ruote (uguali e opposte a quelle che le ruote esercitano sull'asfalto; 3a Legge di Newton), perciò l'effetto dell'inerzia in frenata si traduce in un maggior carico verticale sulle ruote anteriori (che di conseguenza avranno più grip) e in un minor carico su quelle posteriori (che ne avranno meno). 

Questo cambiamento nel bilanciamento dei pesi dell'auto sposta il suo comportamento verso il sovrasterzo tanto più quanto..
1) Il baricentro è più alto da terra.
2) Il baricentro è spostato in avanti (caso tipico delle auto a trazione anteriore).

Quando si frena perciò l'auto tende a destabilizzarsi (vedi linea rossa nell'ultimo grafico che ti ho mostrato) e questo è fondamentalmente il motivo per cui è sempre meglio farlo a ruote dritte. 

In fase di percorrenza la velocità dell'auto rimane pressochè costante (deve essere così! Ricorda che gli pneumatici possono raggiungere la massima forza laterale solo se non esercitano forze longitudinali) quindi già sai ciò che c'è da sapere. 

In fase di accelerazione il peso si sposta sulle ruote posteriori e questo sposterebbe il comportamento dell'auto verso il sottosterzo, ma c'è un ulteriore fattore che entra in gioco: il tipo di trazione.  
Come ho già detto e abbiamo visto abbondantemente in questo articolo, gli pneumatici perdono progressivamente la capacità di esercitare una forza trasversale quanto più gli viene richiesto di esercitarne una longitudinale. Questo in genere dona un comportamento sovrasterzante alle auto a trazione posteriore che, se si dosa bene il gas, può compensare lo spostamento di carico che in questo caso viene sfruttato per aumentare la massima coppia trasmissibile a terra. Nelle auto a trazione anteriore, invece, la trazione peggiora la situazione rendendo l'auto ancora più sottosterzante in uscita di curva.

Da queste considerazioni si capisce il motivo per cui le auto da corsa (quelle progettate esclusivamente per correre come Formula e Prototipi) sono in genere a trazione posteriore e motore centrale: sono più stabili in frenata, più precise in accelerazione e i tempi sul giro ne giovano. 


Si capisce anche uno dei motivi per cui la maggior parte delle stradali sono a trazione anteriore; il sottosterzo essendo un fenomeno stabile è più facile da controllare rispetto al sovrasterzo, che richiede un pilota più esperto.  (anche se conosco parecchia gente che frenando in percorrenza di curva con una trazione anteriore se l'è vista abbastanza brutta... In situazioni di emergenza, un buon pilota fa la differenza con qualsiasi auto. 😜)

Bene, ora che sappiamo cosa succede all'auto ti starai chiedendo..  
Cosa può fare un buon pilota?

Come un marinaio sfrutta venti e correnti per portare la barca dove vuole lui, un buon pilota sfrutta l'inerzia dell'auto per farle fare ciò che deve; misurando l'input di volante che da' alla vettura in base ai movimenti che essa tenderà naturalmente a fare. 
In genere la capacità di entrare in sintonia con il mezzo è ciò che distingue i buoni piloti e si tratta di una questione quasi del tutto istintiva, si possono però identificare delle tecniche che consentono, una volta capito ciò che sta facendo la macchina, di sfruttare o correggere i suoi movimenti.

Consideriamo un classico tornante a lunga percorrenza di media velocità.  Diciamo che, guidando in pista un auto stradale che può essere una Giulia piuttosto che una Serie 3 o una Lexus IS, arriviamo alla curva a una velocità di 160 km/h, freniamo per percorrere la curva a 70km/h e riacceleriamo per cercare la migliore uscita di curva possibile.
Cosa fare se si ha:

-> Sottosterzo in ingresso curva:

Abbiamo visto che, in genere, in frenata le auto tendono a diventare più sovrasterzanti. Se, malgrado questo, l'auto in questo frangente si dimostra comunque sottosterzante probabilmente significa che sei semplicemente entrato in curva troppo forte.  In questo caso le soluzioni sono 2: 
- Frenare prima per arrivare alla curva ad una velocità a cui l'auto si dimostra più gestibile.
- Frenare più forte in modo da innescare un maggior spostamento di peso in avanti e dare più grip alle ruote anteriori a scapito delle posteriori. Questa tecnica è più rischiosa però dato che, se davvero sei entrato troppo forte, porta l'auto a destabilizzarsi non riuscendo comunque a chiudere la curva. 
Insomma è una tecnica che funziona per correggere le tendenze dell'auto, non gli errori del pilota.

