Per un appassionato di corse, una delle cose più complicate da comprendere è il comportamento dello pneumatico. Spesso durante i gran premi, i commentatori, anche tecnici, parlano di finestre di utilizzo, di condizioni ideali, di mescole che funzionano in una condizione per non funzionare affatto in un’altra. Condizioni, all’apparenza, molto simili tra loro.
Uno dei motivi principali sta proprio nella composizione delle mescole gli pneumatici. La mescola di pneumatico si comporta in due modi: sia come elemento elastico che viscoso come un liquido, viscoelasticità appunto.
Una spiegazione più tecnicistica
Analizzando i due comportamenti, si dice che un materiale è di tipo elastico, quando sotto carico si deforma in modo lineare tornando alla nella sua condizione di origine una volta rimosso il carico. La molla di una sospensione è il chiaro esempio di elemento elastico.
Un materiale è viscoso quando, essendo sottoposto ad un determinato carico, si deforma a una velocità costante e non ritorna alla sua condizione originale una volta tolto il carico. In questo caso è assimilabile ad un pistone di ammortizzatore.
Ciò avviene perchè parte dell’energia usata per la compressione viene convertita in calore impedendo al pistone di tornare nella posizione di origine determinando il fenomeno della isteresi. In fisica, l’isteresi, è la caratteristica di reagire in ritardo alle sollecitazioni applicate dipendenti dallo stato precedente all’applicazione causando un ritardo definito.
La viscoelasticità di uno pneumatico può essere paragonata all’azione congiunta del comparto molla/ammortizzatore di una sospensione. Il pistone di un ammortizzatore ha un movimento viscoso. Trasformando parte del lavoro di compressione in calore non ritorna nella posizione iniziale. Ma essendo vincolato alla molla, questa per la sua capacità di esser elastica lo riporta la sospensione nella sua posizione iniziale compensando il ritardo per effetto del calore.
Come opera tale effetto sullo pneumatico ?
Lo pneumatico si comporta un modo analogo. Il suo comportamento sarà determinato dalla quantità di calore dissipato dalla componente viscosa, dall’isteresi che si genera quando viene sottoposto a sollecitazione e dal modulo di elasticità espresso con il parametro di durezza Shore-A della mescola.
Questo parametro è basso per i materiali morbidi e alto per i materiali duri. Si parte da “0” per le caramelle gommose e si arriva a “100” per i caschi di protezione. Un pneumatico, anche di serie, fa registrare valori da 60 ad 80 a seconda del tipo di mescola usata.
Un’altro parametro fondamentale è la temperatura, legata direttamente alla frequenza della sollecitazione. Come una sospensione, anche lo pneumatico è sottoposto a sollecitazioni che hanno frequenze determinate.
Il tecnico che lavora ad un set up di una auto definisce la taratura della sospensione in base alle frequenze a cui verrà sottoposta. Le a basse frequenza, per esempio in curve ad alta velocità, la deformazione è lenta con il grosso del lavoro svolto dalla molla. Ad alta frequenza, per esempio l’urto su un cordolo, il pistone dell’ammortizzatore comprime olio più velocemente, aumentando la resistenza, diventando l’elemento dominante.
Forza di attrito e grip
Una sospensione si può regolare scegliendo le molle adatte, tarando gli ammortizzatori, in compressione ed estensione ma in pneumatico non è possibile variare le condizioni per favorire una sollecitazione piuttosto che un’altra. La struttura, infatti, viene decisa dal costruttore in fase di progetto.
Le forze di attrito all’interno della mescola determinano il grip e dipendono direttamente dall’isteresi. Prediligere un lavoro alle alte frequenze di sollecitazione migliorerebbe l’aderenza, ma esagerando con l’isteresi la temperatura si abbassa e la mescola entra in uno stato troppo rigido quasi vetroso che abbassa il grip.
Anche il modulo di elasticità varia. Alle basse temperature aumenta il valore fino a diventare troppo rigido quasi fragile. Alle alte temperature si abbassa facendo diventare la mescola più flessibile ed elastica. La flessibilità è un altro fattore che genera attrito interno alla mescola ottenendo più grip.
Vien da sé che le due grandezze sono inversamente proporzionali. Quella che sembra essere una condizione impossibile, si verifica quando il pneumatico di trova a lavorare in unico punto di equilibrio delle due variabili. Ogni pneumatico ha una temperatura ideale localizzata immediatamente prima che inizi la fase di transizione per giungere allo stato vetroso. In questo punto esatto le due grandezze generano il massimo grip.
Alcuni rimedi
Basta variare anche leggermente i valori d’istersi o temperatura perchè il pneumatico non abbia condizione di equilibrio per il massimo grip. A secondo di quando ci si lontana da questo punto di equilibrio si possono verificare fenomeni di graning o di blistering, influenzando sia la durata che la prestazione del pneumatico nel tempo.
Il punto di equilibrio non è una costante per tutti gli pneumatici. Ogni costruttore usa la sua mescola brevettata con una data viscoelasticità specifica lavorando con una carcassa dalle caratteristiche uniche. In più ci sono diversi tipi di mescole a disposizione dei tecnici come in Formula 1 dove c’è ne sono ben cinque ognuna con il suo punto di equilibrio.
Una volta che il pneumatico è determinato, sia per regolamento che per esigenze sponsor, è la vettura a dover avere un set up adatto a trovare il punto di equilibrio. Un lavoro che comincia con la progettazione del telaio, sospensioni, fino a coinvolgere l’aerodinamica.
Spesso i team usano accorgimenti per trovare la giusta combinazione, giusto per fare un esempio, i fori nei cerchi, l’assetto variabile delle incidenze monoposto. Di contro, ci sono team che progettano vetture in grado di trovare l’equilibrio in un’unica condizione di set up e ambientali. Una vettura progettata in questo modo è efficiente solo in situazioni che si verificheranno un paio di volte nell’arco di una stagione.
Ma questa finestra di utilizzo ?
Spesso succede che regolazioni anche importanti, non cambiano i parametri di temperatura e frequenza, per giungere in quella i cronisti definiscono, finestra di utilizzo o punto di equilibrio. In questi casi non c’è altra via che una riprogettazione completa in base ai dati che sono stati rilevati sul lavoro degli pneumatici in gara, ammesso che si è compreso dove si trova il punto di equilibrio corretto.
Un normale automobilista può cambiare gli pneumatici adattando il proprio set up ad una copertura ideale, il mercato e vasto e vario. Ma in Formula 1, come molte categorie del motorsport c’è un fornitore unico. Capire il punto di equilibrio tra frequenza di sollecitazione e temperatura per ogni mescole usata in gara, consente di avere una vettura con un vantaggio enorme sulla concorrenza in ogni condizione.
Enzo Ferrari diceva “L’evoluzione meccanica ti consente di recuperare decimi, le gomme giuste anche interi secondi!” Noi ci sentiamo di aggiungere, “far lavorare le gomme nel modo giusto, interi secondi!”
Daniele Amore