Pneumatici - Resistenza all'avanzamento e funzionamento

[Guest EC2277]

Ma allora perché mai in condizioni di pieno carico i costruttori raccomandano incrementi di pressione che variano dai +0,3 ai +0,5 bar?

…

Mi cogli alla sprovista poiché non mi sono occupato degli studi fatti da un mio professore in tal senso. Riporto solo quanto mi è stato detto.

In base a tali studi parrebbe che il peso della vettura passi dai cerchioni al tallone del pneumatico e mediante la carcassa dello stesso, viene scaricata a terra tramite la superficie di contatto. Il pneumatico si comporta pertanto come un guscio toroidale semirigido, caricato su una porzione della sua circonferenza interna (il tallone) e su una porzione della sua circonferenza esterna (la superficie di contatto), nel quale la pressione di gonfiaggio serve appunto a conferire la necessaria rigidità al guscio e la pressione interna resta quasi costante poiché la variazione di volume interno è minima.

Mi sono però reso conto d'aver scritto un'imprecisione proprio sulla pressione di gonfiaggio. Dammi un attimo di tempo per ritirare fuori gli appunti e derimere una questione.

[AGGIUNTA]

Come temevo nella fretta ho scritto una grullata.

Riscrivo in maniera sensata quanto volevo spiegare: la variazione della pressione interna di un pneumatico, dallo stato di ruota sollevata da terra (ovvero scarica) allo stato di ruota appoggiata a terra (ovvero carica), non varia sensibilmente passando da un pneumatico più stretto ad uno più largo, se non varia il peso del veicolo. Aumentando invece il peso della vettura, si ha un aumento della deformazione del pneumatico e per ristabilire la corretta superficie di contatto (più un pneumatico è deformato e meno la superficie di contatto è uniforme) occorre aumentare la pressione di gonfiaggio. Ma continua a non aversi una sensibile variazione, tra la pressione interna misurata con la ruota sollevata da terra e la pressione interna misurata con la ruota appoggiata a terra.

Vi chiedo scusa ma questa settimana sono un po' sotto pressione e di conseguenza, nella foga di sintetizzare, ho idiotamente fuso i due aspetti scrivendo quello che è un vero e proprio abominio fisico.

Modificato 25 Gennaio 2012 da EC2277

[Regazzoni]

Mi cogli alla sprovista poiché non mi sono occupato degli studi fatti da un mio professore in tal senso. Riporto solo quanto mi è stato detto.

In base a tali studi parrebbe che il peso della vettura passi dai cerchioni al tallone del pneumatico e mediante la carcassa dello stesso, viene scaricata a terra tramite la superficie di contatto. Il pneumatico si comporta pertanto come un guscio toroidale semirigido, caricato su una porzione della sua circonferenza interna (il tallone) e su una porzione della sua circonferenza esterna (la superficie di contatto), nel quale la pressione di gonfiaggio serve appunto a conferire la necessaria rigidità al guscio e la pressione interna resta quasi costante poiché la variazione di volume interno è minima.

Mi sono però reso conto d'aver scritto un'imprecisione proprio sulla pressione di gonfiaggio. Dammi un attimo di tempo per ritirare fuori gli appunti e derimere una questione.

Interpretazione che non mi sta in piedi.

La parte di battistrada che tocca il terreno è quella che scambia forze col terreno.

La forza proveniente dal terreno, pari al peso da sostenere, può essere bilanciata solo da due componenti. Quella della pressione sulla faccia interna (che c'è comunque) e un eventuale "spinta" data dal resto della carcassa verso il pezzo appoggiato a terra.

Ma normalmente, quando quella zona del pneumatico non è poggiata a terra la condizione è: pressione sull'interno pneumatico, trazione della carcassa sulla periferia del pezzo di pneumatico considerato. La seconda compensa la prima.

Ma allora tornando al caso di contatto a terra non hai la carcassa che spinge, ma al contrario la carcassa che si scarica e quindi la forza dovuta alla pressione interna viene ad essere bilanciata direttamente dalla forza proveniente dal terreno.

In sostanza la carcassa è costantemente in trazione (non in compressione) e si scarica nella zona intorno alla zona di contatto col terreno. Ma è la pressione a bilanciare il peso del veicolo.

