DRIVING SCHOOL

Autocross Italia Driving School.

Tecnica - Cenni di dinamica del veicolo 2

LA FRENATA.

Prima di tutto vorrei precisare che una ruota bloccata fa meno attrito di una che gira, per cui se blocco le ruote allungo gli spazi di frenata. La cosa principale per ottenere una frenata potente ed efficace è quella di non bloccare mai le gomme.

In taluni casi, però, questo non è rigoroso. Se la frenata avviene con una gomma che ha meno carico delle altre (es. una frenata in semicurva, o con l'auto appena sbilanciata), vi sarà l'anteriore "interna" che tenderà al bloccaggio. In quel caso, è preferibile sfruttare al massimo l'aderenza delle altre 3 gomme, accettando il bloccaggio di quell'unica gomma con poca aderenza, piuttosto che sacrificare l'aderenza di tutte le gomme in funzione dell'unica che tende al bloccaggio.

Naturalmente, la frenata deve essere effettuata in modo da non sbilanciare l'auto e quindi  per quanto possibile, bisogna sempre frenare con l'auto perfettamente allineata, solo in questo modo si può premere a fondo sul freno e sfruttare l'aderenza di tutte e 4 le gomme. Se si comincia a zig-zagare durante la frenata, diventa indispensabile rilasciare il freno per poter controllare l'auto e non fare testacoda, con ovvio allungamento dello spazio di frenata.

Per effettuare una frenata potente, efficace e corretta, quindi, è necessario avere l'auto perfettamente allineata, lo sterzo dritto e pestare con decisione sul freno.
Sull'auto da strada siamo abituati a premere il freno progressivamente, ma su un'auto da corsa questa non è la cosa ideale. Tutto il tempo che passa aumentando la forza frenante, è un transitorio durante il quale non si sfrutta la massima potenza frenante possibile (visto che dovete ancora arrivarci). Insomma state perdendo tempo.

Il modo per minimizzare i transitori, e dunque teoricamente per minimizzare i tempi e gli spazi di frenata, è quello di dare prima un pestone al freno a fondocorsa, e poi, immediatamente dopo, di modulare per impedire che le gomme arrivino al bloccaggio. All'inizio con questo metodo si ottengono solo degli spettacolari lunghi a ruote fumanti.


Ma poi presa dimestichezza con i "tempi" e la corsa del pedale, si impara a sfruttare al massimo la potenza frenante, eliminando virtualmente i transitori che fanno perdere tempo in frenata.


Quando stiamo per finire la frenata, e ci prepariamo a inserirci in curva, diventa fondamentale come rilasciamo il freno. Da come effettuiamo questa manovra, dipende come l'auto rialza il muso e perde carico all'avantreno. Giocando su questa manovra, quindi, possiamo forzare l'auto a modificare il proprio comportamento, facendola passare da sotto a sovrasterzante.

 


Analizziamo ora brevemente il comportamento della vettura in frenata. Prima di tutto ecco la vettura ferma. I pneumatici devono semplicemente sopportare il peso proprio della vettura (quelle dietro un po' di più perché il peso è ripartito 40%/60%  con il motore in posizione centrale-posteriore). Si deformano quel tanto che basta per avere la giusta aderenza.

 

La forza peso si immagina concentrata nel baricentro della vettura (pallino nero). E' una semplificazione che però riesce a spiegare senza errori il comportamento reale della vettura. Il diagramma si riferisce all'equilibrio secondo le forze esterne agenti sulla vettura.

Immaginiamo ora di lanciare la vettura in rettilineo e di applicare una potente frenata. 

 

In questo momento "nasce" la forza di inerzia che è proporzionale alla massa della vettura (in poche parole: più la vettura è pesante e più ce n'è) e alla decelerazione alla quale sottoponiamo la vettura (in poche parole: quanto schiacciamo il pedale del freno). Tralascio la pedante dimostrazione rigorosa con l'equilibrio delle forze, anche perché avrei dovuto considerare anche l'inerzia alla rotazione delle ruote, per esempio. 

