Imbardata, beccheggio e rollio

Progettazione di un’auto da corsa: Imbardata, Beccheggio e Rollio 

Nel precedente articolo abbiamo valutato gli effetti su un corpo in movimento rettilineo (click per saperne di più), analizzando semplicemente resistenza e deportanza di un corpo in movimento rettilineo in condizioni di piano orizzontale perfetto, senza trattare i fenomeni che intercorrono nel momento della partenza, della frenata, e in presenza di un moto circolare. 

Ma cosa succede nel momento in cui il corpo deve percorrere un moto circolare?

Come abbiamo visto, l’aerodinamica dell’auto viene studiata in condizioni ottimali, cioè con l’auto che non viene sottoposta ai generali spostamenti del centro di massa; questo perché l’aerodinamica ha il compito di creare deportanza, ma non tiene conto della variabilità dello spostamento del centro di massa, che inevitabilmente varia e condiziona lo sfruttamento delle forze aerodinamiche. 

Cosa bisogna sapere, dunque, riguardo ai fenomeni fisici che impediscono ad un’auto e al suo conduttore di percorrere alla massima velocità una curva, indipendentemente che questa sia veloce o lenta? 

I fenomeni fisici da prendere in considerazione sono principalmente tre: 

• Imbardata
• Beccheggio
• Rollio

– Imbardata 

L’imbardata rappresenta l’oscillazione di un veicolo intorno a un asse verticale passante per il baricentro del mezzo. 

Cos’è il baricentro?

Il baricentro rappresenta il centro di massa. Questo nome, che etimologicamente significa centro del peso, deriva dal fatto che quando un corpo è immerso in un campo di gravità uniforme, come avviene sulla superficie terrestre, dove l’accelerazione di gravità si può ritenere costante, allora il moto del baricentro è equivalente al moto di caduta, sotto l’azione della forza peso, di un punto materiale in cui fosse concentrata la massa totale del corpo. 

Ipotizziamo dunque di vedere l’auto da corsa in tutta la sua completezza. Il centro materiale in cui si concentra la massa totale del corpo, che interagisce con la forza di gravità,  è calcolato tenendo conto di tutti i pesi e le relative altezze da terra di tutti i componenti che troviamo su tutta la linea orizzontale e verticale della vettura, compreso il pilota. 

Per semplificare, supponiamo di avere solo quattro pesi uniformi, cioè uguali, di cui due disposti su asse verticale anteriore su due piani, che denominiamo A e B, e due su asse verticale posteriore, che denominiamo C e D. 

A C

E

B D 

Con questo semplice schema possiamo notare che la E rappresenta il centro di massa dei pesi presi in considerazione, dato che questi sono legati tra loro. Dunque, semplificando, il centro E rappresenta il punto in cui tutta la struttura, composta dai pesi A, B, C e D, è attratta a terra per effetto della forza di gravità. 

Questo studio è importante, dato che in determinate condizioni, il centro di massa E si sposta verso uno dei due assi, comportandosi come un pendolo. 

Quindi in fase di accelerazione avremo il punto E che si sposta sull’asse posteriore: 

A C

E

B D 

E in fase di frenata avremo il punto E che si sposta sull’asse anteriore: 

A C

E

B D 

Questo determina il beccheggio, fenomeno di cui parleremo successivamente. 

Ora ipotizziamo la stessa cosa prendendo in studio la distanza tra le ruote posizionate nei due assi anteriore e posteriore, ipotizzando di vedere l’auto dall’alto. Quindi avremo la gomma anteriore Sx che chiameremo F, quella Dx che chiameremo G, quella posteriore Sx che chiameremo H, e quella Dx che chiameremo I. 

F G

E

H I 

Con la nostra E che rappresenterà sempre il centro di massa o baricentro. In fase di accelerazione e frenata si creerà il fenomeno di cui abbiamo parlato, ma in fase di percorrenza di curva, la E si sposterà attorno all’asse del baricentro (da non confondere con il rollio, di cui pareremo dopo). 

