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Distribuzione dei pesi

Premessa

Premessa - Classic Porsche 911
 
Condividiamo un argomento fondamentale, che costituisce uno dei “pilastri sacri” della Porsche 911: la distribuzione dei pesi.
 
Molti non-Porschisti si fermano all’estetica della vettura e al suo blasone per apprezzarne, forse, la particolarità di guida, ignorando che dietro un progetto tecnico definito “assurdo” dai disinformati, si cela in realtà un insieme di scelte tecniche niente affatto casuale, anzi geniale.
 
Di seguito, otto semplici diagrammi ci aiuteranno a capire meglio le logiche coinvolte in un percorso passo passo, semplificando al massimo l’argomento.
 
Partiamo da una premessa fondamentale che si applica alla dinamica di tutte le vetture su strada:
 
tutti i movimenti che la massa di una vettura compie durante la marcia si possono classificare guardando i tre assi geometrici ortogonali.
 
  • Rispetto all’asse trasversale questi movimenti si chiamano beccheggio;
  • rispetto all’asse longitudinale rollio;
  • rispetto all’asse verticale imbardata. 
Per ora, ci concentriamo su un solo asse geometrico, quello trasversale, cioè quello che passa orizzontalmente attraverso la vettura e attorno al quale essa “beccheggia”, cioè oscilla in avanti o indietro.
 
 
Distribuzione dei pesi su due assi
 
Se prendiamo in considerazione un semplicissimo veicolo di 1.000 Kg (diagramma 1), con il peso distribuito uniformemente, è chiaro che su ciascuno dei due assi gravino 500 Kg.
 
Se però questo veicolo avesso una distribuzione delle masse sui due assi non omogenea, potremmo avere 650 Kg su un asse e 350 Kg sull’altro:
la macchina pesa sempre 1.000 Kg complessivi!
 
Ora, immaginiamo di prendere in considerazione un veicolo con un telaio di 200 Kg (diagramma 2) su cui è caricato un peso di 800 Kg che può scorrere longitudinalmente.
 
Se lo teniamo perfettamente in centro, allora, il veicolo avrà ancora 500 Kg per asse, ma se lo facciamo scorrere in avanti fino all’asse anteriore possiamo arrivare ad avere 900 Kg su questo asse e solo 100 Kg su quello posteriore: 
ma la macchina pesa sempre 1.000 Kg!
 
Analogamente, se facciamo scorrere il peso sull’asse posteriore, possiamo arrivare ad avere 900 Kg sulle ruote posteriori e solo 100 Kg su quelle anteriori.
 
Il ragionamento non fa una grinza!
 

Lo sbalzo

Lo sbalzo - Classic Porsche 911

Se ora, però, oltrepassiamo con il peso uno dei due assi e ci posizioniamo sullo sbalzo (anteriore o posteriore – diagramma 3), il peso a sbalzo genera un momento di rotazione (F x d), in cui (d) è il braccio della forza peso rispetto all’asse più vicino.
 
Ne risulta che il peso gravante su questo asse aumenta più di quanto non avveniva posizionando il peso direttamente sopra le ruote.
 
Per una vettura a trazione anteriore con motore a sbalzo (es. Audi prima della A5), questo aumenta la forza peso sulle ruote motrici, ma alleggerisce quelle posteriori.
 
Analogamente, su una vettura con motore a sbalzo posteriore (Porsche 911), aumenta il peso sulle ruote posteriori, mentre quelle anteriori si alleggeriscono.
 
Quindi, a parità di peso della vettura, posizionare il motore oltre l’asse (cioè a sbalzo) ha l’effetto di aumentare il peso sulle ruote motrici rispetto ad altre soluzioni.
 
Pensiamo ad esempio a vetture con motore anteriore ma al di qua dell’asse anteriore (BMW), oppure prima dell’asse posteriore - motore centrale - (Boxter, Cayman, Ferrari, Fiat X19).
 
Lo schema in qusti casi è mirato a non aumentare il peso sulle ruote motrici per mantenere la vettura più equilibrata e facile da guidare per tutti.
 
Ovviamente, per ciascuna di queste soluzioni ci sono vantaggi e svantaggi, ma, per ora, come detto in apertura, ci concentriamo solo sul beccheggio.
 

Trasferimento di carico in accelerazione

Trasferimento di carico in accelerazione - Classic Porsche 911
 
Qualsiasi vettura in accelerazione è soggetta a un trasferimento di carico tra le ruote anteriori e quelle posteriori (diagrammi 4 e 5).
 
Questo dipende principalmente dal fatto che il baricentro della vettura è sempre sopra il livello della strada, e le forze di trazione (trasmesse tramite l’aderenza a terra) agiscono a livello del terreno.
 
Si genera un momento rotante del corpo vettura, il cui braccio è l’altezza del baricentro rispetto al suolo.
 
Sia in partenza che in accelerazione il corpo vettura tende a ruotare sollevando la parte anteriore.
 
Ciò accade sia con un veicolo a trazione anteriore, sia posteriore; la sua intensità dipende dalla posizione del baricentro.
 
Nelle vetture moderne è stata curata la cinematica delle sospensioni in maniera tale che per effetto dell’inclinazione dei bracci delle sospensioni l’“impennata” risulti praticamente annullata (dal punto di vista visivo), mentre il trasferimento di carico rimane identico.
 
