La maggior parte delle volte che…gira la ruota

La maggior parte delle volte che proviamo ad immaginare un ingegnere progettista al lavoro, ci pare di scorgere un individuo immerso nei suoi calcoli e talvolta lontano dalla realtà, come una specie di alieno, una razza a parte che perfino qualche addetto ai lavori ritiene esclusivamente teorico e, tra le righe, anche un po’ ottuso nel non capire ciò che al pilota o al meccanico di turno serve davvero.

Ebbene, anche trascurando il fatto che tanti “esperti” in realtà non dispongono degli adeguati strumenti per trattare la materia con la serietà necessaria – ma non rendendosene conto ritengono di poter mettere becco dappertutto – tanti giornalisti si stupiscono quando, magari in qualche intervista, scoprono che il progettista è una persona brillante, per nulla legata a preconcetti e aperta alla discussione. Purché, sia ben chiaro, si proceda con la medesima onestà da entrambe le parti, al di fuori dei dogmi e delle semplicistiche apparenze.

Qualcuno arriva a scoprire che perfino i progettisti hanno un cuore e sono animati da sincera passione, spinta all’estremo da una inguaribile curiosità di capire e di sapere. Estremo che si manifesta nella formalizzazione di leggi fisiche e di concetti attraverso formule che la maggior parte dei praticoni non capisce, il più delle volte per pigrizia o per mancanza di elasticità mentale. Quei numeri che per tanti sono aridi, lo sarebbero anche per il progettista se lui non avesse sempre molto chiaro che essi non “sono” l’oggetto del suo lavoro ma lo “rappresentano” nel modo più sintetico possibile.

Non ci si innamora di una formula ma del concetto che essa rappresenta. Insomma, che ci crediate o meno, c’è emozione in quei numeri in quanto essi altro non sono che la codifica di una passione umana non diversa – ok, forse un filino estremizzata – da quella del semplice appassionato. Cambia il linguaggio, non l’argomento. Perché scrivo tutto questo? Perché come in ogni passione esistono dei contrasti emotivi.

Prendiamo la forcella: è un accrocco improponibile, strutturalmente inefficiente, pieno di difetti. Ma non riusciamo a farne a meno, un po’ come essere innamorati di un/a bastardo/a: non dovremmo, ma alla fine ci caschiamo. Non riusciamo proprio a farne a meno, e diventa un rapporto di amore/odio ricco di spunti vitali. Il progettista bestemmia fra sé e sé, continua a chiedersi perché cavolo l’abbiano inventata, la trova arcaica e anacronistica però nel frattempo la disegna e la calcola.

La forcella, dunque. Sterza, supporta la frenata, incassa le asperità e controlla l’assetto, quattro funzioni con due tubi scorrevoli. E appena tocchi qualcosa da una parte, immediatamente crei qualche scompenso dall’altra. Pare incredibile che alla fine si trovi un compromesso accettabile, e ancora resta da stabilire se l’inventore vada ringraziato o ghigliottinato. Procediamo con ordine e analizziamo separatamente le diverse funzioni.

Possiamo sempre immaginare un veicolo con forcella rigida e senza freno, tipo una vecchia bicicletta scassata: tre funzioni su quattro sono assenti, ma potremmo ancora utilizzarla, quindi la funzione principale è la sterzata. I primi veicoli a due ruote avevano l’asse di sterzo perfettamente verticale, con il punto di contatto della ruota anteriore coincidente con la proiezione a terra dell’asse di sterzo. Si sterzava, ma si cadeva moltissimo. Con l’esperienza abbiamo introdotto l’inclinazione dell’asse di sterzo e l’offset delle piastre (o le forcelle curve, come nelle bici), e la situazione è migliorata parecchio. Abbiamo imparato che la geometria di sterzo in una moto è fondamentale per la sua stabilità e la sua guidabilità, e in questo articolo cercheremo di spiegare perché una moto sta in piedi. Cominciamo.

La geometria di sterzo di una moto è caratterizzata da una serie di parametri collegati tra di loro quali incidenza di sterzo, offset, avancorsa etc., che lavorano in sinergia con le masse rotanti della ruota anteriore determinando un meccanismo di reazione dinamica che in un range sufficientemente ampio di condizioni riporta la motocicletta, staticamente instabile per costituzione, all’equilibrio. Facciamo un’indagine qualitativa.

La ruota anteriore si comporta come un giroscopio: appena la moto tende a cadere su un lato, la ruota anteriore reagisce sterzando dalla stessa parte della caduta. Succede questo: durante la caduta l’accelerazione di gravità genera una rotazione della moto sul suo asse longitudinale rispetto al punto di rotazione costituito dal contatto delle ruote sul terreno. Anche ogni punto del cerchio anteriore viene accelerato in questa rotazione: ma poiché la ruota gira, ogni elemento del cerchio tenderà a mantenere la velocità trasversale acquisita durante la rotazione dell’intera moto generando una sterzata.

Più in dettaglio: il punto più alto della ruota viene accelerato verso il lato della caduta. Un attimo dopo, questo “pezzo di cerchio” per via della rotazione della ruota si troverà più avanti e più in basso, ma tenterà di mantenere la velocità laterale acquisita: siccome però la sua nuova posizione imporrebbe una velocità di caduta laterale inferiore, al pezzo di cerchio non resta altra scelta che “tirare” la parte anteriore della ruota deviandola verso il lato della caduta. La forza – o meglio, il momento – con la quale la ruota tende a sterzare dipenderà dal suo peso, dal suo raggio e dalla sua velocità. Paradossalmente l’angolo di sterzata “di reazione” è maggiore, sia pure con un momento di valore inferiore, quando la ruota gira più lenta. Se qualcuno vorrà delucidazioni su questo aspetto vi avviso: dovrò parlare della composizione di diverse velocità vettoriali, quindi pensateci bene prima di farlo.

