CORSIDIGUIDA.IT: LEZIONI DI TECNICA MOTOCICLISTICA – nozioni sulla dinamica della motocicletta – terza parte

 

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L’ing.Luigi Mitolo a Corsidiguida.it 

 

Continuano le nostre lezioni teoriche sul comportamento dinamico della moto con questa terza e ultima parte dedicata all’AVANCORSA e all’ANGOLO DI STERZO.

Più avanti tratteremo quest’argomento, sempre in collaborazione con l’Ing. Luigi Mitolo, autore di queste note, parlando due fattori chiave nella nostra guida sportiva: la frenata nonchè l’inserimento e percorrenza in curva.

L’AVANCORSA

L’avancorsa è definita come “la distanza tra il punto di contatto della ruota anteriore con il suolo e il punto di intersezione dell’asse dello sterzo sempre con il piano stradale”. Come l’interasse, è anch’esso un parametro fondamentale che influisce in maniera significativa sul comportamento dinamico della motocicletta e in particolare sulla stabilità in rettilineo e quindi sulla maneggevolezza della moto.

Per capire bene come influisca sulle caratteristiche dinamiche della motocicletta consideriamo la seguente figura:

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Nel caso in cui una perturbazione come una sconnessione della strada o un colpo di vento laterale agiscano sulla moto si avrebbe una rotazione, seppur impercettibile, dello sterzo. che comporterebbe un inevitabile strisciamento del pneumatico dal punto P a P’ con la conseguente generazione di una forza di attrito laterale, opposta al verso di strisciamento e parallela al piano stradale, che tenderebbe a riportare lo sterzo nella posizione di moto rettilineo. Si vedrà in seguito che maggiore è il valore dell’avancorsa, maggiore sarà la forza raddrizzante sullo sterzo.

Da questo si deduce abbastanza facilmente come elevati valori di avancorsa rendano il mezzo molto stabile su una strada dritta ma è anche vero che, così facendo, per poter curvare il pilota deve esercitare una forza al manubrio maggiore in quanto per ruotarlo deve vincere l’effetto raddrizzante dovuta all’avancorsa.

A voler essere rigorosi sarebbe più corretto parlare di momenti anziché forze. Per chi mastica un po’ di fisica, il momento è il prodotto di una forza “F” per un braccio “b” definito come la distanza tra la retta passante per la forza e l’asse intorno a cui ruota l’oggetto soggetto alla forza:

 

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Passando da un ambito puramente teorico a quello ben più interessante riferito alla motocicletta, almeno per i motociclisti, la forza in gioco e il relativo momento visti sopra generano un momento raddrizzante dovuto alla seguente equazione:
image008  dove image009 è l’avancorsa normale cioè la distanza tra il punto di contatto tra pneumatico e superficie stradale e l’asse di rotazione dello sterzo.

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Nella figura di sopra è evidenziata la rotazione dello sterzo che provoca lo strisciamento del pneumatico che a sua volta genera la forza laterale; tale forza moltiplicata per l’avancorsa normale dà vita ad un momento che si oppone alla rotazione dello sterzo che quindi tende a riportarlo nella posizione iniziale.

Generalmente l’avancorsa varia da 90 a 130mm a seconda della tipologia di moto. Come si può facilmente immaginare i valori più piccoli si riferiscono a motociclette in cui sono richieste grandi doti di maneggevolezza come le moto da trial o gli scooter di piccola e media cilindrata. I valori più elevati sono invece patrimonio delle moto dal carattere prettamente turistico dove invece sono richieste doti di grande stabilità in rettilineo anche con passeggero e bagagli a bordo.

In questa sede si sono considerati trascurabili il rollio della moto e l’inclinazione della ruota anteriore al variare dell’angolo di rotazione dello sterzo. L’introduzione di questi fattori avrebbe reso estremamente più complesso l’argomento senza fornire valore aggiunto allo scopo del presente lavoro.

