Le leggi fisiche sono alla base dei principali fenomeni che si possono verificare durante la guida di un veicolo, come l'acquaplaning e il ribaltamento. Conoscerle è importante perché rende il guidatore più consapevole e quindi più prudente.

Introduzione

Mentre guidiamo un veicolo attorno a noi agiscono moltissime forze invisibili ma i cui effetti sono ben avvertibili specialmente quando le cose vanno male; queste forze fanno parte della natura ed è bene esserne a conoscenza poiché solo la consapevolezza della loro entità può farci diventare più prudenti. Troppo spesso infatti ci si affida alla tecnologia presente sempre in modo più abbondante sui nostri veicoli ritenendola invincibile: anche la tecnologia tuttavia si deve inchinare di fronte alle leggi fisiche che ci governano. In questo capitolo affrontiamo questo tema spiegando le più importanti leggi fisiche che condizionano la guida di un veicolo.


GLI ATTRITI

In fisica gli attriti sono tutte quelle forze dissipative che si oppongono al movimento tra due corpi in contatto tra di loro. L'attrito è sempre presente e può presentare aspetti negativi ma anche positivi a seconda del contesto.

L'attrito si può in modo molto elementare dividere in:

- Radente o di strisciamento
- Volvente o di rotolamento

ATTRITO RADENTE è l'effetto di strisciamento tra due superfici piane in contatto ed in movimento. Si ottiene moltiplicando un coefficiente di attrito per la componente delle forze perpendicolari al suolo che spesso coincide con il peso del corpo stesso. Il coefficiente di attrito ovviamente dipende dalle superfici di contatto e dipende dalle interazioni chimiche dei materiali: è perciò evidente che due superfici ferme necessitano di una forza motrice elevata per rompere queste interazioni (attrito statico), mentre sarà sufficiente una forza motrice inferiore per mantenere il movimento (attrito dinamico).

Gli attriti radenti che interessano il moto di un veicolo sono tutti gli strisciamenti meccanici (es cilindro-pistone) e l'effetto di strisciamento dell'aria sulla carrozzeria.

ATTRITO VOLVENTE è l'effetto che si genera tra due corpi che rotolano l'uno sull'altro: notoriamente questo attrito è molto inferiore rispetto a quello radente ed è tipico della ruota.

Il rotolamento di norma è reso possibile dalla presenza di attrito radente statico tra la ruota e il terreno; se questo attrito non ci fosse, o fosse molto piccolo (come nel caso di un terreno ghiacciato), la ruota striscerebbe senza riuscire a compiere un rotolamento puro.

Quantitativamente questo attrito si ottiene con una formula molto simile alla precedente. Anche in questo caso compare un coefficiente che dipende dalle superfici in gioco mentre la novità è il raggio di curvatura: più piccolo è l'oggetto che rotola maggiore sarà l'attrito.

Gli attriti volventi che interessano il movimento di un veicolo sono tutti i movimenti meccanici ad ingranaggi (cambio, differenziale, cuscinetti ecc) ed il rotolamento delle ruote. Il valore degli attriti di un pneumatico che rotola sono molto elevati ( 50% superiori a quelle delle ruote di un treno o a quelle di un ingranaggio) per effetto della deformazione della gomma.

RESISTENZA AERODINAMICA

Passiamo ora al valore della resistenza aerodinamica Ra. Questa resistenza al moto è l’unica che non dipende dal peso del veicolo e diventa preponderante rispetto alle altre per valori della velocità superiori a 80 km/h – 90 km/h. La resistenza areodinamica è dovuta al fatto che nella terra ci si muove all'interno di un fluido che è l'aria, anch'essa dotata di una propria massa.

La resistenza dell'aria è:

- Frontale
- Laterale
- Sottocassa
- Di coda

La formula per determinare la resistenza frontale, nettamente prevalente rispetto alle altre è: R = 0,63 x d x S x V2

E' evidente come in questo caso gioca un ruolo determinante la forma dell'oggetto (CX) che si muove per limitare al massimo questa forza dissipativa. La forza dell'aria laterale determina invece un pericoloso effetto sui veicoli che va dallo sbandamento laterale fino al caso estremo del ribaltamento: tale fenomeno riguarda in particolar modo i veicoli con baricentro alto e leggeri.

