FISCHI ED ELLISSI: Come lavora uno pneumatico

Che si parli di accelerazione, frenata o tenuta di strada; gli pneumatici sono fondamentali.
Come serve a poco essere una persona sveglia e geniale se non riesci a comunicarlo a chi ti è di fronte, allo stesso modo se gli pneumatici non sono in grado di trasmettere alla strada ciò che l'auto può fare, ciò che l'auto può fare è del tutto irrilevante.

Oggi perciò cercheremo di capire meglio come lavora uno pneumatico. In particolare parleremo di aderenza (grip) lasciando per altri articoli approfondimenti su composizione, consumo e resistenza al rotolamento.

Per cominciare è importante sapere che uno pneumatico genera grip in due modi:
- Attraverso FORZE di ATTRITO
- In modo chimico tramite quelle che possiamo definire "FORZE ADESIVE".

Parlando di Attrito, con qualche conoscenza di fisica di base, sappiamo che ad una forza applicata che favorisca lo slittamento di un corpo rigido a contatto con una superficie piana, si contrappone una forza uguale e contraria a quella applicata fino ad un certo limite (definito dal coefficiente di attrito statico) oltre il quale la forza di attrito sarà costante e inferiore al limite raggiunto e alla forza applicata (sarà definita dal coefficiente di attrito dinamico). I due corpi a questo punto incominceranno a muoversi l'uno rispetto all'altro, appunto slittando.  
Ovviamente i due coefficienti di attrito vanno moltiplicati per il peso del corpo rigido o comunque per la forza che tiene a contatto il corpo con la superficie.  Qualcosa del genere...

Sembra chiaro che questo modello sarebbe perfetto per descrivere qualsiasi tipo di forza esercitata da uno pneumatico; se non fosse che una gomma è tutto fuorchè un corpo rigido! 
La sua deformazione però è in qualche modo proporzionale alla forza che su di esso viene applicata, in più è difficile in realtà capire quando la gomma sta effettivamente cominciando a slittare o quanto si stia deformando.
Viene definito perciò uno scorrimento dello pneumatico (scorrimento longitudinale o angolo di deriva a seconda che si stia parlando di forze longitudinali o laterali. La definizione di questi parametri è complessa e va oltre la comprensione di base obiettivo di questo articolo) che contiene in se sia la deformazione che lo slittamento.

L'ingegnere e fisico olandese Hans B. Pacejka, sulla base di osservazioni sperimentali, ha descritto l'evoluzione della forza esercitata da uno pneumatico in funzione dello scorrimento con una curva di questo tipo:

Come si vede, la forza esercitata dalla gomma aumenta fino a raggiungere un picco per poi decrescere e attestarsi su un valore più o meno costante..   Nulla di diverso da quello che abbiamo visto per l'attrito insomma, solo tutto più graduale. 

Dicevamo che lo pneumatico però genera grip anche attraverso forze adesive:  Legami chimici, ovvero, che la gomma forma con il manto stradale rimanendo letteralmente incollata ad esso anche dopo il passaggio della ruota. 
Gli pneumatici da corsa, rispetto a quelli stradali, puntano molto di più su questo genere di aderenza; a questo è dovuta quella riga nera che si forma sulla "traiettoria gommata" in pista.
Questo genere di forze si sviluppa però solo in condizioni di grip mentre è molto meno importante in fase di scivolamento.  Le gomme da gara avranno perciò un picco di prestazione molto più alto, ma un comportamento molto meno controllabile in caso di perdite di grip. 

Resta da capire cosa succede quando si chiede allo pneumatico di esercitare allo stesso tempo una forza longitudinale e una laterale.  Tutto quello che abbiamo visto sin'ora infatti considera forze in una sola direzione. 

Il modo più semplice per descrivere ciò che succede è il modello ellittico:

Questo grafico rappresenta il massimo picco di forza esercitabile dallo pneumatico in funzione della direzione verso cui viene esercitato.  In pratica ci dice che il modo migliore di accelerare e frenare è a ruote dritte e il modo migliore di curvare è a velocità costante.  Ci dice anche che in teoria è meglio tenere separate le ruote motrici dalle ruote sterzanti. (è il motivo per cui in genere le auto da corsa non sono a trazione anteriore)  

In realtà non è proprio tutto così semplice perchè tra le ruote e l'auto ci sono le sospensioni, rollio e beccheggio, spostamento dei pesi...  
Ma ne parleremo un'altra volta!  

Anche per oggi è tutto.  Alla prossima!   😃