Marco Ferrazzo

Laureato in Ingegneria Aerospaziale presso il Politecnico di Milano e attualmente studente di Ingegneria Aeronautica con indirizzo Aerodinamica. Entrato a far parte del team di Vehicle da dicembre 2018. Mi piace la natura e l'avventura, per questo amo il trekking in montagna, praticare arrampicata e immergermi in apnea.

ELEVATE, l’automobile in grado di camminare !

Durante il CES 2019 (Consumer Electronics Show) in corso in questi giorni (8-11 gennaio) a Las Vegas, Hyundai ha mostrato al pubblico un prototipo innovativo. Elevate infatti è un veicolo elettrico, dotato però di gambe robotiche. Lo scopo principale chiaramente non è quello di entrare nel mercato del trasporto privato, piuttosto quello di fornire un valido contributo in caso di calamità naturali.

Elevate
PH: newatlas.com

Si è ricercata quindi una soluzione potenzialmente efficiente che possa consentire un tempestivo supporto a seguito di alluvioni o terremoti.

Il vicepresidente di Hyundai, John Suh, ha così dichiarato: “Le prime 72 ore dopo un disastro naturale sono le più cruciali per salvare vite umane. I soccorritori devono affrontare il problema di come avvicinarsi alle zone colpite“. Si può quindi dire che “Elevate può affrontare questi scenari e superare inondazioni o detriti, la sua tecnologia va ben oltre le situazioni di emergenza e le possibilità sono davvero illimitate“.

 

Altre possibilità per Elevate

Oltre ad offrire la possibilità di operare in ambienti ostili, Elevate può anche configurarsi un ottimo mezzo per persone con invalidità. In questo modo il loro trasporto potrebbe essere più comodo e sicuro, in aggiunta al fatto di poter entrare nel veicolo direttamente con la sedia a rotelle.

Elevate
PH: motor1.com

Da questo punto di vista, Hyundai ritiene che le strutture sanitarie possano interessarsi al nuovo prototipo e sfruttarlo in futuro per i proprio pazienti.

 

Alcune caratteristiche di Elevate

Come possono essere raggiunti i precedenti scopi?

Elevate
PH: economictimes.indiatimes.co

Elevate è dotata di complesse sospensioni che possono essere regolate direttamente dal conducente su altezze diverse, ognuna adatta a differenti situazioni. Inoltre è presente un motore elettrico integrato su ogni ruota. Le gambe robotiche, oltre a possedere un sistema retrattile che consenta una guida normale, si presentano in una configurazione a 6 gradi di libertà che permette di compiere movimenti articolati e adattarsi al meglio alle asperità del terreno.

Consigliamo la visione del video a inizio articolo per comprendere meglio le potenzialità di questo prototipo.

Bugatti Chiron

Bugatti Chiron: cosa si nasconde dietro il record da 42″ ?

La Bugatti Chiron è una hypercar della casa automobilistica francese la cui produzione è iniziata nel 2016. Prima di analizzare il record ottenuto nel settembre 2017, vediamo alcuni parametri di base.

 

Caratteristiche tecniche & Prestazioni

La Chiron è lunga 4544 mm, larga 2038 mm e alta 1212 mm. Presenta un passo di 2711 mm e una massa di 1995 kg. In parte si è riusciti a risparmiare sul peso, imitando la precedente Veyron con un telaio e una carrozzeria completamente in fibra di carbonio.

La potenza massima che la Chiron riesce ad esprimere è di 1500 CV (ossia 1103 kW) a 6700 giri/min, grazie anche al motore con architettura W16 e ad una cilindrata di 7993 cm3

Bugatti Chiron
PH: motori.it
Bugatti Chiron
PH: cavallivapore.it

Un Record da 42″

Quali sono le velocità, accelerazioni e contributi aerodinamici che si nascondono dietro a questo record? Proviamo a suddividere la prestazione portata a termine da Juan Pablo Montoya alla guida della Bugatti Chiron.

 

0-100 km/h

Le prestazioni dichiarate dalla casa madre dicono che in soli 2.4 secondi venga raggiunta la velocità di 100 km/h con una partenza da fermo. Utilizzando la formula che lega accelerazione con tempo e velocità, è possibile calcolare l’accelerazione a cui sono sottoposti veicolo e pilota: a = Δv/Δt = 11.57 m/s2 (avendo convertito in opportune unità di misura).

Volendo relazionare questa valore di accelerazione con l’accelerazione gravitazionale, scopriamo che corrisponde circa a 1.18 volte g (assumendo g=9.80665 m/s2). Attenzione però a non farsi illudere: potrebbe sembrare un valore irrisorio se confrontato con i 4/5 g tipici della Formula 1, ma in realtà tali valori fanno riferimento a frenate  -quindi decelerazioni- oppure ad accelerazioni laterali. D’altra parte l’accelerazione “frontale” che la nostra Chiron raggiunge è di tutto rispetto, considerando che pochi veicoli sulla Terra sono in gradi di oltrepassare il valore di 1 g (infatti il limite è imposto da un Δt che deve essere inferiore a 2.83 secondi per raggiungere i 100 km/h).