FORZA CENTRIFUGA

La forza centrifuga è la forza che subisce un corpo durante un moto circolare; nel campo automobilistico questa forza agisce su tutti i veicoli nel momento di percorrenza di una curva. Tale forza spingerà il veicolo verso l'esterno della curva contrastata solo dall'aderenza dei pneumatici sul manto stradale (forza centripeta). Tanto più bassa sarà l'aderenza tanto più probabile sarà che il veicolo non riesca a compiere la svolta correttamente producendo un pericoloso effetto di sottosterzo che culmina con lo scivolamento del mezzo stesso nel caso in cui la forza centrifuga superi l'aderenza stessa.

La forza centrifuga è direttamente proporzionata alla massa di un veicolo per cui tanto maggiore sarà il peso di un veicolo tanto più questa forza produrrà il suo effetto. La forza centrifuga è proporzionale al quadrato della velocità (v) per cui raddoppiando la velocità avremo che la forza centrifuga si quadruplica.

La forza centrifuga poi è inversamente proporzionata al raggio di curva per cui tanto più piccola è la curva tanto maggiore sarà la forza. Da quanto emerso è evidente che l'unico fattore su cui si possa agire al momento di assoggettamento di questa forza è la velocità. Ecco il motivo per cui in ingresso curva è indispensabile moderare la velocità.

FC= massa veicolo · v^2 / raggio curva

La forza centrifuga viene bilanciata dalla forza centripeta determinata dall'aderenza degli pneumatici sul suolo e dalla forza peso che tenderanno a indirizzare il veicolo verso il centro curva; nel momento in cui la forza centrifuga supera la forze opposte il veicolo compie il classico sbandamento verso l'esterno curva.

FORZA DI GRAVITA' - MASSA - PESO

La massa di un corpo è la quantità di materia di cui il corpo stesso è fatto: la massa non cambia e si esprime in kg massa. La forza di gravità è quella forza che la terra esercita su tutti i corpi attirandoli verso di essa con una intensità pari a 0,981 nw/s^2. La massa di ciascun corpo è quindi soggetta a questa forza.

Il PESO di ciascun corpo è determinato proprio da questa forza e si ottiene moltiplicando la massa per la forza di gravità p=m x g e si esprime in kg peso. Essendo la forza di gravità quasi pari a 1 spesso massa e peso per semplicità di calcolo sono fatti coincidere. Il peso cambia: sulla luna il peso di un corpo è circa 1/6 di quello terrestre poichè la forza di gravità è molto minore.

Il momento di massima manifestazione di questa forza è la caduta di un corpo. Durante la percorrenza di una forte discesa questa forza agirà su un veicolo con una componente di spinta che è proporzionata al peso del veicolo stesso e al grado di pendenza della strada con conseguente accelerazione involontaria del veicolo.

Tale accelerazione produrrà un ovvio aumento della velocità che verrà contrastato solo da una combinazione di uso di marce basse e freno da parte del conducente. Si dovrà considerare che per effetto do questa spinta si avranno aumenti sensibili degli spazi di frenatura.

E' altresì vero che in salita la stessa forza agirà al contrario producendo una difficoltà nell'avanzamento del veicolo e quindi una diminuzione degli spazi di frenatura: in questo caso però la forza di gravità diventa una forza di resistenza all'avanzamento alla quale si opporrà la forza motrice del veicolo a discapito dei consumi.

ENERGIA CINETICA E ENERGIA POTENZIALE

L’energia meccanica si differenzia in due gruppi: energia potenziale e energia cinetica. Tutti gli oggetti che si muovono hanno energia cinetica. L'energia potenziale è accumulata in oggetti che potrebbero muoversi. Un sasso in cima ad un'altura, per esempio, possiede energia potenziale; quando è rotolata ai piedi dell'altura quell'energia potenziale è ridotta trasformandosi man mano in energia cinetica. Se spingiamo il sasso nuovamente sopra l'altura gli faremo riacquistare nuova energia potenziale.

