F1 | Pneumatici e temperature

A cura della RedazioneF1Sport.it

Riceviamo e pubblichiamo

di Raffaele Russo

11 dicembre 2013 – Pneumatici e relazione con le temperature

Tutti noi appassionati di F1 ci siamo chiesti il perché è così importante portare in temperatura gli pneumatici. In questo articolo si vuole tentare di rendere più chiaro il principio di funzionamento degli pneumatici di F1 in relazione alle temperature di esercizio. Partiamo con alcuni concetti base.

Lo pneumatico è l’elemento di contatto del veicolo con la strada. Esso ha il compito di trasferire al veicolo le forze derivanti dalla sua interazione con il suolo e di assorbire parte delle asperità incontrate durante il moto. Si presenta come un toroide elastico (una ciambella di gomma per intenderci) aperto ai lati; è montato su un elemento rigido assial-simmetrico denominato cerchio (o cerchione), che costituisce il suo collegamento con il veicolo e con cui realizza il complesso della ruota. Il cerchio, a sua volta, è costituito da due elementi: il cerchio a canale, sui cui bordi (detti balconate) si attesta lo pneumatico, e il disco, che è l’elemento di collegamento della ruota al veicolo. Nella maggior parte delle applicazioni, disco e cerchio a canale sono realizzati in un unico elemento; in altre sono scomponibili per facilitare il montaggio dei vari elementi.

Lo pneumatico da Formula 1 è costituito da una carcassa, che ne garantisce la stabilità strutturale, e da un battistrada, responsabile dell’interazione con la strada. Riguardo la prima, essa sembra sia costituita sostanzialmente da tele di materiali polimerici quali nylon e rayon, il che garantisce un significativo risparmio di peso. Nulla si può dire, invece, sulle mescole utilizzate per il battistrada: la casa produttrice non ne rivela la composizione in quanto essa rappresenta uno degli elementi fondamentali per garantire le prestazioni dello pneumatico stesso. È plausibile comunque che sia composta da miscele di gomme sintetiche (quali Stirene-Butadiene) in percentuali variabili, con aggiunta di vari riempitivi, tra i quali il nero-fumo. Per quanto concerne le prestazioni meccaniche di uno pneumatico di Formula 1, queste sono fortemente influenzate dalla temperatura. Infatti ,progettato in modo da garantire prestazioni costanti in un ampio range di temperature, quello di Formula 1 lavora al meglio in un range molto stretto. In questo particolare intervallo lo pneumatico presenta elevatissima rigidezza a deriva, che si traduce in un’estrema reattività anche con piccoli angoli di deriva⁽¹⁾.

La struttura del copertone è un composito (vedi figura), essendo costituita da fibre (tondini in figura) flessibili, ma molto rigide e resistenti se sollecitati in direzione assiale, immerse in una matrice (immaginate dei stuzzicadenti immersi in una gelatina tutti disposti nella stessa direzione) di gomma molto deformabile e con elevate caratteristiche di attrito con il suolo. Per individuare degli intervalli di temperatura all’interno dei quali possiamo definire il comportamento di un elastomero⁽³⁾(immaginate una gomma naturale o caucciù) dobbiamo introdurre una parametro detto modulo di rigidezza statico⁽²⁾(detto in breve termini è un parametro che ci dice quanto un materiale è rigido). In particolare, a basse temperature, a causa della minore mobilità delle molecole, la gomma diventa rigida e fragile assumendo un comportamento vetroso, ed il modulo statico attinge i valori più elevati: questo comportamento interviene non appena la temperatura scende al di sotto di un certo valore detto “Temperatura di transizione vetrosa” (Tg – Glass transition temperature). Questo valore di temperatura appartiene a sua volta ad un intervallo detto “Regione di transizione”, all’interno del quale la gomma manifesta i cambiamenti di comportamento più sensibili, ovvero le variazioni di modulo più evidenti. A temperature particolarmente elevate, di contro, la gomma perde elasticità e viscosità, avvicinandosi ad un comportamento fluido (ma comunque ancora elastico), con conseguente riduzione del modulo. Dalla figura a lato è possibile notare che al variare della  temperature si possono individuare più regioni ognuna delle quali risulta caratterizzata da un particolare comportamento della gomma e a cui corrisponde un valore assunto dal modulo statico.  Naturalmente la regione fluida non viene considerata come regione di possibile impiego di una gomma.  Per quello che abbiamo appena detto si deduce che l’attrito della gomma è dipendente dalla temperatura. Gli pneumatici forniscono il grip massimo in un piccolo intervallo di temperatura, 85 – 135°C a seconda della mescola.  Durante il funzionamento, lo pneumatico può essere soggetto ad alcuni fenomeni, legati alla temperatura dello stesso, che generano un decadimento prestazionale attraverso diminuzione del grip.
Il graining è un fenomeno di fatica degli pneumatici. Esso è dovuto a sollecitazioni ad alta frequenza cui viene sottoposto lo pneumatico quando slitta ad alta velocità, quindi con elevate frequenze, sulle asperità dell’asfalto. Una delle cause può essere una guida aggressiva con uno pneumatico troppo morbido prima che lo stesso abbia raggiunto le normali temperature di lavoro. Tale fenomeno si manifesta usualmente quando la pista è sporca, o comunque non gommata. Il risultato del graining è l’abrasione della superficie dello pneumatico con la presenza delle tipiche “bench mark” dei fenomeni di rottura a fatica.
Blistering La gomma degli pneumatici, come tutti i polimeri, è sottoposta ad una fase di “cura”. Durante l’esercizio se la temperatura supera oltremodo i limiti di normale funzionamento (overheating) si può avere una trasformazione nella gomma che causa un ritorno ad uno stato precedente la cura. Quando il calore è generato all’interfaccia tra il pacco cintura ed il battistrada si ha una formazione locale di bolle (blister).

Il fenomeno dell’usura risulta correlato alla temperatura. Infatti, oltre al fatto che questa può modificare la rigidezza e quindi la resistenza del materiale favorendo tale asportazione di materia, l’usura genera una diminuzione dello spessore del battistrada potendo renderlo troppo sottile per generare calore e la temperatura dello pneumatico può diminuire uscendo al di fuori del range di lavoro per massimizzare il grip.

⁽¹⁾L’angolo di deriva, chiamato anche  Slip Angle è l’angolo formato fra l’asse longitudinale parallelo alla direzione delle ruote e la  “vera” traiettoria percorsa dal mezzo. Tale direzione è definita dalla traiettoria impostata e dalla reale direzione assunta dalla ruota (cerchio + pneumatico) durante la marcia. L’angolo di deriva è quindi un fenomeno influenzato da diverse cause: la forza centrifuga in curva, le forze generate dalla trazione, le forze che si creano durante una frenata,  le forze di contenimento (curva), l’inclinazione del piano stradale nonché il peso sulla gomma stessa.

⁽²⁾ La rigidezza k di un corpo che si deforma a distanza δ sotto una forza applicata P è definita secondo la relazione

⁽³⁾ Con il generico termine di elastomero si indicano le sostanze naturali o sintetiche che hanno le proprietà chimico-fisiche tipiche del caucciù (o gomma naturale), la più peculiare delle quali è la capacità di subire grosse deformazioni elastiche, ad esempio il poter essere allungati diverse volte riassumendo la propria dimensione una volta ricreata una situazione di riposo.

Raffaele Russo

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