Pneumatici e aderenza

Parlando di sicurezza stradale spesso dimentichiamo che tutto si concentra in un unico punto: quello di contatto fra pneumatico e strada.

Infatti, è solo tramite il contatto pneumatico-strada che ogni veicolo “aderisce” al suolo e quindi grazie a questo contatto è in grado di stare fermo, avanzare, retrocedere, sterzare e frenare.

Controllare un veicolo è solo possibile fin quando si padroneggia tale aderenza con il suolo; perderne il controllo significa superare certi limiti perdendone la padronanza dell’aderenza e con essa anche quella del veicolo.


In fisica si parla di “attrito” e dei suoi differenti coefficienti. Infatti, citando Wikipedia, in fisica l’attrito è una forza che si oppone al movimento o allo spostamento di un corpo su di una superficie … ovvero, nello specifico, il movimento o lo spostamento dello pneumatico sulla superficie stradale. Troverete anche i distinguo fra attrito statico e attrito dinamico.


Nulla da eccepire, ma tali formulazioni scolastiche male si addicono per descrivere ed analizzare l’attrito che interessa il nostro settore, quello fra pneumatico e strada. Non dico che sia altra cosa, solo che va visto e studiato in tutt’altra ottica, ovvero nella realtà pratica del fenomeno.

Nell’incidentologia stradale se l’attrito statico interessa solo il veicolo fintanto che è fermo, sotto il cappello dell’attrito dinamico consideriamo più attriti differenti: quello nel punto d’urto, ovvero all’interno delle reciproche zone di deformazione durante la collisione mentre, fra pneumatico e strada, nello specifico mi concentro unicamente su quello che agisce longitudinalmente, tipico della frenata.


Come esprimerlo e monitorarlo? Lo si può misurare ed esprimere in funzione della velocità, dell’angolo di deriva, della % di slittamento e, ovviamente, sempre considerando il tipo di fondo stradale.

Per le case produttrici di pneumatici e negli studi comparativi principali, da sempre lo si analizza in funzione della % di slittamento per ogni tipo di superficie stradale.

Ricorderete che in un precedente articolo “Reazione o frenata?” avevo spiegato che la fase iniziale di ogni frenata è sempre quella incrementale seguita da quella cosiddetta totale (in tedesco: Vollbrems) e, come era evidente dalla figura che ripropongo, che l’andamento del suo coefficiente [µ] ha una sua specifica caratteristica all’interno delle due fasi della frenata, incrementale nella prima e pressoché costante nella seconda.


Parlare di ricerca sugli pneumatici per me significa far riferimento alla Scuola di ingegneria automobilistica di Biel/Bienne a cui io devo la mia formazione. Il fiore all’occhiello della ricerca della Divisione auto di questa Scuola sono gli oltre 50 anni di esperienza acquisita nei test condotti su strada tramite l’apposito laboratorio mobile, ormai giunto alla sua terza generazione.

Posso immaginare che a pochi sia chiaro il concetto di percentuale di slittamento [% S] di uno pneumatico e ancor meno come sia possibile rilevarlo. Lo pneumatico altro non è che la parte periferica della circonferenza di una ruota, ovvero l’unico contatto del veicolo con il suolo.

Data la sua costruzione, forma e funzione la ruota nel movimento gira: se il concetto è ovvio, per noi diventa basilare nel monitoraggio di quanto avviene durante la frenata.


Concettualmente - Quando la ruota gira liberamente, né spinta né frenata, questa non ha alcun scivolamento al suolo, quindi parleremo di slittamento nullo (% S = 0,0) mentre quando la ruota è completamente bloccata questa non gira bensì unicamente scivola: quindi parleremo di slittamento totale (% S = 100,0).