 

100-200 km/h

La Bugatti Chiron impiega soltanto 3.7 secondi per passare da 100 a 200 km/h. Tempi impressionanti se si pensa ai comuni mezzi che siamo abituati a guidare. Infatti, in un periodo così limitato, riusciremmo a malapena ad inserire la terza marcia.

Un altro dato può essere ottenuto valutando lo spazio percorso. Se consideriamo nuovamente la partenza da fermo, abbiamo 6.1 secondi impiegati per raggiungere i 200 km/h. Questo corrisponde ad un’accelerazione media di 9.11 m/s2. In queste condizioni lo spazio necessario per raggiungere tale velocità è minimo:

Δs = 0.5 · a · t 2 = 170 m

Dal video sembrerebbero volerci circa 200 metri, ma teniamo conto che con queste performance basterebbero differenze di pochi decimi di secondo per variare facilmente alcuni dati.

 

200-400 km/h

Questo tratto è sicuramente il più impegnativo per la Bugatti Chiron. Il W16 continua a lavorare per incrementare la velocità. A tali regimi diventa molto significativo il contributo negativo offerto dalla resistenza aerodinamica. Ricordiamo che la resistenza varia in modo quadratico con la velocità, seguendo la relazione:

R = 0.5 · ρ · v · S · cx 

dove:

  • ρ è la densità dell’aria (1.225 kg/m3 in condizioni standard);
  • S è la superficie frontale del veicolo (2.48 m2 nel caso della Chiron);
  • Cx è il coefficiente di resistenza ottenuto con prove sperimentali in galleria del vento (0.38 in questo caso).

In questa situazione, al variare della velocità, è possibile vedere approssimativamente come cresce la resistenza aerodinamica (per esempio stiamo trascurando variazioni di assetto dovute all’alettone mobile):

Resistenza aerodinamica
Resistenza aerodinamica della Bugatti Chiron

Osserviamo che per velocità inferiori ai 200 km/h la forza resistente si mantiene al di sotto dei 2000 N. Avvicinandosi ai 400 km/h, la resistenza aerodinamica sfiora i 7000 N, che corrispondono circa a 700 kg di forza imposti dall’aria.

 

400-0 km/h

L’ultimo tratto è dominato da un’intensa frenata che arresta la Chiron in circa 10 secondi e 420 metri. Il pacco freni è sottoposto ad uno stress eccezionale che viene governato da tecnologie di derivazione Formula 1: dischi in materiale composito e pinze a 6 ed a 8 pistoncini in titanio.

A ridurre la velocità partecipa anche l’alettone posteriore. Questo aumenta il suo angolo di incidenza offrendo una superficie frontale maggiore, incrementando ancor di più la resistenza aerodinamica come se fosse un aerofreno.

Resistenza Aerodinamica
dal canale YouTube “Game Boy”, fluidodinamica di un alettone

 

Abbiamo analizzato questo tentativo di record mettendo in luce qualche valore in più per conoscere meglio la Chiron. Attenzione però: il record nel 0-400-0 attualmente appartiene alla Koenigsegg Agera RS con il tempo di 36.44 secondi, ma questa è tutta un’altra storia…

 

Motori V8, V10 e V12: cosa sono questi numeri ?

Dallo sviluppo dei primi motori a combustione interna si sono susseguite diverse tipologie di configurazione, tutte volte a migliorare le prestazioni tenendo sempre sott’occhio i costi e gli ingombri.

Vediamo meglio cosa significano queste lettere e numeri: nei motori a V la lettera “V” rappresenta proprio la configurazione con cui i blocchi dei cilindri sono tra di loro separati. Questi formano uno specifico angolo con il piano di mezzeria passante per l’asse dell’albero motore, pari alla metà dell’angolo formato da cilindri opposti.

Configurazione di un motore a combustione interna, configurazione a V
PH: wikipedia.it

L’angolo tra i cilindri può assumere valori più o meno accentuati, ma una configurazione particolare è quella a 90° che prende il nome di motore a “L”.

Configurazione di un motore a combustione interna, configurazione a V, V6
PH: wikiwand.com

Come forse si è già intuito dalle raffigurazioni precedenti, il numero indica la quantità di cilindri presenti, equamente distribuiti tra le due bancate del motore. Nella quasi totalità di applicazioni motoristiche si usano configurazioni con un numero pari di cilindri per garantire una miglior simmetria; fanno però eccezione alcune configurazioni V5 dove si ha una bancata da tre cilindri e una da due, sconveniente dal momento che non si riesce ad avere regolarità di funzionamento tra le varie fasi.