Il risultato è che:

- La forza di attrito sulla ruota anteriore è direttamente proporzionale al peso della vettura, alla decelerazione della vettura, all'altezza del baricentro della vettura, all'inerzia alla rotazione delle ruote (in pratica quanta fatica faccio per mettere in rotazione solo le ruote).

- la forza di attrito sulla ruota anteriore è inversamente proporzionale  al passo della vettura (distanza fra le ruote).

- le ruote posteriori seguono le stesse relazioni ma inversamente alle grandezze in gioco.

In definitiva: più è pesante la vettura, più è lunga e più schiaccio il freno e più l'anteriore dovrebbe tenere! 

Ma è importante notare che:

 In queste condizioni si arriva prima all'angolo di deriva limite e quindi la gomma non resiste e non riesce a frenare la vettura: vado dritto!

In queste condizioni di trasferimento di carico "violento" si arriva sicuramente prima al limite di deriva della gomma che al limite di tenuta dovuta alla forza scambiata con il terreno, a meno di avere a che fare con fango o ghiaccio.

L'effetto risultante di una frenata, pertanto, è quello di variare la forza che va ad agire sugli assi anteriori e posteriori dell'auto, aumentando la forza su quello anteriore e diminuendola su quello posteriore. E' esattamente come se in frenata aumentasse il peso sull'asse anteriore, e diminuisse il peso sull'asse posteriore. Ecco perché vediamo la vettura col muso per aria in accelerazione, e a sfiorare la terra in frenata.

Per questo si parla di "trasferimento di carico": le forze in gioco fanno sì che, ai fini pratici, si ottenga un risultato analogo a quello che si verificherebbe se il peso dell'auto si spostasse verso l'avantreno, spostando il baricentro e i pesi gravanti sui singoli assi.

Da qui si capisce come mai si cerca sempre di abbassare il baricentro il più possibile e perché questo ha effetti benefici sulla tenuta del veicolo: esso diventa più  stabile; in frenata a parità di condizioni la forza di attrito sull'anteriore e sul posteriore MA si  allontanano dal limite di deriva le gomme. che quindi riescono a rispondere alle sollecitazioni imposte dal freno e riescono a frenare di più la vettura che a sua volta aumenta la decelerazione e così via, in un  circolo virtuoso.


In definitiva, abbassando il baricentro è come se io guadagnassi un "bonus" di aderenza, visto che devo esercitare forze Forze  maggiori per provocare forze orizzontali  (e analoghe trasversalmente, sia chiaro) che portino le gomme al limite di deriva.

In analogia a questo discorso c'è quello sul passo della vettura: più il passo è lungo le forze di attrito sui pneumatici anteriori e posteri sono più piccole che non in una vettura a passo corto. Ecco spiegato come mai un veicolo a passo lungo è più stabile di un veicolo a passo corto, tanto in frenata quanto in accelerazione. Ma, per contro, questo rende l'auto meno "reattiva" ai comandi del pilota, e se si esagera si ottiene un'auto così stabile da essere difficilmente manovrabile!


Analogamente si ragiona a proposito della fase di accelerazione.

 

 

L'ACCELERAZIONE.

 

Ciò che avviene in accelerazione è concettualmente la stessa cosa che succede in frenata, solo che la forza di attrito sulle ruote posteriori (questo in caso di trazione solo su quelle ha verso opposto e quindi favorevole alla marcia del veicolo)

 In questo caso l'avantreno "si alleggerisce" e il retrotreno "si carica". Notare come la freccia corrispondente alla risposta del terreno verticale sulla ruota posteriore aumenti (parte verde) .Per questo motivo, a meno di esagerare con il pedale del gas, le ruote posteriore garantiscono sempre una maggiore tenuta nella direzione del moto. In sostanza più accelero e più la vettura tiene. Questo è tanto più vero tanto più si rispettano le condizioni su peso e posizione del baricentro della vettura (poco peso, baricentro basso) per non incorrere nel limite di deriva longitudinale. 

Inoltre più il baricentro è verso il retrotreno e più aumenta il carico in trazione. Questo diventa inavvertibile in frenata, visto che l'avantreno compensa, ma diventa al contrario molto evidente in accelerazione, dove il "carico" del posteriore aumenta in maniera notevole. Ecco perché quando si cerca di aumentare la trazione di un'auto, in genere si cerca di spostare il baricentro un po' verso il retrotreno: ricordo sempre che l'aderenza di una gomma è data dal suo coefficiente di attrito moltiplicato per la forza peso che "preme" la gomma sull'asfalto. Naturalmente, fino al limite di deriva!

