Parliamo di gomme, quelle robe nere all’apparenza noiose che creano il contatto tra la nostra amata auto ed il terreno, di qualunque natura. Per la gioia di tutti i rallisti mi limiterò al contatto pneumatico-asfalto.
Partiamo chiarendo una cosa: per me il concetto di “tenuta di strada” non esiste. E’ un termine volutamente generico che cerca di riassumere in sé una quantità imbarazzante di fattori diversi per dire se una macchina sovrasterza o sottosterza, senza però mai entrare nel dettaglio di cosa succede realmente.

Senza bisogno di scomodare la Formula 1, credo che sia chiaro a tutti quanto le gomme siano importanti. E qui credo sia il caso di fissare un primo paletto: qualunque aggiustamento di assetto è volto a migliorare il modo in cui lavora la gomma. A mio avviso questo è il concetto fondamentale che permette di capire tutto ciò che facciamo intervenendo su molle, ammortizzatori, boccole, telaio, barre antirollio, barre duomi, antilift, antidive, antisquat, antirise, camber, convergenza, caster, kingpin, larghezza del canale del cerchio, bloccaggio dei differenziali, ecc.

Entriamo nello specifico: la gomma trasmette forze all’asfalto per attrito. Su una superficie scivolosa, come ad esempio il ghiaccio, l’attrito che si crea è bassissimo, motivo per cui non si riescono a scambiare forze tra auto e terreno. Queste forze possono essere longitudinali (quelle che vi permettono di accelerare, frenare, ma anche di marciare a velocità costante) o trasversali (che vi permettono di curvare). Per creare attrito deve esserci uno slittamento tra la gomma e l’asfalto. Sul dritto ciò si traduce in uno “slittamento percentuale” (percent slip): anche se non ve ne accorgete, c’è sempre un po’ di slittamento (nell’ordine dell’1%) anche se state viaggiando a 250km/h (se non ci fosse stareste fermi sul posto senza muovervi con il motore al limitatore). In accelerazione ed in frenata questo fenomeno è chiaramente molto più intuibile. In curva al contrario si parla di “angolo di deriva”, ovvero della differenza tra l’angolo di sterzo che voi avete impostato e la traiettoria effettivamente seguita dalla gomma. Anche questo fenomeno è sempre presente, altrimenti non riuscireste a curvare in quanto non nascerebbe la forza d’attrito che vi fa deviare dalla traiettoria retta.

Come tutti sapete dai vostri studi alle superiori la relazione che definisce l’attrito è la seguente:

Fa=µ*F

dove F è la forza verticale che agisce sulla singola gomma, µ è il coefficiente d’attrito tra ruota ed asfalto ed Fa è la forza d’attrito che nasce e che permette il movimento relativo tra ruota e strada. Entriamo ora nello specifico: se facciamo riferimento ad una singola gomma, F è dato dalla somma (variabile in base alla situazione) del peso che grava su quella ruota (su una vettura con distribuzione delle masse pari a 50:50 su ogni gomma grava il 25% del peso totale della macchina), dall’eventuale carico aerodinamico (che su una Formula 1 ad esempio supera di parecchie volte quello del peso proprio della macchina) e dal trasferimento di carico (tutti sapete ad esempio che in frenata la macchina si “carica” sull’anteriore e si “alleggerisce” sul posteriore e viceversa in accelerazione; in curva invece la vettura si “carica” sull’esterno e si “alleggerisce” sull’interno). µ invece è un coefficiente fittizio che indica il grado di aderenza tra due superfici e che contiene in sé un numero elevato di parametri (larghezza del battistrada, diametro della gomma, mescola, pressione, temperatura, camber, convergenza, disegno del battistrada, tipo di asfalto ecc.). Più alto è µ, maggiori saranno le forze d’attrito che la gomma è in grado di generare.

Il problema nasce qui: la gomma, non essendo un oggetto caricato simmetricamente, non è in grado di trasmettere le stesse forze in senso longitudinale piuttosto che in senso trasversale. Questo è dovuto al fatto che esistono un µlong (coefficiente d’attrito longitudinale) ed un µlat (coefficiente d’attrito laterale) che sono tuttavia strettamente legati fra di loro: all’aumentare dell’uno diminuisce l’altro, ed approssimativamente:

µ2=µlong2+µlat2 (teorema di Pitagora)

Per darvi un contatto con la realtà posso dirvi che una buona gomma stradale ha un µlat massimo di circa 0,8-0,9, una semislick stradale di circa 1,2-1,3 ed una slick tipo FIA GT di 2-2,2. La cosa curiosa è che, se µ è maggiore di 1, è più corretto parlare di “colla” piuttosto che di “attrito”… In tal caso infatti la gomma è in grado di trasmettere lateralmente (o longitudinalmente) una forza maggiore di quella che grava su di essa (mentre a scuola vi hanno insegnato che µ è sempre minore di 1…).