Ne consegue che la % di slittamento di uno pneumatico è in relazione diretta con la velocità di rotazione della ruota dove è evidente che per una velocità di rotazione di 0,0 giri/min (ruota bloccata) il relativo slittamento sarà totale (100%). Per monitorare l’andamento del coefficiente d’attrito in frenata in funzione della % di slittamento si raffronta la velocità di rotazione della ruota in fase di frenatura alla velocità di rotazione temporanea corrispondente alla stessa in stato di libera rotazione assoluta (% S = 0,0), da cui la formula seguente:


dove:

n1 = giri/min della ruota di riferimento

n2 = giri/min della ruota frenata


Pertanto, per definire la % di slittamento necessitiamo della velocità di rotazione della ruota frenata o di ciascuna delle ruote frenate, da confrontare con la velocità di rotazione una ruota di riferimento invece assolutamente libera: questo ci permette di esprimere un valore % assoluto, indipendente dalla variazione della velocità durante la frenata (vedi formula).

Per la sicurezza stradale, il parametro della % di slittamento è di importanza assoluta: infatti è quanto rileva e necessita l’ABS (dal tedesco: Anti-Blockier-System) per mantenere l’efficacia frenante nella fascia di massima aderenza che sappiamo situarsi, di regola, entro il 15÷25 % dello slittamento, quindi in una fascia della rotazione ben lungi dal bloccaggio totale della ruota (100 % S).


Del suo monitoraggio me ne occupai alla fine dei miei studi di ingegneria (marzo 1971) seguiti presso la Scuola di ingegneria automobilistica di Biel/Bienne. Mi fu infatti chiesto di svolgere il mio lavoro di diploma, che corrisponde all’odierna tesi, nel campo della Dinamica degli incidenti (Unfalldynamik) con il seguente tema: “Sviluppo di un dispositivo a basso costo per determinare i valori di attrito in funzione dello slittamento in base ad un principio elettrico. (Entwicklung einer preisgünstiges Anlage zur Bestimmung def Haftwerte in Funktion des Schlupfes nach einem elektischen Prinzip)”.

Allora, lo scopo del lavoro di diploma obbligatoriamente da svolgere interamente e solo all’interno del perimetro dell’Istituto in sole 2 settimane (25.02 ÷ 12.03.1971), era quello di verificare il grado da noi raggiunto nella risoluzione di un problema ingegneristico e nella realizzazione del conseguente progetto (realizzazione del prototipo).


Oggi quel dispositivo verrebbe pomposamente definito come prototipo meccatronico ma, a quel tempo, la meccatronica era ancora professione sconosciuta: quanti periti meccatronici di oggi saprebbero fare altrettanto? Per loro e per chi vuole conoscerne il dettaglio del mio lavoro di diploma, segnalo che lo stesso è pubblicato in questo sito: TESI-M.Balestra-1971.


Allora, gli strumenti di misura erano praticamente ancora tutti analogici: così risolsi il problema della misurazione della velocità di rotazione delle ruote (quelle frenate e quella di riferimento) utilizzando due dinamo-tacometriche che, con l’aumentare della velocità, erogavano una tensione linearmente proporzionale al numero di giri.

Più tardi (2006÷2008) nel riammodernamento della strumentazione del mio laboratorio mobile, affiancai alla dinamo-tacometrica della ruota di riferimento anche un Encoder, ovvero un trasduttore di posizione angolare di alta precisione (500 Hz/giro), Encoder che applicai anche alle ruote frenate e che tramite il soft della HBM digitalizzai tanto nel monitoraggio che nell’elaborazione dei dati.

Sperando di esser riuscito ad esporre in modo abbastanza semplice a chiarire il concetto e l’importanza del parametro che esprime e quantifica la % di slittamento dello pneumatico, per ritornare alla realtà quotidiana della frenata indico che nella stessa il passaggio da slittamento nullo a slittamento totale dura indicativamente 0,2÷0,3 secondi soltanto: questo di fatto è il tempo necessario per perdere il controllo del veicolo.


FILMATO - Scuola di ingegneria automobilistica di Biel/Bienne, Svizzera

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