Quindi si capisce ora perché le vetture da competizione nascono, se possibile, con la trazione sulle ruote posteriori: il presenza di grandi potenze il retrotreno si carica in accelerazione ma l'opposto succede all'avantreno! Vengo ad avere quindi meno tenuta cioè forza di attrito che viene meno perché non ho più peso che "tiene giù". 

Inoltre in curva (vedere dopo)  il danno è ancora superiore  perchè se la vettura non è dotata di autobloccante (dispositivo che blocca le  ruote motrici che sono quindi costrette girare alla stessa velocità), oltre al fatto che l'avantreno "si alza" per l'accelerazione imposta, la ruota interna "si alza" a causa della forza centrifuga e nel caso più probabile gira a vuoto. Il differenziale montato sulle comuni vetture di serie consente di far girare la ruota esterna in curva più velocemente di quella interna, facendo curvare con poca fatica, ma è stupido: nel caso in cui una ruota slitti (in presenza di ghiaccio, per esempio), l'altra si ferma e non andiamo da nessuna parte (sempre che l'altra sia sull'asfalto,altrimenti slittano tutte e due). Da queste considerazioni si può capire perchè le macchine a trazione anteriore sono facili da guidare ma sono caratterizzate da un irrimediabile sottosterzo, specie in uscita dalle curve.

 

LA CURVA.

 

Il comportamento in curva ricalca quello che succede in frenata e accelerazione con la differenza che ora sono le ruote esterne e interne che hanno carichi che differiscono rispetto alla configurazione della vettura ferma o in moto rettilineo uniforme (sopra).

 

Qui la vettura in curva. Ora sono le ruote esterne che devono sopportare il "trasferimento" di un maggior carico. In realtà, come nei casi precedenti, il carico dipende da una specie di forza di inerzia chiamata "Forza centrifuga", proporzionale:

- alla massa del veicolo

- al quadrato della velocità di percorrenza della curva (più siamo veloci in curva è maggiore è, ma se la velocità è il doppio rispetto al giro precedente, ora la forza centrifuga è quattro volte tanto!)

- inversamente proporzionale al raggio della curva stessa (più la curva è stretta e maggiore è).

Detto questo le considerazioni sono analoghe al caso precedente ma va ricordato che il limite di deriva trasversale è inferiore al quello longitudinale. In sostanza il pneumatico dà migliori risposte in accelerazione e frenata che non in curva. Quindi quando percorro una curva il pneumatico  arriva molto presto al limite, più di quanto non avviene in rettilineo . Inoltre va ricordato che quello interno addirittura si "scarica" e vi grava sopra un peso inferiore addirittura rispetto alla configurazione da fermo! Qui non si parla più di deriva ma semplicemente il peso non è sufficiente per fornire abbastanza attrito. Inoltre se provassi ad accelerare in curva l'avantreno si scaricherebbe maggiormente portando la ruota interna ormai scarica a staccarsi dal suolo, lasciando l'effetto sterzante alla sola ruota anteriore esterna. Questa ora potrebbe essere fuori dal pericolo del limite di deriva poiché il carico è diminuito, ma la forza di attrito che si genera diminuisce e... sono in sottosterzo. La vettura prosegue ma non riesco a curvare di più. Sto perdendo tempo.

Tutto ciò per giustificare il fatto che la tecnica della derapata sulle 4 ruote, spiegata nella sezione dello studio delle traiettorie ideali, è quella più redditizia nel percorrere le curve. 

Vorrei sottolineare che il comportamento ipotizzato dalla vettura in curva è quello tipico della guida su terra, mentre nella guida su pista con enormi aderenze dei pneumatici o addirittura grandi carichi aerodinamici (tipo F1), la tecnica della conduzione di curva con contemporanea accelerazione può risultare vantaggiosa.

 

Altre nozioni sulle geometrie di telaio e sospensioni su: Driving: telaio e sospensioni