F G

E 

H I 

Oppure: 

F G

E 

H I

A seconda della curva, se destra o sinistra, e della velocità di percorrenza. 

Dunque il fenomeno dell’imbardata, in definitiva, si viene a creare nel momento in cui l’asse anteriore e quello posteriore del mezzo oscillano velocemente a destra e sinistra tenendo come punto di riferimento il baricentro dell’auto, portando il veicolo fuori dal controllo del conducente, creando il fenomeno più comunemente conosciuto col termine testacoda. 

A determinare il fenomeno dell’imbardata è l’aderenza degli pneumatici, la distanza tra i due assi anteriore e posteriore (passo) e la distanza tra le ruote di uno stesso asse (carreggiata), ovvero le dimensioni caratteristiche del veicolo. 

In condizioni di fornitura unica delle mescole degli pneumatici per tutti i team, è dunque necessario calcolare correttamente passo e carreggiata dell’auto, che inevitabilmente influiranno sul baricentro a causa del posizionamento delle masse non sospese, che influiranno sugli effetti dello spostamento di massa, e quindi sul carico e sull’effetto aerodinamico della vettura. 

Potete dunque intuire come già iniziamo ad aggiungere dati che sono rilevanti nella progettazione e nel bilanciamento dell’auto sia in condizioni di avanzamento, sia in condizioni di percorrenza della curva. A questo dobbiamo unire i fenomeni del beccheggio e del rollio. 

– Beccheggio 

Nel campo delle automobili, il beccheggio è costituito dall’inclinazione del muso e/o della parte posteriore della vettura durante le fasi di accelerazione o frenata in maniera incostante e irregolare. 

In particolare se si accelera improvvisamente, specialmente da fermo, il muso del mezzo tende ad alzarsi, mentre la parte posteriore si abbassa per effetto dello spostamento del centro di massa verso l’asse posteriore, formando il fenomeno del beccheggio. In caso di frenata brusca il muso tende ad abbassarsi, con la parte posteriore che si alza per effetto dello spostamento del centro di massa verso l’asse anteriore. 

Il beccheggio dipende da vari fattori, tra cui la rigidità delle sospensioni (minore è la rigidità, maggiore è la propensione al beccheggio), la misura degli sbalzi anteriore e posteriore della vettura in rapporto alla lunghezza complessiva del mezzo (maggiore è tale misura, maggiore è la possibilità di avere un beccheggio accentuato) e dal fatto che la vettura sia a trazione anteriore o posteriore. 

Ricorderete, se avete letto il precedente articolo (click qui), quanto sia importante per il corretto funzionamento dell’aerodinamica, che la vettura non abbia eccessivi trasformazioni dell’altezza del veicolo da terra, dato che questo influisce poi nell’utilizzo dell’effetto venturi che crea il fenomeno della deportanza. 

Tuttavia, per quanto riguarda gli alettoni, componenti che rappresentano gli sbalzi di cui abbiamo parlato, bisogna sapere che questi, oltre a determinare il flusso d’aria che viene utilizzato per caratterizzare l’aerodinamica del veicolo, e quindi la deportanza nel caso dell’alettone anteriore, possiedono altresì una funzione di bilanciamento dell’auto. 

Dunque, come vedete, si aggiunge un altro dato che comporta poi il corretto bilanciamento dell’auto in condizioni di avanzamento e percorrenza della curva. 

– Rollio 

Per rollio si intende l’oscillazione di un veicolo intorno al suo asse verticale. Questo fenomeno viene a crearsi quando, percorrendo una curva, il lato della vettura più vicino al centro della curva tende ad abbassarsi verso il suolo, mentre quello opposto tende a sollevarsi; ma poiché per effetto della forza centrifuga si verifica un trasferimento del centro di massa verso le ruote esterne rispetto al raggio della curva, ecco che si viene a creare quest’oscillazione. 

