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Nei recenti test pre-campionato di Formula1 in Bahrain, sono stati visti alcuni tecnici delle squadre utilizzare uno strano strumento a forma di pistola sulle gomme, poco prima che le vetture entrassero in pista.
La ‘pistola’ è stata ideata e sviluppata dal Gruppo di Ricerca di Dinamica del Veicolo dell’Università Federico II di Napoli. VESevo è l’acronimo di Viscoelasticity Evaluation System Evolved, ma anche un omaggio all’antico nome del vulcano Vesuvio.
Vesevo raccoglie informazioni sul battistrada per capire il comportamento dello pneumatico in pista. Con un algoritmo di post-elaborazione dei dati, lo strumento consente ai tecnici di analizzare le proprietà fisiche del pneumatico. Si ottengono migliori informazioni di temperature interne, rigidità della mescola e usura. I dati riportati su grafici (analizzati in seguito) sono utilizzati capire quale impatto la temperatura del pneumatico e la superficie della pista stanno avendo sulle prestazioni e sulla durata della gomma. Queste informazioni possono aiutare le squadre nella scelta della corretta mescola per la gara. Nonostante i fornitori, Pirelli in Formula1 e Michelin in MotoGP forniscano informazioni sul range di lavoro degli pneumatici, non è raro che il reale comportamento della gomma sia diverso da quello previsto.
La pistola che in realtà è un martello
L’ergonomia della pistola consente di effettuare un elevato numero di prove con buona ripetibilità. Condizione necessaria per poter confrontare i dati acquisti. All’interno dello strumento scorre un’asta in acciaio precaricata da una molla. L’estremità del penetratore che ‘martella’ la gomma è di forma semisferica; in maniera simile a quanto avviene nella prova di durezza Brinnel. La differenza sostanziale è che VESevo non lascia nessuna impronta permanente sul battistrada. L’asta è libera di rimbalzare dopo l’impatto così da poter trascurare lo smorzamento. La ripetibilità della prova è assicurata da un meccanismo di tenuta/sgancio in grado di posizionare la piastra superiore dell’asta sempre nella medesima posizione iniziale.
Il segnale dello spostamento dell’asta viene acquisito tramite un sensore ottico, vantaggioso per le sue ridotte dimensioni. Per ogni singola prova è misurabile anche la temperatura del battistrada con un pirometro ad infrarossi. L’acquisizione e la successiva analisi dei dati attraverso algoritmi di elaborazione permettono di caratterizzare il comportamento viscoelastico.
Oltre all’hardware, oggetto di brevetto, anche il software è stato internamente sviluppato (in ambiente Lab View) dal Gruppo di Ricerca. La personalizzazione permette di ‘pulire’ i dati grezzi da eventuali anomalie di acquisizione. Durante i test la temperatura della gomma pertanto vengono effettuate tre acquisizioni consecutive alla stessa temperatura per avere sufficienti dati ai fini statistici.
Analizzando i due grafici sopra si nota una diversa risposta dell’asta al variare della temperatura. In quello di sinistra si osserva che a basse temperature diminuiscono sia il numero di rimbalzi che l’ampiezza. L’effetto viscoelastico del battistrada si ripercuote con un comportamento opposto all’aumentare della temperatura. Il grafico di destra mostra, in funzione della velocità dell’asta, una diversa pendenza della curva prima e dopo la massima penetrazione nel battistrada. Il motivo è il rimbalzo su una superficie viscoelastica che modifica la risposta alla sollecitazione.
Come si comporta un pneumatico che è un materiale viscoelastico?
Come appena descritto, la conoscenza della viscoelasticità della mescola permette una più accurata descrizione del modello asfalto-pneumatico. Utile anche per effettuare una previsione del coefficiente d’attrito sia in termini di sicurezza su strada che mirata alle prestazioni in pista.
Nel Motorsport la fornitura delle gomme contingentate non permette di effettuare test invasivi a seguito dei quali la gomma non sarebbe più utilizzabile. VESevo essendo uno strumento non distruttivo e di immediato utilizzo, amplia le prospettive di ottimizzazione della dinamica del veicolo direttamente sui campi di gara. La ‘martellata’ che viene inflitta al battistrada non va ad influenzare le performance della gomma stessa.
Un materiale viscoelastico ha un comportamento intermedio tra uno puramente elastico, che rispetta la legge di Hooke, e tra uno puramente viscoso che rispetta la legge di Newton sulla viscosità. Ciò vuol dire che il materiale sottoposto ad uno sforzo si deformerà in funzione sia del tempo che della temperatura. La risposta del materiale risulterà in ritardo, sfasata rispetto alla sollecitazione. La relazione dell’analisi della risposta, che esprime la resistenza alla deformazione, è un modulo complesso composto dalla somma di due fattori. La parte reale, storage modulus, indica la capacità di immagazzinare energia durante la sollecitazione. La parte immaginaria, loss modulus, indica la perdita di energia sotto forma di calore. Questo fornisce un importante ausilio sulla previsione del grip e sull’usura del battistrada.
L’analisi meccanica dinamica (DMA), che si occupa della studio della viscoelasticità, necessità però dell’utilizzo di provini di materiale testati su specifici macchinari. Questa applicazione non può essere impiegata sulle gomme essendo dei test distruttivi. VESevo permette di analizzare le proprietà viscoelastiche del materiale in funzione della temperatura senza essere costretti a tagliare gli pneumatici.
Un esempio: tre mescole a confronto
Un indice preliminare di comportamento viscoelastico può essere definito, attraverso VESevo, come la variazione dell'energia cinetica dello stelo prima e dopo la prima impronta, entro l'intervallo di temperatura per ogni pneumatico testato. L’energia cinetica è l’energia che possiede un corpo in movimento ed è proporzionale con il quadrato della velocità.
Megaride spiega che tale indice è stato scelto per questa analisi preliminare per la sua coerenza fisica con il concetto intrinseco di dissipazione dovuto alla viscoelasticità e per il buon adattamento alle curve di riferimento disponibili del fattore di perdita.
Nel grafico in alto, l'indice viscoelastico (la variazione di energia cinetica) di tre mescole di riferimento del pneumatico (A, B e C) in funzione della temperatura insieme alle loro curve di adattamento. Gli andamenti mostrano una buona correlazione con quelli del fattore di perdita, che sono normalizzati per riservatezza industriale (grafico sotto).
Si nota un picco di corrispondenza con la temperatura di transizione vetrosa alla quale si verifica la massima perdita di energia. La mescola C ha un picco del fattore di perdita più elevato rispetto agli altri. Il pneumatico B mostra una temperatura di transizione vetrosa più bassa, la curva è traslata a sinistra rispetto alle altre due.
Fonte: megaride.eu; VESevo: An Innovative Device For Non-Destructive Viscoelasticity Characterization – Antonio Maiorano