ENERGIA CINETICA

Tutti i corpi in movimento acquisiscono energia. C'è una formula, semplice ma molto interessante e poco considerata che mette in relazione l'energia cinetica con la massa (m) e la velocità (v) dell'oggetto: Ec = m · v2 / 2

Pertanto, il suo valore si quadruplica al raddoppio della velocità. Questo significa che anche un piccolo incremento di velocità può avere importanti effetti: basta che ad esempio la velocità passi da 40 a 60 km/h e già l'energia cinetica assume un valore più che doppio. Quindi, la velocità è un elemento critico: raddoppiare la velocità significa quadruplicare l'energia cinetica.

L'importanza dell'energia cinetica la scopriamo tutte le volte che un qualcosa ci cade addosso: una tegola pesa poche centinaia di grammi se tenuta in mano, ma se ci colpisce dopo che si è staccata dal tetto (e quindi con una certa velocità), gli effetti possono essere mortali. Purtroppo infatti un principio fisico dimostra come l'energia non possa scomparire ma solo trasformarsi: per cui un oggetto in movimento che colpisce qualche cosa arresterà improvvisamente la sua marcia trasferendo tutta l'energia producendo quello che a noi risulta come il danno conseguente.

In campo automobilistico l'energia cinetica riveste un ruolo fondamentale sulla sicurezza. Nel caso di urto contro ostacolo fisso o in movimento di un veicolo, le cose andranno in questo modo: nel momento dell'impatto nella brusca decelerazione, tutta l'energia cinetica verrà progressivamente azzerata dal "lavoro" svolto dalla deformazione delle lamiere della parte anteriore del veicolo, che quindi si fermerà. Naturalmente, la rapidissima decelerazione in caso di urto si riflette sugli occupanti il veicolo. Essi, per inerzia, continuano a procedere in avanti con la stessa velocità del veicolo prima dell'urto.

Nel caso di occupanti non cinturati, questo ha implicazioni piuttosto serie. In 9/100 di secondo dall'inizio dell'urto il veicolo si arresta, esaurendo la propria energia cinetica grazie allo schiacciamento della parte frontale per un metro, con una decelerazione media di 25 G *. Fino a quel momento gli occupanti continuano per inerzia a muoversi in avanti ad 80 km/h, raggiungendo infine le strutture interne del veicolo. Inizia ora il "lavoro di deformazione" delle strutture del loro corpo (tessuti esterni, ossa, organi interni), che purtroppo può contare su margini assai più limitati rispetto alla parte anteriore del veicolo: entro questi margini gli occupanti il veicolo dovranno comunque esaurire la propria energia cinetica. Urtando contro l'interno dell'abitacolo il loro corpo si comprime per circa 11 cm, esaurendo la propria energia cinetica in 1/100 di secondo. Ma in questo modo, la decelerazione del loro corpo (tessuti, organi) raggiunge i 227 G: un valore molto, molto alto, che ha conseguenze molto gravi, probabilmente mortali. In pratica, è come se il loro corpo venisse a pesare improvvisamente 227 volte di più!

L'uso della cintura di sicurezza modifica radicalmente, in meglio, la sorte degli occupanti il veicolo. Ferma restando la modalità di deformazione del veicolo, il trasportato continua a muoversi per inerzia solo per 3/100 di secondo (spostandosi rispetto al veicolo di 13 cm in avanti), dopo di che comincia ad essere trattenuto dalla cintura. Lo stiramento della cintura più la deformazione dei suoi stessi tessuti lo fanno muovere in avanti di altri 20 cm, ma comunque la decelerazione è limitata a 38 G ( 1/6 di quella senza cintura). Il trasportato ha complessivamente percorso, all'interno dell'abitacolo, 33 cm. Se gli concediamo di percorrere tutto lo spazio disponibile davanti a lui (se è passeggero, supponiamo che tra lui ed il cruscotto vi siano 66 cm), potremmo installare una cintura che, con lo stiramento proprio e quello degli attacchi, gli consenta di arrivare appena a sfiorare il cruscotto. In questo caso, la decelerazione scende a 25 G: abbastanza contenuta, ed 1/9 di quella senza cintura. In realtà, potrebbero esservi problemi per la testa, che muovendosi in avanti potrebbe impattare contro il cruscotto o il parabrezza; per evitare ciò, è necessario l'airbag.

