Ecco, lo sapevo. Abbiamo appena cominciato a parlare di sospensioni e le gomme si son riaffacciate con le loro deformazioni e con tutto quello che ne deriva. Ho provato ad evitarlo, ma non ce l’ho fatta: chiedo scusa ma dovrete sorbirvi sto polpettone su come è fatta e come funziona una gomma. Iniziamo.
La gomma ha principalmente una carcassa e un battistrada. Posto che il battistrada può essere realizzato con mescole differenti e differenziate, converrà per prima cosa rivolgere la nostra attenzione alla carcassa in quanto sede di importantissimi fenomeni che condizionano il comportamento di tutta la moto.
In prima approssimazione la carcassa è formata da un insieme di fili metallici, di rayon, di kevlar annegati in una pasta di gomma e disposti in una serie di strati successivi con un preciso orientamento. Diametro dei fili, densità dei fili, numero di strati e orientamento determinano la rigidità della carcassa e la sua capacità di trasformare in calore le sollecitazioni dovute alla trazione o alle asperità del fondo stradale.
Dobbiamo pensare alla gomma come a un sistema progettato proprio per questo, partendo da una semplice considerazione: in una motocicletta, una volta raggiunto l’equilibrio tra potenza immessa e potenza dissipata – e cioè quando la moto è al massimo della sua velocità e il suo moto non è più accelerato – i cavalli che arrivano alla catena vengono dissipati per circa l’ottanta per cento dalla resistenza aerodinamica e per il restante venti per cento dalle gomme (nelle condizioni descritte, quasi tutto sulla posteriore che infatti è ben più grossa dell’anteriore).
Significa che su 250 cavalli, una cinquantina vengono assorbiti dalle gomme e trasformati in calore nella carcassa: ora, per i più distratti, ricordiamo che 50 cavalli in calore equivalgono a una stufa elettrica da 40KW. Credo che tutti abbiano esperienza delle stufette casalinghe da 2 o 3 KW, no? Ecco, dentro la carcassa viene prodotto calore in quantità venti volte maggiore: ed è di gomma, mica in tungsteno… E’ proprio questo il calore che scalderà la mescola e contemporaneamente determinerà le caratteristiche di elasticità della carcassa, in quanto la gomma è un materiale la cui rigidità dipende dalla temperatura. Entriamo nei dettagli.
Per chi se lo fosse perso, riporto qui l’esempio del fazzoletto: se proviamo a estendere un comune fazzoletto tirandolo per gli angoli di uno stesso lato, cioè esercitando trazione nello stesso verso dei fili della sua trama, notiamo che si allungherà pochissimo, mentre se lo tiriamo secondo la diagonale riusciremo ad allungarlo molto di più. Questo succede perché l’allungamento sulla diagonale avviene non con la trazione sulle singole fibre ma con la distorsione dell’angolo di 90° fra la trama e l’ordito. Questo è più o meno lo stesso meccanismo che viene usato per disporre le tele sulla carcassa, con una differenza importante però: lo spazio tra i fili è riempito di gomma.
E qui mi tocca fare una piccola digressione. Sapete benissimo che in qualsiasi sospensione esiste una molla che si occupa di immagazzinare sotto forma di energia potenziale la sollecitazione esterna e un ammortizzatore che si occupa di trasformare in calore il ritorno della molla. Senza ammortizzatore la molla si metterebbe a oscillare liberamente intorno al suo punto di equilibrio. Tutte le automobili hanno le loro molle e i loro bravi ammortizzatori.
Anzi, quasi tutte. In passato ci fu un’automobile che risolveva diversamente il problema sospensioni, in modo brillante ed efficacissimo: e naturalmente non poteva che essere un’automobile inglese, proprio come la miglior scuola telaistica europea. Vinse contro tutte le previsioni il Rally di Montecarlo davanti a fior di Porsche lasciando tutti con un palmo di naso: era la Mini Cooper, e non aveva né molle né ammortizzatori. Il suo telaio, disegnato con la filosofia dei kart, aveva i bracci delle sospensioni collegati a dei semplici blocchi di gomma dura e sfruttava una particolare caratteristica di questo materiale: torna alla forma originale come una molla ma non oscilla perché smaltisce nella sua struttura interna la maggior parte di ciò che immagazzina con la compressione. Tenete ben presente questa caratteristica della gomma, è fondamentale per tutto il discorso.
Allora: se noi prendiamo dei fili metallici e li incrociamo facendone una rete (un fazzoletto di metallo, insomma) riusciremo facilmente a deformarla tirando sulla diagonale, ma resterà deformata. Ma se noi anneghiamo i fili in una matrice di gomma, la gomma farà contemporaneamente da molla e da ammortizzatore – come la Mini – facendo tornare la rete alla forma originaria una volta cessata la sollecitazione, ma senza che questo determini alcuna oscillazione. La gomma smaltisce all’interno della sua struttura l’energia cinetica di andata e di ritorno, trasformandola in calore. E questo calore porta lo pneumatico alla temperatura voluta, quella cioè che da una parte massimizza l’aderenza della mescola del battistrada e dall’altra conferisce alla carcassa la rigidità/morbidezza voluta (a freddo la gomma in quanto materiale si comporta in modo legnoso e poco flessibile, ed ecco perché bisogna portare in temperatura non solo il battistrada ma anche tutta la carcassa).
