Resistenza al rotolamento: come si genera e possibile soluzione con pneumatici Energy

Il moto dei veicolo è molto dispendioso dal punto di vista energetico perché sono molteplici le forze che si oppongono ad esso: durante la salita avremo sicuramente la forza di gravità, ma non dobbiamo dimenticare la resistenza aerodinamica, i vari attriti interni dei cinematismi meccanici e la spesso sottovalutata resistenza al rotolamento.

Questa forza tiene conto principalmente della deformabilità dello pneumatico e di come si distribuisce la pressione durante il contatto con il terreno.

Comportamento elastico dello pneumatico

Lo pneumatico stesso, in quanto materiale non infinitamente rigido, presenta una propria capacità di deformazione; supponendo di osservare un singolo punto sulla circonferenza della ruota è possibile mostrare l’andamento delle forze a cui è soggetto durante la rotazione:

Si individuano due fasi, una di carico e una di scarico: la prima inizia con l’istante in cui il punto in questione entra in contatto con il terreno e termina quando si trova esattamente lungo la verticale passante per il centro ruota; la seconda invece parte da questo istante e termina quando il punto in esame non ha più contatto con il terreno, quindi quando non è più presente una reazione.

Si nota immediatamente che le forze che si generano durante la fase di carico sono maggiori di quelle ottenute durante lo scarico. In una grafico Forza-Allungamento, come quello precedente, l’area sottesa dalla curva individua un termine energetico: si può quindi affermare che l’energia assorbita dallo pneumatico durante la fase di carico è maggiore di quella rilasciata durante la fase di scarico. Dunque parte di questa energia è necessariamente persa, principalmente sottoforma di dissipazione di calore.

Il caso ideale è rappresentato da un materiale lineare – elastico in cui le curve di carico e di scarico (in questo caso rappresentate da semplici tratti rettilinei) sono esattamente sovrapposte, in modo tale da non mostrare dissipazioni energetiche.

Il caso reale porta inevitabilmente ad una distribuzione di pressione non simmetrica, ma sbilanciata nel verso del moto:

Questo fenomeno è noto come isteresi del materiale, ossia dovuto ad un’elasticità ritardata.

Modello di corpo rigido

Per studiare in modo semplificato il problema si usa spesso il modello di corpo rigido che assume l’esistenza di un solo punto di contatto con il terreno. Allo stesso tempo non si vuole trascurare la reale resistenza al rotolamento, ed è per questo motivo che si utilizza un’accortezza: la distribuzione di pressione viene riassunta in un’unica componente di forza concentrata N (dovuta alla reazione col terreno) che non agisce lungo la retta passante per il centro ruota ma spostata anteriormente, rispetto al moto, ad una distanza U.

Tale distanza può essere calcolata moltiplicando il coefficiente sperimentale di resistenza al rotolamento f_v per il raggio R della ruota: U = F_v · R

Questo discorso si traduce nella sconveniente formazione di una coppia C resistente al moto (quindi opposta al verso di rotazione) data dal prodotto tra la reazione N e il braccio U (calcolata con un equilibrio alla rotazione rispetto al centro ruota): C = N · U

Come gestire il coefficiente di resistenza al rotolamento

Diversi sono i fattori che influiscono sulla resistenza, vediamone alcuni:

• pressioni di gonfiaggio differenti da quelle ottimali aumentano i consumi;
• velocità di deformazione elevate, quindi velocità di marcia elevate, aumentano la resistenza;
• fianchi rigidi della gomma riducono la deformazione al contatto e riducono la resistenza al rotolamento.

Energy Saver

Differenti case costruttrici hanno ideato degli pneumatici definiti “Energy-saver“, in grado di ridurre la resistenza e ottimizzare il consumo di carburante. Tendenzialmente questi pneumatici sfruttano una mescola con una composizione differente che replica al meglio il comportamento lineare – elastico in un grafico Forza-Allungamento; questo avviene grazie ad una mescola poco viscosa, ossia a basso contenuto di silice o con catene più allungate, e con uno smorzamento minore.

Da questo video sembrano essere sufficientemente favorevoli:

https://www.youtube.com/watch?v=LtcaIP8z9zY, ma soffermiamoci a considerare qualche numero in più.

Lo studio arriva a concludere un risparmio annuo di 1870 € di carburante, ma ad un certo punto del video appare la seguente scritta:

calcolo basato su una percorrenza di 130000 km/anno nell’impiego di lunghe percorrenze; prezzo medio del carburante: 1€/litro; differenza media sui consumi 1.4litri/100km

Per poter considerare effettivamente quanto valga in termini percentuali questo risparmio economico bisogna considerare altri aspetti:

• un autoarticolato simile a quelli che si vedono nel video può arrivare tranquillamente a consumare 30-35 litri/100km (3 km percorsi con un litro di gasolio).
• in Italia, al netto di IVA e sconto accise, difficilmente il prezzo medio del gasolio è al di sotto di 1.1 €/litro.

Solo con queste preliminari valutazioni, i litri annui consumati sarebbero circa 130000km / (3km/litro) = 43 333litri, e tenendo conto di un di 1.1€/litro otterremmo una spesa media annua di 1.1€/litro * 43 333litri = 47 666.3€ .

Ora, considerando i quasi 48 000 € di spesa effettiva, i 1870 € teorici si concretizzano circa in un risparmio, sovrastimato, del 4% annuo, probabilmente minore di ciò che ci si poteva aspettare all’inizio della trattazione.

Considerazioni finali

Una volta aver ottenuto questi risultati bisogna anche considerare altri aspetti ugualmente interessanti: un esempio può essere l’attrito a terra, il quale è caratterizzato sia da una questione di aderenza chimica tra gomma e asfalto che dalla viscosità stessa della gomma. Riducendo quest’ultima a favore dei consumi, si hanno inevitabilmente tenute laterali inferiori e spazi di arresto più lunghi.

In conclusione si tratta sempre di dover trovare un compromesso tra consumi e sicurezza alla guida: spesso è possibile ottenere gli stessi punti percentuali di risparmio carburante solamente con un periodico controllo della pressione delle gomme, riuscendo quindi ad escludere l’inconveniente della diminuzione di aderenza.

Se volete informarvi maggiormente sui vari tipi di pneumatici, provate a dedicare qualche minuto anche qui:

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