L’ANGOLO D’INCLINAZIONE DELL’ASSE DI STERZO

L’angolo di inclinazione dell’asse di sterzo “ε” o più semplicemente “angolo di sterzo”, è l’angolo formato tra la retta parallela all’asse del cannotto di sterzo e la perpendicolare al piano stradale. Generalmente varia tra i 23 e 28 gradi. A titolo di esempio il Monster 1100 Evo ha il cannotto di sterzo inclinato di 24° così come l’Hypermotard, mentre la Diavel ha un angolo di 28°; la Multistrada e il 1198 si collocano nel mezzo rispettivamente con 25° e 25.5°. Unitamente al raggio della ruota anteriore e all’offset, cioè la misura del disassamento del perno ruota anteriore rispetto all’asse di rotazione dello sterzo, determina il valore dell’avancorsa. Quindi, a parità di raggio ruota anteriore, un determinato valore di avancorsa si può ottenere agendo indifferentemente sia sull’offset che sull’angolo di sterzo. In realtà ognuno di questi due parametri influisce in maniera differente sul comportamento della moto pertanto a parità di avancorsa è possibile avere comportamenti dinamici sostanzialmente diversi a seconda della combinazione scelta. Come quasi sempre accade, nella realtà le cose sono abbastanza più complesse di quanto si possa pensare e vediamo perché.

Consideriamo due piani: il primo è il piano di simmetria longitudinale della moto e solidale al gruppo telaio, motore, forcellone; il secondo è il piano contenente la ruota anteriore e ad essa vincolato.

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In condizioni di moto stazionario quindi con le ruote della moto perfettamente allineate (almeno teoricamente), i due piani sono tra loro sovrapposti e perpendicolari al piano stradale. Durante una curva però, il piano della ruota anteriore oltre a ruotare intorno all’asse dello sterzo inclinato dell’angolo “ε” rispetto alla perpendicolare alla superficie stradale ruoterà anche intorno all’asse di intersezione con il piano stradale di un angolo “β” risultando di fatto maggiormente inclinato rispetto al piano della moto. In generale si può affermare che “β” è direttamente proporzionale all’angolo di sterzo.

Abbiamo visto in precedenza che la forza laterale generata nel punto di contatto tra pneumatico e strada è, tra le altre cose, proporzionale allo spostamento laterale del punto di contatto rispetto alla superficie stradale. Ma tale forza è influenzata anche dal rollio del pneumatico e poiché abbiamo appena visto che all’aumentare dell’angolo di sterzo aumenta l’inclinazione della ruota “β”, cioè il rollio, si può affermare in prima approssimazione che al crescere dell’angolo di sterzo aumenta la forza laterale tra pneumatico e strada che se da un lato fa aumentare il momento raddrizzante, dall’altro permette alla moto di mantenere la traiettoria curvilinea più agevolmente. In realtà ci possono essere casi in cui il momento raddrizzante non aumenta con l’angolo di sterzo perché al crescere di quest’ultimo diminuisce l’avancorsa normale cioè il braccio della forza come evidenziato nella seguente figura:

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Supponendo di mantenere costante l’avancorsa, all’aumentare dell’angolo di sterzo diminuisce il valore dell’avancorsa normale pertanto, a parità di forza laterale, diminuisce il momento raddrizzante illustrato nel paragrafo precedente. Questo ci fa capire quindi che se da un lato l’incremento dell’angolo di sterzo potrebbe dare vantaggi in termini di percorrenza di curva, dall’altro potrebbe rendere la moto meno stabile in rettilineo se non si aumenta ad esempio l’avancorsa. Per trovare il giusto compromesso si deve chiamare in causa l’altro parametro che abbiamo visto all’inizio del paragrafo e cioè l’offset. Agendo su quest’ultimo, ad esempio, si è in grado di ottenere valori adeguati di avancorsa normale anche in caso di angoli si sterzo elevati.

Bene, sperando di essere, fin qui, stati utili al fine di una maggiore comprensione, almeno dal punto di vista teorico, di quanto l’assetto della nostra motocicletta influenzi non poco la nostra guida, ringraziamo l’ing. Luigi Mitolo per averci concesso la pubblicazione dei suoi articoli e vi diamo appuntamento con l’angolo della tecnica prossimamente sul nostro BLOG.

STAY TUNED: Corsidiguida.it è pronta per la stagione 2013 per vivere un anno pieno di emozioni in pista… ma sempre con il cervello bene acceso… e protetto!