La potenza meccanica trasformata in calore dagli pneumatici di una motoGP è dell’ordine appunto dei 40KW, e al rientro ai box i meccanici adoperano guanti isolanti per poterli toccare, non certo per non sporcarsi troppo.
La carcassa degli pneumatici è in definitiva un sistema integrato di molla e ammortizzatore estremamente sofisticato, ed entra pesantemente in gioco nella sua interazione con le sospensioni della nostra motocicletta.
Ma non è finita. Nel giochetto entra in ballo, a complicarci la vita (scherzo, eh… più elementi avremo, più parametri potremo variare, e meglio potremo adattare la gomma alle nostre esigenze), anche l’aria contenuta nello pneumatico (ok, è azoto, non è aria. Se proprio ci tenete, a richiesta spiegherò il motivo. Ma pensateci bene prima di chieder qualcosa: potrebbe anche avverarsi, e non so se vi conviene 😉 ). Dicevamo dell’aria, e cominciamo con un semplice esempio: smontate la ruota anteriore della vostra bicicletta, sollevatela a un metro da terra e lasciatela cadere. Rimbalza. Se lo fate con la ruota della motocicletta, rimbalza assai meno.
Cosa sta succedendo? Sta succedendo che l’aria contenuta nella gomma sta immagazzinando una parte della sollecitazione, e ce la sta restituendo in modo non smorzato: l’aria infatti si comporta come una molla non smorzata in un sistema che, per la rapidità del fenomeno (l’urto con rimbalzo), possiamo considerare adiabatico, ovvero senza significativi scambi di calore.
Mi spiego meglio: tutti sanno che comprimendola con una comune pompa da bici l’aria si scalda (e parimenti si raffredda se la facciamo espandere, come il gas nei frigoriferi), ma se la compressione e la successiva riestensione avvengono in una frazione di secondo non c’è il tempo materiale perché avvenga lo scambio termico tra l’aria e il materiale circostante. Nel rimbalzo l’aria si comporta da molla. Ora, nella bici abbiamo una carcassa leggerissima e la maggior parte della sollecitazione è contrastata dall’aria interna, mentre nella moto la percentuale di sollecitazione immagazzinata dall’aria è minore, e molta parte viene immagazzinata nella deformazione della carcassa: che siccome si comporta come il nostro fazzoletto di acciaio e gomma, è capace di tornare alla forma originale smaltendo come calore la quota di sollecitazione da essa immagazzinata.
Immaginiamo un pallone da calcio: cuoio, camera d’aria, etc.. Se noi lo realizziamo con uno spessore molto più elevato, manterrà la sua forma anche se lo gonfiamo pochissimo ma rimbalzerà malissimo. Abbiamo assegnato l’intera funzione di sostegno strutturale al cuoio anziché all’aria, e il cuoio non ha una risposta elastica. Se invece è più sottile, dovremo gonfiarlo di più per fargli mantenere la propria forma: stiamo cioè delegando la funzione di sostegno meccanico della struttura (la molla) all’aria contenuta, e l’aria non si comporta come le molecole della gomma. Al suo interno non dissipa nulla, e si comporta come una molla non ammortizzata.
Si capisce bene a questo punto che la carcassa, oltre ad essere fondamentale come profilo per le ragioni spiegate altrove, è fondamentale anche nella struttura in quanto svolge compiti delicatissimi:
- Partecipa assieme all’aria contenuta alla funzione strutturale dello pneumatico
- Determina con la propria deformabilità la potenza meccanica trasformata in calore
- Contribuisce allo smorzamento delle sollecitazioni
- Garantisce la corretta temperatura di esercizio della mescola
- Determina gli angoli di deriva dello pneumatico in collaborazione col canale del cerchio
- Sicuramente anche altre cose, ma adesso non mi vengono in mente. Le scriverò man mano che ci inciamperemo sopra.
Come ultima cosa, la disposizione delle tele sulla fascia di cintura influisce sulla deformabilità del battistrada, che quindi sotto trazione determina quello slittamento apparente necessario a far capire al pilota che il limite di aderenza si sta avvicinando. Questo aspetto verrà trattato nelle parti successive (credevate di cavarvela con un solo pezzo, vero? 😛 ), ma chi vuole cimentarsi può già adesso provare a rispondere alla domanda “un radiale coi fili della cintura disposti a zero gradi – ovvero orientati nel senso di marcia – come si comporta sulla guida? Mi avvertirà prima del limite o tenderà a perdere aderenza di colpo senza preavviso? E perché?”