Un discorso a parte si può fare per auto magari un po' più datate:
fino agli anni '80 le auto, considerando che le strade non erano le stesse di oggi, avevano gomme con spalla più alta ed erano impostate con sospensioni molto più morbide rispetto alle auto di oggi.  
Questa morbidezza, guardando l'ultimo grafico che ti ho mostrato a proposito della sterzata brusca, si traduce in un transitorio molto più lungo; ovvero un lasso di tempo in cui l'auto, non essendosi ancora trasferiti i carichi, non riesce ad esercitare forze laterali.  I piloti dell'epoca compensavano questo ritardo di risposta anticipando l'ingresso in curva e forzando lo spostamento di carico come ti spiego bene in questo articolo

-> Sovrasterzo in entrata di curva:  

Anche in questo caso, spesso la ragione è un semplice errore del pilota, entrato in curva troppo velocemente. Se l'auto si dimostra particolarmente sovrasterzante in ingresso curva, però, il pilota può sfruttare questa maggiore precisione per spigolare maggiormente la curva, ritardando il punto di corda e migliorando l'uscita senza perdere troppo terreno in percorrenza.

-> In percorrenza di curva...  

Se si presenta sottosterzo in questa fase il pilota può arginare il fenomeno semplicemente rallentando, ma i tempi sul giro ne risentono inevitabilmente. 
Il sovrasterzo in percorrenza invece può essere gestito controsterzando e giocando con il gas, imponendo all'auto l'angolo di imbardata necessario affinchè l'auto segua la traiettoria voluta. 
In questa fase è intuitivo che la gestione del sovrasterzo è decisamente più complicata di quella del sottosterzo; è anche vero però che il sovrasterzo, se gestito bene (sull'asciutto), influisce molto meno sui tempi sul giro rispetto al sottosterzo. Per questo motivo, spesso i piloti, davanti ad un'auto tendenzialmente sottosterzante, cercano di bypassare il fenomeno innescando un sovrasterzo volontario ad inizio curva con una "spendolata" o un colpo di freno.   

-> In uscita di curva:

In uscita il comportamento dell'auto, come dicevo prima, è molto influenzato da dove si trovano le ruote motrici; vediamo perciò in sintesi cosa abbiamo detto sin'ora per le auto a trazione anteriore e quelle a trazione posteriore. 

Le auto a trazione anteriore hanno, in genere, per via del motore trasversale, un baricentro più alto e spostato in avanti rispetto alle auto a trazione posteriore che possono presentare una ripartizione dei pesi bilanciata o spostata verso dietro a seconda che il motore sia posizionato anteriormente in posizione longitudinale, centralmente o al posteriore. 
Questo si traduce in un comportamento più stabile in ingresso e più instabile in uscita per le auto a trazione posteriore; l'esatto opposto per le trazioni anteriori. 

Un comportamento più instabile e maneggevole in uscita consente, in una trazione posteriore, di accelerare un po' prima rispetto a quanto si potrebbe fare con una trazione anteriore.  Allo stesso tempo, però, sarà più difficile uscire di curva in modo pulito e il pilota dovrà dosare attentamente il gas prima di spalancare. 

Con un'auto a trazione anteriore abbiamo visto che in genere si va a spigolare di più la curva in ingresso.  Quest'impostazione della curva consente di accelerare in uscita senza dover dare troppo angolo di sterzo... ed è una cosa sacrosanta! 
Se l'auto tende a tirare dritto in uscita di curva, l'unica cosa che il pilota può fare per non finire fuori è alzare il piede; cosa che gli farà perdere tempo non solo in quella curva, ma in tutto il successivo allungo.   

Nota:
Ovviamente quanto detto per le auto a trazione anteriore o posteriore non è una regola assoluta; specialmente quando si tratta di auto da corsa non è detto che un'auto a trazione posteriore sia stabile in frenata, anzi!  Molto dipende dai settaggi di angoli caratteristici delle sospensioni e rigidezza di molle e ammortizzatori...   



So cosa stai pensando...

All'inizio dell'articolo ti avevo promesso che saremmo entrati nel tecnico di questi accorgimenti di assetto vedendo cosa si può fare per correggere determinati comportamenti dell'auto. 
Scrivendo, però, mi sono reso conto che l'argomento, se trattato come merita, diventa davvero vasto e avrebbe reso quest'articolo davvero troppo troppo lungo.  Sarà l'oggetto del prossimo. 😉

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Noi ci vediamo alla prossima!  

Ciao  😜

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