 

Fasi del motore 4T

Ripassiamo velocemente le fasi del motore benzina a quattro tempi (4T):

Elementi mobili e fissi in un motore 4T, ciclo 4T
PH: researchgate.it

aspirazione: inizialmente il pistone si trova al punto morto superiore (PMS). La valvola di aspirazione si apre, il pistone scende correndo lungo le pareti del cilindro fino al punto morto inferiore (PMI) e, per depressione, aspira un flusso d’aria che passando per il carburatore porta con sé benzina nebulizzata;

compressione: mentre entrambe le valvole sono chiuse, il pistone risale comprimendo la miscela aria-benzina ed aumentando la temperatura;

scoppio ed espansione: un impulso elettrico comanda la candela che genera una scintilla e provoca automaticamente uno scoppio all’interno del cilindro. In questo modo si ha una violenta espansione, durante la quale il pistone raggiunge nuovamente il PMI;

scarico: il pistone risale dal PMI al PMS spingendo i gas combusti ormai inerti attraverso la valvola di scarico che contemporaneamente si è aperta.

Una volta completato lo scarico, la valvola si richiude e il ciclo può ricominciare.

 

Coppia motore nelle diverse fasi

Appare evidente che solamente da una di queste quattro fasi (espansione, detta per questo motivo fase attiva) è possibile estrarre lavoro utile, mentre le altre tre svolgono un’azione passiva lavorando contro gradiente di pressione e assorbendo energia, soprattutto per contrastare gli attriti dei diversi componenti in movimento, comprimere la miscela aria-benzina e per scaricare all’esterno i gas inerti combusti.

Ma come è possibile sfruttare la combustione per ottenere moto se tre delle quattro fasi richiedono un dispendio energetico? Per rispondere a questa domanda è utile introdurre il seguente grafico che mostra un generico andamento della coppia motrice. Questa è un indice di contributo energetico, generato o speso durante un ciclo completo del nostro motore 4T:

Coppia motrice durante un ciclo, ciclo 4T
PH: kaemart.it

La coppia motore prodotta durante lo scoppio è evidentemente superiore alla coppia richiesta durante le altre tre fasi passive. Questo rende possibile sfruttare tutto il ciclo per poter ottenere lavoro utile e mantenere in rotazione l’albero motore.

Il grafico in particolare fa riferimento ad un singolo cilindro, quindi risulta chiaro che utilizzando un monocilindro è decisamente impossibile ottenere coppia costante; sfruttando invece più cilindri è possibile pensare ad uniformare questa situazione. Con 4 cilindri in linea (scelta più gettonata), sfalsati tra di loro di una fase, si riesce ad ottenere una coppia motrice abbastanza continua e sfruttare meglio il ciclo. Configurazioni V8, V10 e V12 estremizzano questo concetto e cercano di rendere costante la coppia motrice durante tutto il funzionamento.

 

Vantaggi e svantaggi

Ma quali sono i reali vantaggi introdotti con la configurazione dei motori a V? Proviamo a confrontarlo con un classico motore a pistoni in linea, tipica geometria adottata sui veicoli che vediamo quotidianamente in città.

A parità di cilindrata (volume d’aria teoricamente aspirato durante un ciclo, quindi variazione di volume tra il PMS e il PMI) il motore a V si mostra più compatto. E’ infatti possibile ottenere un motore più corto con un baricentro più basso, talvolta migliorando anche il bilanciamento. D’altra parte bisogna anche prevedere una duplicazione di molti organi, con tutte le conseguenze collegate al costo di produzione e riparazione, e alla complessità di progetto.

In questo caso è anche necessario tener conto che l’estensione dei cilindri non è più soltanto lungo la verticale, come avviene in una configurazione di pistoni in linea, ma ha anche una componente orizzontale: questo si traduce in un maggior ingombro trasversale.

 

Alcune curiosità

Nei motori più complessi – ma in generale in tutti – è necessario prevedere uno schema di accensione, ossia una sequenza ben definita con cui si innesca la combustione all’interno dei vari cilindri. In ogni differente motore la sequenza di accensione consigliata è indirizzata a ottenere una coppia regolare, evitando al tempo stesso la generazione e propagazione di vibrazioni. In un 4 cilindri gli schemi di accensione sono tutti simili, mentre in un V12 le possibilità sono decisamente maggiori:

Motori V12 Lamborghini Aventador, schema di accensione
PH: exhausted.ca

Quello in figura è lo schema di accensione di un motore V12 di una Lamborghini Aventador, dove i vari numeri indicano appunto la sequenza precisa studiata durante il progetto: l’ottimizzazione di motori ad alto contenuto tecnologico passa necessariamente anche attraverso particolari sottigliezze.

 

 

 


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