In accelerazione qualsiasi corpo vettura si corica indietro.
 
A questo effetto si accompagna un ovvio trasferimento di carico, che vuol dire che le ruote posteriori vengono “premute” a terra maggiormente rispetto alla marcia a velocità costante, o a vettura ferma.
 
Ovviamente, il peso della vettura non cambia, ma l’asse posteriore è gravato da una maggiore percentuale del peso totale.
 
Analogamente, le ruote anteriori tendono ad alleggerirsi, tanto che, con la trazione anteriore, si arriva a un valore limite di coppia motrice superato il quale si verifica un pattinamento delle ruote.
 
Infatti, una vettura a trazione anteriore eccessivamente potente è difficile da sfruttare a piena capacità del motore, anche perché parte dell’aderenza a terra serve per cambiare direzione (sterzare).
 
Più la vettura accelera, più si solleva da terra:
 
proprio l’opposto di quello che serve!
 
Teniamo a mente questo concetto del trasferimento di carico e apriamo una breve parentesi sull’aderenza.
 

Rapporto tra peso e aderenza

Rapporto tra peso e aderenza - Classic Porsche 911
 
Cito ora un noto principio fisico (diagramma 6):
 
"La forza necessaria per vincere l’aderenza tra un corpo e la superficie su cui appoggia è direttamente proporzionale al peso che grava su di esso, moltiplicato per il coefficiente di attrito (Ca)".
 
Questo coefficiente dipende dalla natura delle superfici a contatto.
 
Nel nostro caso, il battistrada dello pneumatico e la strada (asfalto o sterrato).
 
Dunque, il coefficiente di attrito dipende dalle condizioni dello pneumatico e del manto stradale, che può essere bagnato, asciutto, freddo, caldo, ghiaioso ecc. 
 
Quello che è importante notare è che, a parità di gomme e di condizioni della strada, l’aderenza è proporzionale al peso che vi gravita sopra.


Ed ecco che entra in gioco il motore a sbalzo
 
Visto che per massimizzare l’aderenza tra lo pneumatico e la strada è necessario “pigiare” a terra il più possibile le ruote motrici, ecco che la Porsche 911, per effetto della distribuzione dei pesi, sfrutta al massimo la possibilità di “scaricare” a terra tutta la sua potenza in accelerazione, senza sprecarne nemmeno un po' in dispersivi pattinamenti delle ruote motrici.
 
Infatti, non solo in accelerazione si ha il solito trasferimento di carico sulle ruote posteriori (diagramma 7), inoltre il motore a sbalzo genera un “momento” aggiuntivo che si scarica sulle ruote motrici.
 
In parole povere, grazie alla sua particolare distribuzione dei pesi, la Porsche 911 è in grado di massimizzare le sue doti di accelerazione anche rispetto a vetture di maggior potenza ma con una diversa e meno efficace distribuzione dei pesi.
 
I pesi indicati nei diagrammi sono solo indicativi, ma servono a dare una rapida idea della loro “danza” in fase di accelerazione.
 

Trasferimento di carico in frenata

Trasferimento di carico in frenata - Classic Porsche 911
 
Questo effetto è più facile da visualizzare e più intuitivo.
 
In frenata il corpo della vettura si inclina in avanti (in misura minore nelle vetture moderne per effetto delle sospensioni “intelligenti”) e si ha un repentino trasferimento dei pesi verso l’asse anteriore che diventa determinante per frenare efficacemente la vettura.
 
Sulle normali vetture con lo schema classico di distribuzione dei pesi, l’asse anteriore viene caricato di più. In questa situazione una vettura a trazione e motore anteriore si trova svantaggiata, con un pericoloso alleggerimento dell’asse posteriore.
 
Al contrario, lo “sbilanciamento” dei pesi verso l’asse posteriore della Porsche 911 avvantaggia anche il trasferimento di carico in frenata.  
 
Infatti, in fase di frenata, con il motore a sbalzo che grava sulle ruote posteriori, queste sfruttano una maggiore aderenza e contribuiscono con efficacia al rallentamento della vettura.
 
Un po’ come dire che la Porsche 911 frena uniformemente con tutte e quattro le ruote, mentre le altre vetture, a causa della normale distribuzione dei pesi, frenano prevalentemente con le sole ruote anteriori.
 
Sto estremizzando, ma serve a mettere in evidenza come, anche in frenata, la soluzione del motore posteriore a sbalzo rappresenti un evidente vantaggio.
 
 
Conclusione
 
Ferdinand Porsche aveva ragione!
 
 
La distribuzione dei pesi della Porsche 911, con motore posteriore a sbalzo, offre dunque  vantaggi indiscutibili sia in accelerazione che in frenata.
 
Ci rendiamo conto che questo schema è stato scelto di proposito in base alle leggi fisiche, per dare a queste bellezze un carattere ineguagliabile in termini di sportività e sfruttamento delle prestazioni.  
  
È importante capire a fondo le ragioni di una scelta così singolare, per sfruttarne le caratteristiche dinamiche a vantaggio della sua eccezionale efficacia in pista, in gara e nella guida sportiva.
 
Vedremo nel prossimo articolo come la dinamica della rotazione della vettura attorno all’asse verticale (imbardata) svantaggi questa soluzione rispetto alle vetture “normali” richieda una guida più esperta.
 
Alessandro Muscinelli
9 dicembre 2010
 
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