Mass Damper: cos’è e come funziona ?

Il Mass Damper, conosciuto in italiano anche come assorbitore dinamico, è un dispositivo che viene montato su diverse tipologie di strutture al fine di attenuare effetti negativi derivanti principalmente da vibrazioni.

Su quale concetto si basa? Lo scopo del mass damper è quello di trasferire l’energia introdotta da un campo di forze in un sistema vibrante, mandando volutamente una parte in risonanza per far sì che la restante porzione di sistema sia mantenuta in quiete.

E’ fondamentale osservare che l’assorbitore dinamico, come il nome stesso fa intuire, non dissipa energia. Al contrario invece, esso assorbe l’energia associata al movimento forzato del sistema in esame e tende a confinarla, sottoforma di energia cinetica ed energia potenziale elastica, in una parte del sistema stesso.

Di casi pratici ne esistono parecchi, dall’automobilismo alle costruzioni, dalle linee elettriche ai generatori eolici: proveremo ad analizzarne qualcuno.

 

 

Principio fisico del Mass Damper

Il sistema può essere semplicemente schematizzato con due masse. La prima, m₁, rappresenta la parte di sistema su cui si vuole ottenere l’effetto smorzante, ossia un’attenuazione delle oscillazioni. La seconda, m₂, rappresenta il vero e proprio mass damper, inserito nel sistema per arginare l’effetto negativo delle vibrazioni e collegato direttamente con m₁.

E’ molto importante tener conto che un sistema del genere viene adottato dal momento che non è possibile inserire uno smorzatore tra m₁ e il terreno. L’unico effetto smorzante è quello intrinseco del sistema, che per sua natura può risultare molto limitato.

 

E’ presente una forzante F₁ di vario genere che agisce sulla massa principale del sistema con una determinata pulsazione. In generale si può dimostrare che esiste una particolare frequenza propria della massa m₂ per la quale, una volta inserita nel sistema, il precedente picco di risonanza di m₁ viene tagliato (viene reso nullo dall’antirisonanza dovuta all’aggiunta di m₂).

Dal grafico successivo è possibile osservare i benefici che si possono ottenere. La risposta in frequenza tratteggiata di nero è quella che si avrebbe nel caso di solo utilizzo di m₁. Se si aggiunge il mass damper si ottengono sì due picchi di risonanza (contro uno del caso precedente), ma ora nulla vieta di inserire uno smorzatore tra m₁ e m₂ per limitare notevolmente l’ampiezza dell’oscillazione.

Il risultato pratico lo si può notare immediatamente dall’esempio sottostante:

 

Mass Damper in Formula 1

Veniamo a noi parlando di come il mass damper sia stato utilizzato in passato nelle monoposto di F1.

 

Contesto

Questa tecnologia venne utilizzata per la prima volta dalla Renault nel Gran Premio d’Italia del 2005. Inizialmente passò inosservato come utilizzo, ma improvvisamente la FIA (Fédération Internationale de l’Automobile), dopo il GP di Francia del 2006, decise di ritenerlo illegale e ordinò la rimozione anche alle altre scuderie che nel frattempo avevano deciso di adottarlo.

Grazie anche alla sollecitazione di alcuni team svantaggiati dal non utilizzo, la Federazione decise di abolirlo in quanto lo considerò un dispositivo mobile aerodinamico. Nel regolamento infatti era espressamente vietato l’utilizzo di componenti mobili per trarre benefici aerodinamici, ma questa imposizione era prevalentemente destinata al divieto di possibili superfici mobili, come l’attuale DRS (Drag Reduction System).
Il regolamento tecnico infatti recitava:

Art. 3.15 – Aerodynamic influence: […]any specific part of the car influencing its aerodynamic performance […]:
– must be rigidly secured to the entirely sprung part of the car (rigidly secured means not having any degree of freedom)
– must remain immobile in relation to the sprung part of the car

Utilizzo del Mass Damper in Renault

L’ingegnere a cui si deve l’invenzione di tale sistema è Rob Marshall. Il mass damper in questione è costituito da una massa di circa 9 kg sospesa tra due molle e posta nel musetto anteriore della vettura.

 

 

 

Il mass damper in questo caso nasceva con lo scopo di stabilizzare la front wing in ogni condizione del tracciato. In altri termini si voleva ottimizzare il comportamento della vettura in curva e nel passaggio sui cordoli, minimizzando il beccheggio dell’ala anteriore. Così facendo si riusciva a stabilizzare il flusso aerodinamico che investiva il resto della monoposto, rendendola più gestibile grazie ad un carico aerodinamico più costante e ad un miglior consumo delle gomme.

Dal successivo grafico si può vedere come il mass damper agisca per smorzare le oscillazioni:

 

In blu è raffigurato l’andamento dell’oscillazione del musetto in assenza di mass damper. Con il fucsia invece si nota il contributo che darebbe il mass damper nelle stesse condizioni precedenti (asperità dell’asfalto). In giallo infine abbiamo il comportamento risultante, le cui oscillazioni sono ridotte circa del 60%.

 

Altri utilizzi del mass damper

Edifici

Gli edifici, tra cui i grattacieli caratterizzati da un’elevata altezza, sono facilmente soggetti ad oscillazioni dovute a raffiche di vento o a scosse di terremoto.

L’utilizzo del mass damper in questi casi può essere un fondamentale contributo strutturale di sicurezza. Questo è il caso del Taipei 101, un edificio alto oltre 500 metri in cui è installato il più grande mass damper del mondo.

 

Il principio fisico su cui si basa è sempre lo stesso. In questo caso m₂ risulta essere la sfera di acciaio di circa 700 tonnellate sostenuta da otto ammortizzatori idraulici. Le oscillazioni massime possono essere dell’ordine di 1.5 metri e contrastano ottimamente gli effetti del vento e dei terremoti sull’edificio.

 

Stockbridge Dampers

Si tratta in questo caso di piccoli sistemi collegati alle linee elettriche ad alta tensione. Lo scopo è sempre il medesimo, ossia cercare di prevenire e attenuare le oscillazioni dei cavi elettrici.

In questo caso m₂ è lo stockbridge damper, mentre m₁ è il cavo elettrico.