ENERGIA POTENZIALE

L'energia potenziale è invece propria degli oggetti fermi od elastici e si misura con la seguente formula: Ep= mgh

In campo automobilistico è intuibile come un mezzo in procinto di percorrere una discesa possa in modo autonomo muoversi ed acquisire velocità proprio per effetto dell'energia potenziale da esso posseduta. Ecco tutte le precauzioni necessarie quando si sosta in salita o discesa come azionare il freno a mano, sterzare le ruote, tenere inserita una marcia, usare i cunei se previsti per evitare spiacevole sorprese.

Per effetto della conservazione dell'energia infatti la potenziale si trasformerà nella ben più pericolosa energia cinetica con tutte le sue conseguenze.

INERZIA

L'inerzia di un corpo è un concetto della fisica molto complesso che riveste una notevole importanza anche sulla strada. Il principio di inerzia o prima legge di newton dice che un corpo rimane immobile, se era fermo, o continuerà nel suo movimento, se era in moto, fino a che non interverrà una forza a modificare lo stato delle cose.

Un veicolo fermo rimarrà fermo fino a che non verrà spinto da una forza (motrice) che lo porterà in movimento! Se questo veicolo fosse nel vuoto e sospeso, non incontrando forze resistenti, procederebbe all'infinito. Essendo i veicoli soggetti a forze resistenti per procedere sarà necessario applicare loro con continuità la forza propulsiva o motrice. Un veicolo in movimento rimarrà in movimento fino a che non interviene una forza contraria per arrestarlo! Un veicolo spinto ad alte velocità nel momento in cui tolgo la forza motrice non si arresta ma procede nel suo moto: il veicolo lentamente perderà velocità perchè intervengono le forze resistenti (attriti del suolo, dell'aria e meccanici)

L'inerzia è proporzionale alla massa di un corpo per la sua velocità: più grande è la massa più grande sarà l'inerzia, più un corpo corre più grande sarà la sua inerzia. Un'auto che va a sbattere contro un muro si immobilizza e si distrugge! Questo è l'effetto dell'energia cinetica che si disperde Ma il muro ha urtato solo l'auto, cioè è soltanto l'auto che ha ricevuto l'impatto dell'urto: il guidatore non è stato colpito da alcuna forza eppure egli continua a muoversi con la stessa velocità che aveva l'auto prima dell'urto contro il parabrezza! E' l'inerzia che aveva il corpo!

Ecco l'importanza di dover indossare correttamente le cinture.

SOVRASTERZO E SOTTOSTERZO

Con sovrasterzo si indica il comportamento di una autovettura che durante la percorrenza di una curva tende a percorrere una traiettoria più stretta di quella voluta dal guidatore. Se si verifica una repentina perdita di aderenza dell'asse posteriore, si ha il fenomeno del testacoda o sbandata. Il fenomeno è più frequente per le auto sportive e quelle a trazione posteriore quando erroneamente viene imposta all'auto una brusca accelerazione scaricando a terra la potenza del veicolo (sovrasterzo di potenza); in queste condizioni le ruote posteriori perdono aderenza causando una rotazione del veicolo attorno al proprio asse e conseguentemente una curva più stretta del previsto (se non previsto). Il sovrasterzo si verifica altrettanto anche in caso di brusca decelerazione nella percorrenza della curva, indipendentemente dal tipo di trazione del mezzo. In quest ultimo caso la perdita di aderenza non è dovuta all'eccessiva forza motrice, bensì allo spostamento della forza peso verso le ruote anteriori che alleggerendo il retrotreno riduce l'aderenza delle ruote posteriori.

Con sottosterzo si indica il comportamento di una autovettura che durante la percorrenza di una curva tende ad allargare la traiettoria di percorrenza, obbligando il pilota a manovre di correzione (lasciare il gas e riallineare per un istante lo sterzo) per rimanere nella traiettoria desiderata. È un comportamento che si verifica sulle auto a trazione anteriore quando percorrono una curva in velocità o in caso di bloccaggio delle ruote, mentre sulle auto a trazione posteriore quando si entra in curva troppo veloci o si accelera a metà curva applicando una forza maggiore alle ruote anteriori.