Abbiamo detto che µlong e µlat sono uno dipendente dall’altro. Credo che la cosa sia abbastanza intuitiva se pensate alle seguenti due situazioni. La prima: partenza a ruote fumanti (le forze longitudinali prevalgono nettamente su quelle laterali); se avete una trazione anteriore andrete dritti ed ogni vostra correzione di sterzo sarà inutile (le gomme anteriori non sono in questo momento in grado di trasmettere forze laterali); se avete una trazione posteriore una leggera variazione di sterzo vi farà andare in testacoda di potenza (le ruote anteriori, che sono sterzanti, riescono a trasmettere forze laterali; quelle posteriori motrici no). La seconda: frenata al limite (anche qui le forze longitudinali prevalgono nettamente su quelle laterali); se non avete l’ABS sapete bene cosa succede se provate a sterzare in una simile situazione: la macchina va dritta comunque in quanto le gomme anteriori non sono in grado di trasmettere forze laterali, ma solo longitudinali. Se ora immaginate di percorrere una curva al limite basta che invertiate le forze per vedere cosa succede. Il modo migliore per visualizzare tutto ciò è riportare tutte le possibili combinazioni di µlong e µlat nel seguente grafico (qui indicati rispettivamente con “k” ed “s”):

Le tre curve si riferiscono a ghiaccio (“vereist”), bagnato (“naß”) ed asciutto (“trocken”). “Bremsen” significa frenare ed “Anfahren” accelerare. L’area all’interno di ogni curva indica tutte le combinazioni di µlong e µlat che la gomma è in grado di generare, la curva stessa invece indica le situazioni limite, mentre al di fuori della curva c’è scivolamento della gomma sull’asfalto. E’ evidente come il fondo ghiacciato (o bagnato) riduca drasticamente il coefficiente d’attrito (sia longitudinale che laterale) della gomma. Il grafico precedente ha una buona validità generale, nel senso che ogni tipo di gomma ha una caratteristica più o meno di questo tipo. Una gomma più performante avrebbe evidentemente una “campana” più grande.

Visto che, a parità di forza verticale F agente sulla gomma, Fa è direttamente proporzionale a µ (dato che Fa=F*µ), è possibile costruire un diagramma analogo avendo sugli assi cartesiani le Fa longitudinali e trasversali che la gomma è in grado di generare. Nell’esempio seguente, a fronte di una carico F di 3000N (poco più di 300kg), si ottiene il seguente diagramma:

 

 

La semicirconferenza più esterna indica anche qui il limite della gomma a trasmettere contemporaneamente le varie combinazioni di forze longitudinali (Umfangskraft) e trasversali (Seitenkraft). La diversità rispetto al grafico precedente sta nella visualizzazione anche dei relativi angoli di deriva: in questo esempio la campana esterna corrisponde all’angolo di deriva di 30°. Ovvero: percorrendo una certa curva alla velocità limite, non ha senso (anzi è deleterio) sterzare il volante di un angolo che produce un angolo di deriva (deviazione della gomma dalla traiettoria impostata) maggiore di 30°. In pratica, se sterzate di più la macchina scivola perché le gomme non ce la fanno a produrre quella combinazione di forze longitudinali e trasversali.

Bene, la prima parte è conclusa. Per riassumere possiamo dire che:

• una gomma è in grado di trasmettere forze laterali e longitudinali in quanto si crea attrito tra essa e l’asfalto; questo avviene grazie all’angolo di deriva ed allo slittamento percentuale rispettivamente;
• ogni gomma ha un proprio coefficiente d’attrito µ che ha una componente longitudinale ed una laterale; le possibili combinazioni tra queste due componenti ci permettono di stabilire i limiti della gomma

A questo punto però, per comprendere bene quanto la gomma stia alla base della progettazione di una macchina, bisogna analizzare nello specifico l’influenza che le diverse variabili hanno su µ e di conseguenza su Fa.

Partiamo dal carico verticale, ovvero dal peso che grava sulla singola gomma, dalle forze dovute al trasferimento di carico e dall’eventuale carico aerodinamico. Prendiamo in esame il seguente diagramma che mostra il comportamento della stessa gomma al variare del carico verticale:

Seitenkraft significa “forza laterale”, Schräglaufwinkel è l’”angolo di deriva” e Radlast è il “carico verticale”. Per semplicità prendiamo la situazione in cui l’angolo di deriva è pari a 10°. Ebbene, per un carico verticale di 1000N (poco più di 100kg), la forza laterale generata è all’incirca 1200N. Per un carico verticale di 6000N (poco più di 600kg) la forza laterale generata è invece di circa 5000N. Ricordandoci che Fa=µ*F, per F=1000N si ha µ=1,2 mentre per F=6000N si ha µ=0,833. Ecco spiegato perché, a parità di gomma, un peso maggiore e l’eccessivo trasferimento di carico hanno sempre impatto negativo sulla forza d’attrito generabile dalla gomma in curva. L’unico rimedio in questo caso è l’installazione di pneumatici diversi (generalmente di dimensioni maggiori) che abbiano delle curve caratteristiche più spostate verso l’alto, ovvero che abbiano un buon coefficiente d’attrito per carichi maggiori. Ed ecco un altro concetto di validità generale: due vetture con pesi diversi (una più leggera ed una più pesante) equipaggiate con gomme diverse, adatte a ciascuna di esse, possono raggiungere le stesse accelerazioni laterali in curva. Una Bentley potrebbe, grazie a gomme adatte ed a sospensioni progettate di conseguenza, raggiungere lo stesso valore di “g” in curva di un’Elise. Ed ecco anche spiegato perché la Porsche 911 con motore posteriore a sbalzo, che tanti considerano un controsenso, in realtà non è né avvantaggiata né svantaggiata in questo caso rispetto ad una vettura con motore anteriore o centrale. Se notate, infatti, le 911 hanno sempre avuto gomme posteriori molto larghe (la Porsche è stata la prima ad introdurre gomme di dimensione diversa tra l’asse anteriore e quello posteriore). Credo che la Carrera sia proprio l’esempio lampante dell’importanza che hanno le gomme sul comportamento stradale di una vettura. Chiaramente il discorso non finisce qui: a contribuire ad un buon comportamento stradale ci sono anche i trasferimenti di carico, la distribuzione delle masse e le sospensioni. Tuttavia nessuno di questi aspetti presi singolarmente può pregiudicare le prestazioni raggiungibili da un’auto, si tratta sempre di trovare il giusto equilibrio.

Una nota sul grafico: le 6 curve ivi rappresentate non si interrompono in realtà in corrispondenza dell’angolo di deriva di 10°. Raggiunto un certo angolo di deriva al di fuori del grafico che vi ho presentato, in corrispondenza del quale si ha un picco del coefficiente d’attrito, esse cominciano a decrescere bruscamente. Ciò significa che, nell’affrontare una curva, per avere attrito massimo non bisogna sterzare oltre un certo angolo di volante. Ogni gomma ha un proprio angolo di deriva che consente di trasmettere una forza laterale massima. Come già detto in precedenza, credo che questo fatto sia abbastanza intuitivo (se sterzate troppo la gomma non tiene più).

Finora ho parlato solo di capacità di trasmettere forze laterali. Nel caso delle forze longitudinali (quelle che ci permettono di accelerare e di frenare) tuttavia il discorso è perfettamente analogo come si può vedere dal seguente grafico. Al posto dell’angolo di deriva c’è lo slittamento percentuale (Schlupf):

Passiamo ora brevemente in rassegna qualitativamente gli altri effetti che influenzano la capacità di una gomma di trasmettere forze all’asfalto.

Il camber indica l’inclinazione del piano della gomma rispetto al piano laterale della vettura:

 

Molto semplicemente possiamo dire che il camber aumenta le forze laterali generabili dalla gomma in maniera concorde con il suo verso; se cioè il camber è negativo, verrà aumentata la capacità della gomma di creare forze dirette verso l’interno della vettura (che sono quelle che ci permettono di stare in traiettoria e che si oppongono alla forza centrifuga che si genera a causa della massa della vettura). Se il camber è positivo, si creano delle forze contrarie (cosa chiaramente poco desiderabile). Anche in questo caso esiste un valore di camber ottimale (diverso per ogni gomma e funzione del carico verticale) che permette di ottimizzare il coefficiente d’attrito µ. Oltrepassato questo valore, anche qui si ha un brusco decadimento della capacità di creare carico laterale.

La pressione di gonfiaggio ha degli affetti molto complessi sulla gomma. Un aumento della pressione porta generalmente ad un irrigidimento della spalla, cosa che rende la gomma più pronta alle azioni di sterzo. Allo stesso tempo si riduce la resistenza al rotolamento che però si ripercuote negativamente sulla superficie della sezione di contatto tra gomma ed asfalto. La superficie di contatto influenza direttamente il valore di µ, e pertanto porta ad un decadimento della capacità di creare sia forze laterali sia longitudinali. Quando vi parlerò di masse sospese e non sospese questo fattore assumerà un’importanza ancora maggiore in quanto il pneumatico, essendo di fatto sia una molla sia un ammortizzatore, è direttamente influenzato dalla pressione (che ne aumenta la rigidezza, ma ne diminuisce le capacità smorzanti). Anche la temperatura influenza la rigidezza e le capacità smorzanti della gomma, in maniera tuttavia all’incirca opposta rispetto alla pressione. Essendo però pressione e temperatura strettamente legate fra di loro, è necessario scendere a dei compromessi.