Nozioni basilari sul grip meccanico

Tra i nostri lettori vi sono tanti esperti di Formula 1, tra i quali troviamo l’amico Vittorio, sul sito con il nickname Wursche, che ha voluto condividere con noi delle nozioni di base sul grip meccanico di una monoposto di Formula 1. Vi riportiamo l’articolo che ha scritto e vi invitiamo, qualora aveste dubbi, di commentare qui sotto dove troverete sicuramente risposta ai vostri quesiti.

Spostamento del peso: è questa la chiave di volta!
La prima cosa da dire è come il peso sia distribuito per determinare sia la ripartizione statica del peso su ogni pneumatico, sia come esso viene distribuito in condizioni dinamiche (marcia). La strada maestra per valutare la distribuzione dei pesi è individuare il CG (baricentro).
Il CG è il punto dello spazio dove possiamo pensare concentrata l’intera massa della vettura. Determinarlo semplifica gli effetti delle forze inerziali. Essendo ogni punto di un corpo soggetto alle forze inerziali, ipotizzando che la risultante di tutte queste forze sia concentrata nel CG facilita il ragionamento.

Quindi invece di determinare come ogni singolo punto di un auto da 7 kg reagisca ad una data forza,studieremo come reagisca un auto priva di peso che ha un punto(CG) pesante 7kg. E’ evidente la semplificazione dato che la forza agisce solo sul baricentro e non sul resto dell’auto. Una volta nota la posizione del baricentro si può calcolare il peso che sopportano i pneumatici e la sua distribuzione.

Distribuzione longitudinale dei pesi
Il passo WB è la distanza tra asse anteriore e quello posteriore. A è la distanza tra asse anteriore e CG. P tra asse posteriore e CG. PT è il peso totale:

peso asse posteriore =PTx(A/WB)
peso asse anteriore =PTx(P/WB)

Quindi %

percentuale di peso posteriore = (A/WB)x100%
percentuale peso asse anteriore =(P/WB)x100%

Questo influenzerà il comportamento dinamico dell’auto: maggior peso sul pneumatico significa più tenuta. Con un baricentro arretrato quindi dovremmo avere una buona trazione sulle ruote posteriori, fondamentale per buona accellerazione. Se il CG è spostato in avanti invece si avrà un maggior carico alle ruote direzionali con conseguente miglior ingresso in curva a scapito però della trazione che potrebbe mancare sino a provocare il testacoda per lo sbilanciamento di tenuta tra i due assi.

Distribuzione trasversale dei pesi
Praticamente seguiamo lo stesso ragionamento.
TW è la carreggiata (distanza tra le mezzerie dei pneumatici all’altezza dell’asse)
S è la distanza tra CG e la mezzeria dei pneumatici di sx
D è la distanza tra CG e la mezzeria dei pneumatici di dx
Se la carreggiata posteriore è diversa da quella anteriore D e S devono essere misurate all’altezza del CG.

allora:
peso sul lato sinistro =(D/TW)xPT
peso lato destro =(S/TW)xPT

quindi %

percentuale di peso a sinistra =(D/TW)xPT
percentuale di peso a destra =(S/TW)xPT

Ora se vogliamo calcolare il peso sopportato da un singolo pneumatico dobbiamo moltiplicare il PT per due fattori: uno che da conto del bilanciamento longitudinale, l’altro per quello trasversale.

esempio:

peso sul pneumatico anteriore sx = PTx(D/TW)x(P/WB)
peso sul pneumatico anteriore dx = PTx(S/TW)x(P/WB)
peso sul pneumatico posteriore sx =PTx(D/TW)x(A/WB)
peso sul pneumatico posteriore dx = PTx(S/TW)x(A/WB)

Il ragionamento è fattibile solo se l’auto non ha regolazioni asimmetriche, molle ammortizzatori con lo stesso precarico.

Se il baricentro non risulta sulla linea di mezzeria dell’auto ma è spostato da un lato si avrà conseguentemente un comportamento diciamo -sbilanciato- con una miglior capacità di curvare dal lato in cui CG è spostato (esempio:  CG+ a dx della mezzeria migliora curva a dx) ma una peggior propensione a mantenere la traiettoria dritta specialmente in accelerazione.

Altresì importante è l’altezza da terra del CG che quantifica il rollio dell’auto e come si distribuisce il peso. Per completare il quadro consideriamo infine l’inerzia rotazionale. Per fare un semplice esempio consideriamo due auto che abbiano lo stesso peso e il CG nella stessa posizione.

L ‘auto 1 presenta tutto il peso concentrato agli estremi, lontano dal CG. l’auto 2 invece ha tutto il peso concentrato nel mezzo,vicino al CG.

L’angolo di inclinazione e la percentuale di peso che trasferiranno le due auto in curva e in frenata è uguale. Con delle sostanziali differenze però, perchè il loro momento di inerzia non è lo stesso. L’auto 1 infatti inserisce in curva poco decisa, cambi di direzione poco aggressivi, reazioni in generale più lente. Potrebbe essere giudicata da un pilota stabile oppure -lenta- che è la stessa cosa.
L’auto 2 è invece molto reattiva nei cambi di direzione, molto agile, quindi poco stabile.
Possiamo affermare quindi che il momento d’inerzia non cambia l’entità degli spostamenti del telaio ma la velocità con cui li effettua.

Banale esempio:
se brandite una grossa ascia, supponiamo del peso di 10 kg, ci vorrà una grossa forza per metterla in movimento, e una volta preso velocità sarà molto difficile farle cambiare traiettoria
Il momento d’inerzia di un corpo attorno ad un asse è dato dalla somma di tutte le masse elementari che lo compongono moltiplicate per il quadrato della loro distanza dall’asse stesso.

Ancora un esempio con due auto uguali ma con differente distribuzione dei pesi:

auto 1 elementi pesanti posizionati lungo l’asse trasversale
auto 2 elementi pesanti lungo l’asse longitudinale.

Se calcoliamo il momento d’inerzia relativo all’asse trasversale dell’auto 1, dovremmo moltiplicare tutte le masse per la loro distanza dall’asse al quadrato. Quindi la maggior parte verrà moltiplicata per una piccola distanza (al quadrato) e il risultato sarà piccolo di conseguenza. Se invece lo calcolassimo rispetto all’asse longitudinale (non visibile) la maggior parte della massa sarà moltiplicata per una distanza grande (al quadrato) con il risultato di conseguenza grande.

Possiamo quindi dire che l’auto 1 ha un momento d’inerzia grande rispetto all’asse longitudinale e piccolo rispetto al trasversale. Con ciò l’auto 1 reagirà piuttosto lentamente in curva e si coricherà (rollio) progressivamente. Sarà invece molto sensibile al beccheggio, poco propensa a smorzare le irregolarità della strada e quindi instabile.

Diametralmente opposto il discorso per l’auto 2:

essa presente un grande momento d’inerzia sull’asse trasversale (non visibile) e un momento d’inerzia piccolo rispetto all’asse longitudinale. Sarà quindi un auto con marcato rollio, buona risposta in curva e molto stabile longitudinalmente. Fattore che contribuisce ad una maggior stabilità alle irregolarità della strada conservando un buon inserimento in curva. Potrete dedurre come il motore che è il componete più pesante dell’auto sia oggetto di studiatissima ricerca per il posizionamento centrale riducendo quindi il momento d’inerzia dell’auto con notevoli benefici alla maneggevolezza.