Pneumatici e Formula 1: spiegazioni e dettagli tecnici

Dal prossimo sostanziale cambiamento regolamentare in Formula 1, gli pneumatici impiegati diventeranno da 18”, contro gli attuali 13”. Tra le modifiche, oltre all’aumento del diametro totale, ci sarà una diversa costruzione ed una rigidità della spalla maggiore, che potrebbe modificare il comportamento delle monoposto e le performance totali. 

Alcune caratteristiche degli pneumatici

Lo pneumatico è l’unica componente della vettura a contatto con l’asfalto, quindi è facile capire quando sia importante non solo per la sicurezza ma anche per l’espressione delle massime performance ottenibili da un veicolo. Ogni pneumatico, che è in continuo contatto con il manto stradale, ha continuo scambio di spinte con la strada stessa, e queste variano non solo in base alla superficie di contatto con il suolo ma anche in base alla deformabilità ed alla rigidità dello pneumatico stesso. 

Le spinte non sono uniformi lungo tutto l’area di contatto, infatti risultano essere molto superiori nella zona anteriore della zona di contatto, ecco perché nei battistrada con disegno asimmetrico è importante il senso di rotazione. L’effetto è che la risultante di tali pressioni non passa per il centro di rotazione della ruota ma è spostata nel senso della direzione di marcia. Le forze, quindi, si spostano verso il senso di marcia, e questo genera una forza definita ‘momento’ che si oppone al rotolamento.

A queste forze, vanno ad aggiungersi due fenomeni molto importanti detti isteresi ed adesione.
Questi due fenomeni sono sempre presenti, ma si manifestano prevalentemente in condizioni differenti. 

L’Isteresi è la capacità dello pneumatico di adattarsi alle irregolarità del manto stradale grazie alla sua deformabilità. Questa deformazione, che avviene anche quando la porzione di pneumatico interessata non è in contatto con l’asfalto, aiuta a dissipare il calore e a far sì che la porzione di pneumatico in contatto con l’asfalto offra sempre la massima superficie di contatto.

L’Adesione è data dalle forze di attrazione molecolare tra pneumatico ed asfalto. Questo fenomeno diviene quasi inesistente con asfalto bagnato, ecco perché in condizioni non asciutte si opta per pneumatici con un altissimo valore di isteresi che, pur avendo maggior resistenza al rotolamento, garantiscono maggiore grip. 

L’aderenza dello pneumatico, quindi, è un valore numerico risultante dalla formula F<µP, dove µ è il coefficiente di aderenza dello pneumatico, P è il carico verticale (variabile in base a velocità, generazione di drag dell’auto, ecc) e F sono le forze agenti sullo pneumatico. Finché questa disuguaglianza è verificata, si hanno condizioni di aderenza. Nel momento questa disuguaglianza non è più verificata, si ha perdita di aderenza. 

La struttura del pneumatico

Lo pneumatico ha come struttura portante la carcassa, che si compone di una fascia vuota di gomma che contiene le tele. Le tele possono essere di Nylon, di Rayon (ormai in disuso), di acciaio o di poliestere. Queste tele aumentano la resistenza dello pneumatico, consentendo allo stesso tempo la trasmissione di tutte le forze tra ruota (per ‘ruota’ si intende tutto il ‘sistema ruota’, quindi lo pneumatico compreso di sistema frenante e meccanica) e terreno. Il numero di fili che compone le tele, determina la rigidità della carcassa: meno fili ci sono, più la carcassa è rigida. La carcassa, negli pneumatici stradali, svolge anche una prima funzione di smorzatura delle forze per rendere più confortevole la guida. 

Le tele che compongono la carcassa possono essere disposte secondo diversi schemi. I più usati sono quello diagonale e quello radiale.
Il pattern diagonale prevede che le tele vengano estese in diagonale da un tallone all’altro e formano, rispetto all’asse mediano dello pneumatico, un angolo compreso fra 30 e 40°. La tela successiva viene applicata con angolo opposto, in modo da avere una sorta di intreccio molto resistente. 
Il modello radiale prevede invece che le tele vengano disposte da un tallone all’altro formando un angolo retto con l’asse mediano dello pneumatico. 

Sulla parte superiore di questa fascia di gomma che contiene le tele, viene applicato il battistrada, che l’elemento a contatto con l’asfalto. 

Un’altra parte importante dello pneumatico è la spalla, che ha la funzione non solo di raccordare lo pneumatico al cerchio ma svolge anche una importante funzione nella gestione delle forze laterali. Quando sullo pneumatico vengono applicate notevoli forze laterali, il battistrada tende a rimanere sullo stesso punto del terreno, mentre l’auto tende a spostare il proprio peso lateralmente. La rigidità della spalla serve a smorzare e contenere queste forse per non causare perdite di aderenza.

Differenza tra pneumatici stradali e da pista

La sostanziale differenza tra uno pneumatico stradale uno da Formula 1, sta nella composizione della carcassa oltre che, chiaramente, nelle performance che è in grado di garantire. Gli pneumatici di utilizzo per il motorsport, a cui sono chiaramente richieste delle performance superiori, hanno una struttura radiale. 

Uno pneumatico stradale è di tipo radiale ed ha come caratteristica la disposizione delle tele in senso perpendicolare rispetto alla direzione di marcia. Questa disposizione garantisce una maggiore superficie di contatto tra battistrada ed asfalto. Grazie a questa soluzione, la gestione della trazione è facilitata e la forza frenante (a parità di frenata) risulta essere maggiore rispetto ad uno pneumatico con struttura radiale. La spalla è molto rigida e permette di non avere movimenti laterali dell’auto rispetto all’impronta a terra dello pneumatico. 