In fase di sterzata, un’auto, che è in movimento e che ha una forza di inerzia o di accelerazione, per far si che rimanga all’intero dell’ipotetica circonferenza dettata dal raggio della curva, dobbiamo prendere in considerazione e in studio due forze molto importanti: la forza centripeta e quella centrifuga. 

La forza centripeta è utile per far si che il corpo vettura possa rimanere all’intero dell’ipotetica circonferenza dettata dal raggio e dall’ampiezza della curva, contrastando l’effetto della forza centrifuga che porta il corpo vettura verso l’esterno del raggio. 

Comprendiamo meglio, e in maniera molto pratica, cosa sono le forze centripete e centrifughe (tenendo presente che non è una lezione universitaria e che quanto scritto è semplificato per far capire in maniera semplice e intuitiva a tutti il funzionamento di determinate forze). 

Il ruolo della forza centripeta è visibile, per esempio, nel lancio del martello, dove l’atleta fa ruotare una sfera metallica in un moto circolare uniforme, salvo poi, improvvisamente, lasciare la presa per scagliare lontano la sfera. Inizialmente la sfera tende per inerzia a muoversi in linea retta lungo la tangente della circonferenza che si viene a creare tra l’atleta e la sfera, ma l’atleta la tira verso di sé la sfera, obbligandola continuamente a modificare la direzione della velocità. La forza verso il centro serve quindi a mantenere la sfera su un’orbita circolare, impedendo che sfugga lungo la tangente, come accade quando l’atleta la lascia andare. 

Nel caso dell’automobile che curva, la forza centripeta è data dalla forza di attrito tra il pneumatico e la strada. Questo, per altro, fa sì che la gomma cambi l’angolo di deriva, ovvero l’angolo formato dalla linea della traiettoria con la linea del rotolamento della gomma. 

Ed ecco perché diventa fondamentale lo sfruttamento della campanatura del pneumatico, vale a dire la misura dell’angolo compreso tra la verticale e il piano di mezzeria della ruota, osservando il veicolo frontalmente e con due ruote in posizione di marcia rettilinea. 

L’angolo di campanatura deve essere regolato (quando è possibile) in relazione alla velocità di percorrenza delle curve, o per essere precisi, al rollio della vettura; ad esempio nelle curve veloci, ad alto rollio, è necessario un angolo di camber molto alto, vicino ai 2-3 gradi, mentre per quelle lente è meglio diminuirlo per aumentare l’aderenza dell’asse. Dall’angolo di campanatura dipende anche la corretta usura degli pneumatici ed il comportamento della vettura in curva. 

Dunque, in definitiva, per far si che non sia eccessiva la campanatura della gomma e il suo degrado per effetto del rollio, si può intuire che il comportamento del veicolo è legato anche all’interazione tra i gruppi sospensivi, quindi alle dinamiche e cinematismi del sistema, da cui dipendono differenti movimenti della scocca. 

In questo articolo abbiamo conosciuto dunque i fenomeni di imbardata, beccheggio e rollio. Nel prossimo valuteremo ciò che è fondamentale sapere per ridurre tali fenomeni permettendo all’auto un corretto avanzamento con la minima resistenza, tenendo presente però che lo studio aerodinamico inciderà sulla progettazione delle masse sospese e quindi del conseguente spostamento del centro di massa nelle condizioni inerenti ai tre fenomeni fin qui citati. 

Ed inizieremo dunque a fare la conoscenza degli strutturisti, cioè ingegneri progettisti che hanno un ruolo fondamentale nella progettazione di un’auto da corsa, ma di cui non si parla quasi mai, e vedremo come anche un motore incide fortemente sullo spostamento del centro di massa e sull’effetto aerodinamico. 

Autore: Fulvio Conti 

Immagini: Mercedes – Ferrari

Un ringraziamento a Simone Ferraro per le grafiche.