Formula 1 Analisi tecnica: pneumatici Fisica e funzionamento pt.1

INTRODUZIONE

Lo spunto per la nuova descrizione tecnica sulle gomme di formula 1 , arriva  dal gran premio di Germania appena conclusosi. Sotto una pioggia intermittente ed una pista che si asciugava e si bagnava di dieci minuti in dieci minuti, le squadre hanno dovuto cambiare gomme senza sosta sulle proprie monoposto.

Le abbiamo viste tutte: le intermedie, le slick gialle e le slick rosse. Ogni pilota ha cercato di dare il massimo nella comprensione dell’asfalto per capire quale fosse la mescola corretta ad ogni istante.

Questo perché, si sa, ogni tipo di pneumatico è il migliore per un certo tipo di condizione: ad una certa velocità di percorrenza, con certe intensità di accelerazione e con determinati livelli di smaltimento del calore in eccesso.

Quello che vogliamo approfondire in questo articolo, infatti, riguarda proprio i concetti fisici che si nascondo dietro ad ogni decisione per quanto riguarda la copertura da adottare.

La rossa slick, del resto, con la sua morbidezza e l’assenza di intagli sul battistrada è di certo la preferibile quando le temperature si alzano e quando non c’è acqua da smaltire. Di certo, la stessa scelta non si potrebbe operare con condizioni di bagnato sul tracciato. Questo perché all’interno della mescola, particolari fenomeni chimici influenzano il comportamento del materiale. Quello che bisogna chiedersi, quindi, è come mai ogni gomma cambia e quali sono le ripercussioni sulle prestazioni?

Oltre alla presenza o meno degli intagli, che verranno trattati in un secondo articolo, anche la lavorazione della mescola genera variazioni di morbidezza, tenuta e durata dello pneumatico.

Tutto dipende, oltre che dal tipo di materiali usati per realizzare la“mescola”, anche dai parametri di lavorazione, ovvero il processo di vulcanizzazione.

INTRODUZIONE ALLA VULCANIZZAZIONE.

Lo pneumatico ed il suo battistrada sono realizzati da materiali detti elastomeri: componenti chimici costituiti da lunghe catene di molecole tra loro legate.

Inizialmente, l’elevata capacità di scorrimento tra le catene sopra citate renderebbe il materiale troppo “molle”. Questo si deformerebbe senza resistere quasi ad alcun tipo di sforzo. È qua, che subentra il processo di vulcanizzazione.

Quest’ultima, come noto, è attua alla formazione di una serie di legami trasversali, che uniscono le lunghe catene di macromolecole creando un vero e proprio reticolo tridimensionale.

In questo modo l’elastomero “crudo” viene trasformato in un materiale dalle caratteristiche superiori e dal comportamento fortemente elastico. I legami in questione infatti impediscono che le catene polimeriche possano scorrere liberamente tra loro. In questo senso la vulcanizzazione fa aumentare la resistenza a trazione, il modulo elastico e la durezza del materiale, nonché la resistenza all’abrasione.

I legami trasversali prevedono la presenza di uno o più atomi di zolfo e ciascuno di essi si unisce a due atomi di carbonio appartenenti a due diverse catene di polimero. infatti, tale componente è particolarmente reattivo all’interno delle catene polimeriche e riesce a legarsi con facilità.

I PUNTI CHIAVE DELLA VULCANIZZAZIONE

Perché avvenga la vulcanizzazione occorre del calore ed è necessario che nel materiale di partenza sia presente una certa quantità di una sostanza avente caratteristiche tali da determinare la formazione dei legami. Nel nostro caso, ovvero nel mondo dei pneumatici, si tratta di un elemento, lo zolfo, che è il vero e proprio “principe” degli agenti vulcanizzanti.

Durante la vulcanizzazione, mano a mano che tra le lunghe catene di polimero si formano i legami trasversali, aumentano la resistenza a trazione, la durezza  e il modulo elastico del materiale. Proprio misurando quest’ultimo è possibile valutare l’andamento del processo e stabilire quando il grado di reticolazione ha raggiunto il valore ottimale. La durata del processo deve essere quella giusta; se è maggiore si forma un numero di legami trasversali superiore a quello richiesto.

CONSEGUENZE

Dopo un processo di vulcanizzazione più lungo, possono essere create le gomme medie, che presentano più collegamenti diretti tra le catene del polimero base. Con una durata di vulcanizzazione leggermente inferiore, o con temperature più basse, potrebbero essere prodotte le gomme soft.

Infine, per una morbidezza oltre ogni limite in condizioni di bagnato, assumendo durate o temperature estremamente basse, è possibile ottenere le gomme da bagnato.

QUANDO LE GOMME DA BAGNATO NON SONO PIÙ ADATTE?

Avendo pochissimi legami, dopo un processo di vulcanizzazione di durata limitata, le gomme da bagnato sono molto morbide e sono capaci di aderire molto meglio all’asfalto, adattandosi tantissimo alla rugosità superficiale del manto stradale. La loro deformabilità superficiale è infatti elevatissima.

Sono, però, ancora troppo molli e i pochi collegamenti diretti non riescono a resistere quando le sollecitazioni aumentano, ovvero quando la pista si asciuga.

In condizioni di asciutto, infatti, sono due le problematiche:

• La macchina può correre più veloce visto il maggior grip tra pneumatico e asfalto. Questo causa maggiori sollecitazioni e maggiori scorrimenti tra le varie catene polimeriche, al punto da poter rompere i pochi collegamenti diretti tra queste.
• L’acqua che manca, inoltre, non smaltisce il calore e, quindi, anche in caso di basse tensioni meccaniche sullo pneumatico, l’alta temperatura fa sì che i collegamenti diretti si indeboliscano fino a cedere. Questo per via dell’alta agitazione molecolare.

In entrambi i casi, è necessario passare a gomme con una quantità di ponti tra le catene molecolari maggiori, cosi da avere battistrada caratterizzati da una struttura molecolare più resistente nel complesso. più rigide, si, ma più capaci di adattarsi all’asfalto asciutto perché abili nel rammollirsi con il riscaldamento senza cedere eccessivamente sotto l’effetto del calore. in questo modo, mantengono ancora la struttura, riuscendo comunque ad aderire correttamente sulla superficie dell’asfalto.

Ecco il motivo fisico per il quale le squadre hanno cambiato spesso le coperture durante il gran premio.

Ovviamente, è necessario comprendere anche il discorso degli intagli, ma questo sarà motivo di approfondimento per il prossimo articolo tecnico.

A presto

Dall’ing. Alberto Aimar