Uno pneumatico utilizzato per la Formula 1 ha invece una struttura di tipo radiale. Questa struttura è particolare in quanto presenta tele disposte con un angolo compreso fra 30 e 40° rispetto al piano di simmetria dello pneumatico. Notare che, in questa struttura, le tele sono disposte in una sola direzione. La parte più esterna della carcassa viene poi ricoperta da una struttura di gomma altamente deformabile ed elastica, che permette deformazioni temporanee ed una morbidezza in grado di garantire sempre la massima aderenza. La struttura non è rigida come uno pneumatico stradale, quindi la rigidità viene garantita dal gonfiaggio, che deve essere sempre quello ideale. 

Questa struttura permette di assorbire e di trasmettere più forze, ed essendo il cerchio l’unico punto di contatto tra auto e pneumatico, il tallone è rinforzato e costituito da un cavo d’acciaio ricoperto di gomma.

Le forze che agiscono sugli pneumatici

Da un punto di vista delle forze cui sono soggetti i veicoli vediamo insieme quali tra di esse entrano in gioco. Partendo ovviamente dalla forza d’attrito intesa come componente che si oppone al moto, in questo caso tra veicolo ed asfalto, possiamo affermare che risulta essere fondamentale per l’adesione del pneumatico al suolo: se l’attrito non ci fosse, o fosse molto piccolo, la ruota non riuscirebbe a compiere un rotolamento puro. Chiaramente il raggio di curvatura influisce in termini di dimensione, dove più piccolo è l’oggetto che ruota e maggiore sarà l’attrito.

Oltre alla forza peso, abbiamo un’altra forza diretta anch’essa verso il basso , utile a generare la massima aderenza tra ruota e pista, chiamata deportanza: essa è garantita dalle superfici aerodinamiche equipaggiate dalle monoposto, quali le ali anteriori, posteriori ed il fondo piatto che riesce a sviluppare addirittura oltre il 57% del carico aerodinamico! Questa forza è generata dalla differenza di pressione che si genera tra il ventre ed il dorso del profilo aerodinamico che costituisce la superficie. Per farla breve, i profili delle ali di una monoposto sono rovesciati rispetto a quelli dell’ala di un aeroplano, dove li si produce portanza. 

Ennesima forza a cui è sottoposto un veicolo è la resistenza aerodinamica, che si oppone alla spinta fornita da un classico motore: è logico pensare che un corpo con un’ampia sezione frontale sia soggetto ad una grossa porzione di resistenza aerodinamica. In una monoposto, l’elemento che genera più resistenza è sicuramente l’ala posteriore con un contributo del 30%.

Ma durante la percorrenza in curva, si aggiungo altre componenti: la forza centripeta e la forza centrifuga.
Partendo dalla prima, purché essa possa generarsi, è necessario un vincolo ovvero i pneumatici sull’asfalto. Essa è diretta verso il centro della curva; Mentre percorre la curva, la vettura non viene del tutto attratta al centro in quanto entra in gioco la forza centrifuga, semplicemente di stessa intensità ma di verso opposto.

Durante la percorrenza notiamo spesso le famose deviazioni di traiettoria chiamate sottosterzo e sovrasterzo, dove attraverso la prima il veicolo tende ad allargare la curva mentre con la seconda il veicolo tende a chiuderla. Nelle vetture di tutti i giorni, queste vengono limitate dai controlli elettronici di trazione ed ESP.

Grazie all’immagine vista qui sopra, notiamo la SF90 di Charles Leclerc in piena percorrenza di una curva durante il GP di Austin dove risalta subito all’occhio la deformazione del pneumatico posteriore sinistro. E’ chiaramente impressionante la quantità di carico aerodinamico di queste auto, che , durante la percorrenza di una curva abbastanza veloce sommata alle forze prima descritte, determini lo schiacciamento e la deformazione del pneumatico, complice anche un assetto particolarmente duro con un’escursione della sospensione abbastanza ridotta.

Sostanzialmente, l’impronta a terra del pneumatico cerca di tendere a seguire una direzione diversa da quella ideale in quel preciso istante. Situazione alla quale potremo assistere meno in F1 attraverso i nuovi pneumatici da 18” testati dai vari team di Formula 1, poiché essi presenterebbero una spalla più corta e chiaramente valori diversi di pressioni di gonfiaggio.
L’angolo che porta a deviare la traiettoria ideale, sommato ad altri fattori può portare al sovrasterzo, sottosterzo o addirittura al ribaltamento.

Data la presenza di una spalla ridotta, ovvero la distanza tra il battistrada la parte terminale del cerchione, una quantità di tutte le forze prima descritte viene assorbita dalla deformazione di quest’ultima.

Una spalla rigida chiaramente è più propensa a ridurre questa deformazione, traducendo il tutto in miglior stabilità e manovrabilità. Tuttavia, una spalla rigida tende a richiedere un maggior lavoro sui setup e sugli elementi sospensivi. Questo perchè alcuni movimenti dell’auto o alcuni dislivelli vengono ammortizzati e assorbiti dal pneumatico mediante la deformazione della spalla (longitudinale o verticale), deformazione che tenderebbe quasi a scomparire. 
Questa modifica non porterà alla scomparsa di fenomeni quali blistering e graining, ma cambierà sostanzialmente il comportamento degli pneumatici.

Oltre ad una modifica dell’aspetto aerodinamico delle vetture, quindi, potremmo assistere ad un sostanziale cambiamento nello stile di guida dei piloti, soprattutto quelli più aggressivi sui cordoli o quelli più ‘dolci’ in fase di staccata. 

Articolo scritto a quattro mani da Daniele Zindato e Luigi Gueli

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