WEB REPORTER: Massimo Bracchi

 

CORSIDIGUIDA.IT:LEZIONI DI TECNICA MOTOCICLISTICA – nozioni sulla dinamica della motocicletta – seconda parte

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In attesa del primo appuntamento con gli eventi di Corsidiguida.it ( a proposito, vi invito a vedere le ultime novità sul sito www.corsidiguida.it), previsto per il 16 marzo 2013, continuano i nostri consueti approfondimenti sul mondo dei motori.

L’articolo di oggi è rivolto alla tecnica, con la seconda parte dedicata ai concetti generali della dinamica della motocicletta, grazie alla preziosa collaborazione dell’ ing. Luigi Mitolo, titolare di Motomisure, ospite, come sempre gradito, sulle nostre pagine del blog.

Il comportamento dinamico della nostra moto, come abbiamo visto, è influenzato da molti fattori, ma tre sono fondamentali  e vale la pena conoscere, per comprendere appieno e quindi essere in grado di “leggere” correttamente quella che comunemente chiamiamo “maneggevolezza” della moto, Questi sono, precisamente, come ben indicati nella figura successiva:

              · L’interasse “p
 
             · L’avancorsa “a
              · L’angolo di inclinazione dell’asse di sterzo “ε”

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              Tratteremo, in questa seconda serie di articoli tecnici, del primo argomento, vale a dire l’interasse della moto.

L’interasse o anche passo è la distanza tra i punti di contatto degli pneumatici con la superficie stradale. In prima approssimazione si può affermare che influisce sulla stabilità direzionale della moto incrementandola al suo crescere. Nella stessa misura influisce anche sulla maneggevolezza ma in questo caso riducendola al suo aumentare. Il passo influisce anche sul beccheggio della moto in frenata, accelerazione e quando si incontrano dossi, avvallamenti e asperità di vario tipo.

Per comprendere meglio l’influenza che ha sulla stabilità e quindi sulla maneggevolezza sarà necessario richiamare alcuni principi teorici che però, per buona pace di chi la matematica e la fisica non l’ha mai amata, verranno trattati in maniera molto semplice. Concentriamoci su tre situazioni in cui il comportamento della moto è fortemente influenzato dall’interasse. Il primo si riferisce alla percorrenza di un tratto di strada rettilineo, il secondo alla percorrenza di una curva a raggio costante mentre il terzo riguarda il caso dell’attraversamento di un dosso come ad esempio i sempre più diffusi rallentatori di velocità.

Cominciamo dal primo e supponiamo che in seguito a una raffica di vento laterale la ruota anteriore di sposti di una quantità “s” come illustrato nella seguente figura:

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questo spostamento genera un moto di imbardata cioè una rotazione della moto intorno ad un asse contenuto nel piano longitudinale e che in questa sede ci limitiamo a considerare perpendicolare al piano stradale. Come si può dedurre dalla figura 2, l’imbardata è maggiore nel caso di una moto con interasse corto (α>α’). Da questa semplice considerazione si deduce in maniera abbastanza intuitiva che all’aumentare dell’interasse si riduce l’imbardata del mezzo a parità di spostamento laterale. A titolo di curiosità si segnala che la rotazione della moto genera ovviamente anche la rotazione del pneumatico posteriore con la conseguente nascita di una forza laterale nella direzione della nuova traiettoria che tende a far riallineare la ruota posteriore con quella anteriore.

Analizziamo adesso l’influenza che l’interasse ha sulla percorrenza di curva. Consideriamo la seguente figura:

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nel caso di una motocicletta con interasse corto, per compiere una curva di raggio assegnato sarà necessario ruotare lo sterzo di un angolo minore rispetto al caso di una moto con interasse maggiore che, viceversa, per percorrere la stessa curva avrà bisogno di ruotare ulteriormente lo sterzo di un angolo α. Quindi, in quest’ultimo caso, il pilota dovrà compiere una manovra più ampia con le braccia e il corpo ricevendo in cambio la sensazione di una moto meno maneggevole.