[jeby]

Ma è la pressione a bilanciare il peso del veicolo.

come avrebbe detto il mio professore di istituzioni aeronautiche: "è certamente proprio così".

[Giò]

Si anche secondo me la spalla anche nella parte inferiore dello pneumatico è in trazione meno che nella parte superiore

ma lo è se così non fosse saremmo nella condizione di ruota sgonfia. La spinta dell'aria sulla parte interna dello pneumatico

deve essere tale da consentire di mettere in trazione la spalla, tanto è vero che se da ruota sgonfia aumento la pressione interna della gomma

gonfiandola la spinta tira la spalla del copertone verso l'alto e con esso tutta la macchina.

Estremizzando; la gomma se molto gonfia esploderebbe verso l'esterno strappandosi dal tallone che la tiene ancorata al cerchio.

In realtà quindi la macchina non è sostenuta dal pneumatico ma dalle molecole d'aria compressa che esso racchiude.

[jeby]

Dunque... trascurando il rotolamento, lo pneumatico può essere rappresentato come sistema molla-smorzatore. La parte smorzante è data dal materiale "gomma" e dagli attriti tra i vari componenti dello pneumatico. La parte MOLLA è chiaramente data dal gas in pressione e quando c'è una anche minima variazione di volume (dato dallo schiacciamento), la pressione varia tramite legge politropica. Tutto qui, mi sembra che nessuno abbia negato questo finora.

Quando stracarichi l'auto, hai più peso su ogni asse, quindi per ristabilire l'equilibrio:

- o aumenti la superficie di contatto, a parità di pressione, ovvero schiacci di più la molla.

- o lasci invariata la superficie di contatto (ovvero lo schiacciamento nella zona di contatto) e aumenti la rigidezza della molla, ovvero aumenti la pressione interna.

l'equilibrio è dato da forza peso = P*A in condizioni statiche. La carcassa, come sottolineava EC, è ovviamente solo il sistema di "trasmissione" della forza.

Non ho capito però ome tutto ciò si leghi all'attrito volvente.

[Guest EC2277]

Interpretazione che non mi sta in piedi.

La parte di battistrada che tocca il terreno è quella che scambia forze col terreno.

La forza proveniente dal terreno, pari al peso da sostenere, può essere bilanciata solo da due componenti. Quella della pressione sulla faccia interna (che c'è comunque) e un eventuale "spinta" data dal resto della carcassa verso il pezzo appoggiato a terra.

Ma normalmente, quando quella zona del pneumatico non è poggiata a terra la condizione è: pressione sull'interno pneumatico, trazione della carcassa sulla periferia del pezzo di pneumatico considerato. La seconda compensa la prima.

Ma allora tornando al caso di contatto a terra non hai la carcassa che spinge, ma al contrario la carcassa che si scarica e quindi la forza dovuta alla pressione interna viene ad essere bilanciata direttamente dalla forza proveniente dal terreno.

In sostanza la carcassa è costantemente in trazione (non in compressione) e si scarica nella zona intorno alla zona di contatto col terreno. Ma è la pressione a bilanciare il peso del veicolo.

Hai ragione: come ho spiegato la cosa non sta in piedi ed infatti l'ho spiegata male. Purtroppo sono la persona meno indicata per spiegare tale teoria, poiché ne ho solo sentito accennare a lezione; sarebbe come voler spiegare la teoria della relatività dopo aver visto una puntata di Quark.

…

Non ho capito però ome tutto ciò si leghi all'attrito volvente.

Più che all'attrito volvente si lega al ciclo delle deformazioni del pneumatico che rotola, nel quale prima il pneumatico è indeformato, poi viene schiacciato e dopo torna ad essere indeformato. Tutto ciò causa delle dissipazioni d'energia dovute all'attrito interno al pneumatico stesso; che infatti si scalda.

Sull'attrito volvente non mi sono soffermato ed esso dovrebbe essere influenzato dalla mescola del battistrada, più che dalla deformazione del pneumatico.