RIBALTAMENTO E ROLLIO

Il fenomeno del ribaltamento di un veicolo è molto complesso poichè mette in gioco molte forze su un veicolo in movimento:

- Forza centripeta
- Forza centrifuga
- Forza di gravità

Nel momento in cui si compie un cambio di traiettoria abbiano visto che l'aderenza dei pneumatici tende a spostare il veicolo verso l'interno curva con la forza centripeta mentre la forza centrifuga lo porterà verso il senso opposto cioè verso l'esterno curva. Ciò determina uno sbilanciamento inerziale delle masse verso la parte esterna del moto visibile ad occhio nudo con il coricamento laterale delle sospensioni (rollio).

La parte eserna della vettura tende a sollevarsi e questo fenomeno è generato da una coppia motrice che va ad agire su baricentro del veicolo e che ha come perno le ruote interne. La forza di gravità e quindi il peso del veicolo agiranno al contrario opponendosi a questo moto. Nel momento in cui forza di gravità e forza centripeta non riescono più a bilanciare la coppia motrice creata il veicolo si ribalta. Sembra evidente che questo problema si manifesta su quei veicoli con un baricentro elevato cioè molto alti da terra: ecco perchè le auto sportive sono così basse da terra.

BECCHEGGIO

Il beccheggio di un veicolo è la rotazione di un veicolo attorno al suo asse trasversale. Tale effetto vede la sua massima espressione durante una brusca frenata: il muso del veicolo infatti si abbassa mentre il posteriore si alza determinando una diminuzione dell'aderenza dei pneumatici dell'asse posteriore. Al contrario l'asse anteriore verrà caricato dall'inerzia del veicolo: è noto a tutti che le ruote davanti "frenano di più" di quelle dietro.

In realtà le ruote frenano tutte allo stesso modo ma siccome sulle ruote anteriori si scarica il maggior peso del veicolo possono trasmettere a terra maggiore forza frenante grazie ad una aderenza maggiore.

IMBARDATA

L'imbardata è la rotazione di un veicolo attorno all'asse verticale situato sul baricentro: tale fenomeno è più noto semplicemente come sbandamento del veicolo. Esso si produce nel momento in cui vi è una perdita di aderenza di una ruota oppure con una frenatura squilibrata e conseguente perdita di controllo del mezzo che rotea su se stesso.

Tale fenomeno pericolosissimo è oggi contrastato elettronicamente dall' ESP.

DERIVA DEGLI PNEUMATICI

La deriva dei pneumatici è un fenomeno poco noto che tuttavia è all'origine di molti comportamenti anomali dei nostri veicoli. La tenuta di strada è la capacità del veicolo di conservare la sua aderenza su una direzione controllata nonostante le forze d'accelerazione e di frenata e della forza centrifuga. Poiché gli pneumatici costituiscono il solo collegamento tra il veicolo e la strada, è da loro, e quindi dalla loro concezione e dal loro stato, che dipende inizialmente quest'aderenza.

Ma la capacità della sospensione di mantenere i pneumatici in contatto con il suolo entra ovviamente in gioco in modo determinante. Generalmente, più il battistrada è morbido e flessibile, migliore è l'aderenza del pneumatico. Tuttavia, l'elasticità della gomma utilizzata deve essere anche limitata, in modo da garantire una durata di vita del pneumatico sufficientemente lunga.

Quando il veicolo si muove a velocità costante ed in linea retta, la tenuta di strada non pone normalmente problemi. In compenso, su un suolo disuguale o in una curva, il pneumatico è sottoposto ad una serie di forze trasversali che ne alterano la sua struttura.

A causa di queste deformazioni accade che l'impronta a terra del pneumatico segua una traiettoria diversa da quella ideale corrispondente all'asse del pneumatico. L'angolo che si ottiene è l'angolo di deriva che devierà la traiettoria ideale su di un altra linea che, sommandosi ad altri fattori potrà dare origine a sovrasterzo, sottosterzo, ribaltamento ecc.