Il terzo e ultimo caso è quello in cui si affrontano fondi sconnessi. In questa sede verrà analizzato solo il caso in cui si attraversa un dosso. Come si può vedere dalla seguente figura una moto con interasse maggiore avrà un moto di beccheggio minore a parità di ostacolo (α’<α) dove il beccheggio è la rotazione della moto intorno ad un asse parallelo al piano stradale e perpendicolare al piano longitudinale contenente la moto. Si deduce facilmente che una maggiore rotazione della moto a parità di velocità di percorrenza e quindi di tempo impiegato vuol dire maggiore velocità di beccheggio con comprensibili svantaggi in termini di comfort da parte del guidatore ma anche di sollecitazioni sulle sospensioni che possono al limite provocare anche la perdita di aderenza del pneumatico anteriore.

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In genere l’interasse varia da 1200mm a 1600mm; per fare alcuni esempi il Monster 1100 Evo ha un valore di 1450mm che è appena superiore a quello della 1198 SP che misura 1430mm mentre Multistrada 1200 S e Diavel hanno rispettivamente 1530 e 1590mm. Da una semplice riflessione su questi dati si evince che moto concepite per essere molto agili e maneggevoli possiedono un interasse ridotto mentre modelli pensati per un uso prettamente turistico hanno valori maggiori poiché è richiesta una grande stabilità anche alle alte velocità e con passeggero e bagagli a bordo. E’ curioso notare come per la 1198 SP pur essendo stata progettata per raggiungere velocità elevatissime ha tuttavia un interasse addirittura inferiore a quello del Monster. Questa scelta progettuale si spiega con il fatto che su una supersportiva del genere, concepita soprattutto per un uso in pista, è di primaria importanza che sia maneggevole quindi rapida nei cambi di direzione e facile da far curvare mentre non è determinante che sia altamente stabile in rettilineo anche ad altissime velocità per via della particolare destinazione d’uso cui è destinata nonché per l’esperienza in genere elevata (o almeno così si spera) degli utilizzatori cui è dedicata. In casi come questo il compromesso è d’obbligo.

Ricapitolando si è visto che l’interasse influisce in maniera significativa sulla stabilità e di conseguenza sulla maneggevolezza di una moto. Un valore elevato determina una notevole stabilità direzionale in rettilineo, una minore attitudine a percorrere traiettorie curvilinee e minori sollecitazioni nell’attraversamento di asperità stradali. Un interasse elevato comporta anche minore trasferimento di carico nelle manovre di frenata e accelerazione e quindi un minore beccheggio della moto con indubbi vantaggi sul comfort del pilota ed eventuale passeggero.

 

WEB REPORTER: Massimo Bracchi

 

CORSIDIGUIDA.IT:LEZIONI DI TECNICA MOTOCICLISTICA – nozioni sulla dinamica della motocicletta – prima parte

Nella guida della motocicletta, soprattutto per quanto riguarda la conduzione del mezzo in pista, dove le reazioni della nostra moto assumono caratteristiche esasperate, si pensi alle staccate dopo un rettilineo percorso in piena velocità, piutttosto che ad una veloce accelerazione, dopo una curva già affrontata al limite delle possibilità della nostra moto, i fattori che condizionano la nostra prestazione in circuito, al di là delle effettive capacità di guida, magari affinate dopo una lezione di guida appresa dai nostri istruttori a Corsidiguida.it, sono molteplici, e non sempre percepiti correttamente.

Con questa serie di articoli, redatti dal nostro “ingegnere di pista” LUIGI MITOLO, titolare di Motomisure, vogliamo fornire un servizio, che crediamo gradito a tutti gli affezionati lettori del BLOG, per integrare in modo professionale quelle nozioni che, di solito, si imparano un po’ empiricamente con l’esperienza sulla strada. Buona lettura.

WEB REPORTER: Massimo Bracchi

L’ing. Luigi Mitolo durante una lezione teorica a CORSIDIGUIDA.ITingegnere di pista,ducati motogp,luigi mitolo,motomisure,dinamica della moto,corsidiguida.it,lezioni teoriche,guida sicura,pista

LA LOTTA CONTRO L’ARIA

Tutto ciò che è nell’atmosfera è circondato dall’aria, invisibile, impalpabile, inafferrabile, di cui non ci si accorge della sua presenza finché si è fermi ma che comincia a imporre la sua forza e potenza man mano che si corre con velocità sempre crescente.