Modificato 25 Gennaio 2012 da EC2277

[jeby]

Più che all'attrito volvente si lega al ciclo delle deformazioni del pneumatico che rotola, nel quale prima il pneumatico è indeformato, poi viene schiacciato e dopo torna ad essere indeformato. Tutto ciò causa delle dissipazioni d'energia dovute all'attrito interno al pneumatico stesso; che infatti si scalda.

Sull'attrito volvente non mi sono soffermato ed esso dovrebbe essere influenzato dalla mescola del battistrada.

eh ok, infatti fin qui ci sono arrivato. Devo ancora ricostruire il passaggio sezione pneumatico - pressione gonfiaggio - resistenza al rotolamento.

Trattandosi di un fenomeno legato alle deformazioni, più che agire sulla rigidezza dello pneumatico (che è la parte elastica, quindi reversibile), chiaramente sia gisce sulla parte di smorzamento, ovvero la mescola e l'accoppiamento tra i vari strati, che dà l'isteresi.

[Guest EC2277]

eh ok, infatti fin qui ci sono arrivato. Devo ancora ricostruire il passaggio sezione pneumatico - pressione gonfiaggio - resistenza al rotolamento.

Trattandosi di un fenomeno legato alle deformazioni, più che agire sulla rigidezza dello pneumatico (che è la parte elastica, quindi reversibile), chiaramente sia gisce sulla parte di smorzamento, ovvero la mescola e l'accoppiamento tra i vari strati, che dà l'isteresi.

Se a parità di peso dell'auto aumenti la pressione di gonfiaggio, il pneumatico è più rigido e di conseguenza tende a deformarsi di meno sotto carico. Se si deforma di meno sotto carico, allora si hanno anche minori perdite legate alle deformazioni.

Per completare la risposta devo però capire cosa intendevi con sezione del pneumatico: la sezione vera e propria (larghezza per diametro di rotolamento), oppure la superficie di contatto tra il pneumatico e l'asfalto?

[jeby]

Se a parità di peso dell'auto aumenti la pressione di gonfiaggio, il pneumatico è più rigido e di conseguenza tende a deformarsi di meno sotto carico. Se si deforma di meno sotto carico, allora si hanno anche minori perdite legate alle deformazioni.

Per completare la risposta devo però capire cosa intendevi con sezione del pneumatico: la sezione vera e propria (larghezza per diametro di rotolamento), oppure la superficie di contatto tra il pneumatico e l'asfalto?

[Regazzoni]

Manca un tassello (o forse non l'ho letto io) nell'analisi a grandi linee della resistenza al rotolamento (lasciamo un attimo da parte l'attrito volvente che è un'altra questione) che state facendo.

La distribuzione delle forze di contatto ruota-terreno durante il rotolamento ha una forma non simmetrica rispetto al centro del punto di contatto: le forze sono più elevate nella zona di battistrada davanti all'asse ruota e più basse dietro l'asse ruota.

Questo si può semplificare in una forza complessiva verticale che sale dal terreno verso il pneumatico, ma non passa dall'asse ruota, bensì un po' davanti all'asse stesso: ha un braccio rispetto alla cerniera del centro ruota.

Fisica di base, se ho una forza con un braccio rispetto ad una cerniera, genero una coppia. Questa coppia ruota in senso opposto alla direzione di rotazione della ruota, quindi la frena.

Ecco quindi la componente puramente geometrica/meccanica della resistenza al rotolamento a cui poi si aggiungono attriti e isteresi varie.

Tornando alle gomme di larghezza diversa, se io ho una gomma stretta e una larga a pari pressione, la superficie di contatto ha più o meno la stessa superficie, ma nel pneumatico più stretto è più estesa nella direzione di marcia del veicolo. Questo, facendola semplice, aumenta il braccio della forza descritta qui sopra, quindi la coppia resistente è maggiore sulla gomma più stretta.

Se aumentiamo la pressione diminuiamo la superficie di contatto e quindi diminuiamo il braccio della forza e la relativa coppia resistente.

Se avessimo una ruota molto rigida, mettiamo in ferro, la superficie di contatto sarebbe molto piccola e quindi sarebbe piccola la coppia resistente.

Vedi infatti la scorrevolezza dei mezzi su rotaia.