Torniamo alla moto che cade. La ruota sterza dallo stesso lato, e la moto curverebbe dalla stessa parte. Non so se avete mai provato a giocare con un lungo bastone, una scopa rovesciata è perfetta, in equilibrio sul palmo della mano: è piuttosto facile capire che quando il baricentro si sposta fuori equilibrio, basta che la nostra mano (cioè il punto di contatto) si sposti rapidamente dalla stessa parte per recuperare l’allineamento tra contatto e baricentro. Ecco: la ruota anteriore che sterza e viaggia verso il lato della caduta fa lo stesso lavoro e recupera l’equilibrio.

Una moto lanciata in corsa non può cadere perché appena ci prova la sua ruota anteriore sterza e si sposta lateralmente riallineando il punto di contatto con il baricentro, e questo avviene istantaneamente se la velocità della moto è sufficiente. Alla moto non resta altro che andare dritta in perfetto equilibrio, e tutto questo avviene a prescindere da incidenze e da offset. Anzi, succede anche ad una semplice ruota senza bicicletta: se la lanciamo dritta, lei continuerà dritta finché ha abbastanza velocità. Ci siamo?

Ma cosa succede fuori dal range? Quali sono gli effetti di una velocità troppo alta o troppo bassa sullo sterzo? E’ presto detto: immaginiamo una velocità troppo bassa. Una ruota senza bici che pian piano perde velocità. Osserviamo che comincia a oscillare, alternando “quasi cadute” con altrettanti raddrizzamenti violenti che arrivano ad innescare un fenomeno a pendolo da una parte all’altra, finchè la ruota finisce per sdraiarsi a terra.

Torniamo a ragionare sul giroscopio. Consideriamo la parte più alta della ruota, marcandola idealmente con un pennarello. Supponiamo che la ruota stia cadendo verso destra: se noi indichiamo con una freccia la velocità di quel punto, vediamo subito che alla solita freccetta rivolta verso avanti (indicante la velocità del punto prescelto durante la rotazione, non rappresentata in figura per non creare confusione) se ne somma una seconda rivolta verso il lato destro, frutto della velocità che il nostro pezzo di cerchio sta acquisendo durante la sua caduta verso destra.

Orbene, quando questo pezzetto di cerchio – proseguendo nella rotazione della ruota – si ritroverà verso la parte più anteriore della ruota, noi sappiamo che la sua freccetta laterale dovuta alla caduta si trasformerà in sterzata. Ma stavolta la ruota sta girando lenta, e prima di spostarsi di “un quarto di giro” la freccetta laterale sarà diventata una freccia più lunga. La sua velocità di caduta laterale (prima cioè di coprire quel quarto di giro che la trasformerà in sterzata) è diventata molto alta, perché il tempo di quel quarto di giro è diventato molto lungo; e nel frattempo la moto continuava a cadere e il nostro punto acquisiva velocità laterale.

Notiamo due cose: la sterzata arriverà in ritardo (il tempo necessario al quarto di giro è più elevato, e prima di diventare “sterzata” ci passa più tempo); e quando infine arriva, la velocità laterale accumulata è maggiore, quindi l’angolo di sterzata sarà più elevato. Insomma, il nostro giroscopio risponde in ritardo (dando il tempo alla ruota di cadere quasi a terra) e quando risponde lo fa in maniera troppo elevata, tanto che la nostra ruota si raddrizza di colpo e finisce per oscillare addirittura nel verso opposto innescando quel pendolo che noi osserviamo quando la ruota è troppo lenta e sta per cascare a terra: la ruota sembra ubriaca.

Vedremo altrove cosa possiamo fare per risolvere, ma portiamo al limite questo ragionamento: la ruota rallenta ancora fino a fermarsi. Moto ferma, ok? La parte superiore del cerchio casca di lato ma stavolta non si sposta verso verso avanti in quanto non c’è più rotazione della ruota. La velocità laterale di questo pezzo di cerchio aumenta, ma non si trasformerà mai in sterzata perché il pezzo alto del cerchio non si muove e resta lì dove si trova: in alto. La ruota non sterza, il punto di contatto non si riposiziona sotto al baricentro – come facevamo noi con la mano – e tra un attimo conteremo i danni che stiamo facendo al manubrio, alla leva del freno e al serbatoio.

Completiamo l’analisi con l’osservazione di una velocità troppo alta. Quanto a stabilità qui non ci sono problemi, la ruota sta bella dritta e mantiene la sua traiettoria. Fin troppo, per l’uso motociclistico. Il vero problema diventa quando noi vogliamo piegare la moto per inserirla in curva, e quel maledetto giroscopio è così efficace che corregge ogni mio tentativo di piega. Neppure finisco di squilibrarmi da una parte che subito la ruota sterza (stavolta il quarto di giro viene coperto in un amen) e si riposiziona sotto il mio baricentro. Tutto questo lo notiamo su qualsiasi moto: se curviamo lenti, lo sterzo vorrebbe chiudere e dobbiamo spingere sul manubrio interno (eccesso di angolo di sterzata), mentre la stessa moto sul veloce la debbo tirare di peso in modo anche brutale per farla curvare, che sennò lo sterzo neppure si muove.

A questo punto c’è abbastanza carne al fuoco, quindi per oggi mi fermo qui. E visto che non è facile scrivere questi pezzi tecnici in modo accessibile a tutti, e io ho la presunzione di riuscirci, prima di continuare voglio vedere 200 like in cima alla pagina. Così, per gratificazione personale. Sennò rimarrete tutta la vita col dubbio “ma a cosa serve l’avancorsa?”