E’ noto ad ogni motociclista che aumentando l’andatura si avverta una pressione sul busto, sul casco, le gambe, sempre maggiore come se un qualcosa di invisibile spingesse su di noi e sulla moto per rallentarci. Questo qualcosa è l’aria; una sostanza dotata di una sua composizione, un suo peso e una sua densità. Una sostanza di cui bisogna assolutamente tenerne conto quando si vuole capire cosa succede a una moto che corre su una strada.

Semplificando il più possibile l’argomento si può affermare che una moto che corre a velocità costante su una strada rettilinea è soggetta a due tipi di forze aerodinamiche: la prima detta forza di resistenza (drag) che si oppone al moto di avanzamento e la seconda, forza di portanza (lift), che tende a sollevare la motocicletta. Tali forze sono applicate in un punto detto centro di pressione che generalmente è posizionato in prossimità del baricentro moto-pilota e più precisamente leggermente più in alto e in avanti.

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Entrambe le forze sono proporzionali alla densità dell’aria r (pari a 1.167kg/m2 alla pressione atmosferica di 987mbar e alla temperatura di 20°C), alla sezione frontale della motocicletta A, al quadrato della velocità V e a un coefficiente di resistenza aerodinamica C (che a seconda che si tratti della forza di drag o lift viene accompagnato dal pedice “D” o “L”). Volendo tradurre in una formule fisica quanto appena detto si potrebbe scrivere la seguente equazione:

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La forza di resistenza, unitamente alle forze di attrito tra pneumatici e strada, è equilibrata dalla spinta del motore. Questo vuol dire che se aumenta la spinta del motore, aumenta la velocità quindi la forza di resistenza aerodinamica che si oppone al moto. E’ facilmente intuibile che la velocità massima raggiungibile da un mezzo è legata dall’equilibrio, tra le altre cose, tra la massima spinta fornibile dal motore e la forza di resistenza aerodinamica. A parità di massima spinta fornibile, quindi di potenza erogabile dal motore, per aumentare ulteriormente la velocità massima non resta che agire sul prodotto C*A quindi sulla forma e la sezione frontale della moto. A questo punto è chiaro perchè una moto dotata di carena integrale è più facile che raggiunga velocità più elevate rispetto a una naked che invece opporrà un resistenza maggiore e a parità di potenza del motore raggiungerà sicuramente una velocità massima inferiore. Nel trattare questi argomenti diventa fondamentale la posizione che assume il pilota durante la guida. Per migliorare la penetrazione è indispensabile cercare di ridurre il più possibile la sezione frontale (vedi formula di sopra) motivo per cui è necessario appoggiarsi con il busto sul serbatoio cercando di stare all’interno dell’eventuale carena o cupolino.

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La forza di portanza, poiché è rivolta verso l’alto, tende a sollevare la moto, quindi a ridurre il peso principalmente sulla ruota anteriore e di conseguenza l’aderenza che, è bene ricordarlo, è proporzionale al peso che agisce sulla ruota. Sulle motociclette sportive attuali vengono condotti numerosissimi studi e migliaia di ore in galleria del vento per sviluppare la carena ottimale per massimizzare le prestazioni sia in termini di velocità massima che di aderenza dei pneumatici al suolo oltre a ridurre il più possibile i vortici lungo il fianco della moto che possono generare forze laterali che tenderebbero a rendere il mezzo instabile.

Nell’ambito delle moto da competizione gli studi aerodinamici vengono fatti anche in funzione dell’ottimizzazione dei flussi di aria che investono i radiatori dell’acqua e dell’olio al fine di migliorare il raffreddamento del motore.

Come è stato già accennato prima, l’influenza che il pilota ha sull’aerodinamica dell’insieme moto+pilota è elevatissima. Basti pensare che una posizione in sella non ottimale, ad esempio con i gomiti leggermente aperti, o il casco leggermente sollevato dal serbatoio possono ridurre anche di 20-30km/h la velocità massima. La posizione del pilota influisce anche sulla capacità della moto a girare cioè sull’imbardata. Infatti se si sposta il busto o semplicemente una gamba all’esterno della sezione della moto, si sposta lateralmente anche il centro di pressione delle forze aerodinamiche con la conseguente generazione di un momento, detto di imbardata, che tende a far ruotare la moto intorno ad un asse perpendicolare al suolo. Questo spiega perché ormai è diventata una prassi abituale per parecchi piloti di velocità allargare la gamba interna alla curva che si sta per affrontare.