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L'imbardata della 911

Premessa

Premessa - Classic Porsche 911
 
 Al termine dell’articolo precedente sulla ripartizione longitudinale delle masse sulla Porsche 911, mi ero ripromesso di analizzare anche il loro effetto sulla rotazione della vettura attorno al suo asse verticale comunemente denominata imbardata.
 
Nel presente articolo vedremo come il tipo di ripartizione dei pesi adottato sia alla base del comportamento di un veicolo in curva, per poi applicare questo concetto alla Porsche 911.
 

 

È importante capire a fondo la fisica di questa vettura per poterne sfruttare appieno le straordinarie caratteristiche dinamiche.

 
Cinque semplici diagrammi ci aiuteranno a capire le logiche progettuali e le loro ricadute per effetto di leggi fisiche imprescindibili, valide per tutte le vetture su strada.
 
Pur semplificando al massimo, è obbligatorio soffermarsi per due fondamentali parametri della fisica:
momento d'inerzia e momento angolare.
 
Ci concentriamo sul solo asse verticale (quello che passa verticalmente attraverso il centro di rotazione della vettura e attorno al quale essa effettua “l’imbardata”, cioè gira su se stessa).
 
Qualsiasi vettura nel percorrere una curva compie sempre due movimenti ben distinti: 
 
  • un cambio di direzione del suo baricentro (dove si manifesta un’accelerazione laterale). Per sempio: prima viaggiava verso Nord, ora verso Ovest;
  • una rotazione attorno al proprio asse verticale (dove si manifesta un momento angolare). Per sempio: ha ruotato di 90°.

 

Qualche richiamo alla dinamica dei corpi in movimento
 
Per capire bene l’argomento che vogliamo affrontare, può aiutarci qualche esempio che fa parte dell’esperienza comune.
 
Tutti sappiamo che per mettere in movimento un corpo scorrevole su una superficie piana - oppure per fermarlo - occorra una forza proporzionale alla massa del corpo.
 
In modo assolutamente analogo, sappiamo che per mettere in rotazione un corpo girevole intorno a un asse - oppure per fermarlo - occorra esercitare su di esso una spinta (che chiameremo “momento di azionamento”) che è tanto più grande quanto maggiore è la massa rotante.
 
"Il momento di azionamento si definisce come il prodotto della forza applicata al corpo girevole moltiplicata per la distanza dall’asse di rotazione".
 
La resistenza al movimento (o alla frenata) dipende non solo dalla massa del corpo girevole, ma anche dal punto in cui la massa è posizionata, cioè dalla sua distanza dall’asse di rotazione.
 
L’insieme di questi due fattori (massa e distanza) determina la resistenza che il corpo girevole oppone alla spinta che riceve per metterlo in movimento o per frenarlo (momento di azionamento).
 

Il concetto di momento d’inerzia

Il concetto di momento d’inerzia - Classic Porsche 911

 

La resistenza alla messa in rotazione o al rallentamento di un corpo girevole è denominata momento d'inerzia.
 
Con il termine “inerzia” viene indicata l’attitudine di un corpo a opporre resistenza alla messa in movimento o alla frenata.
 
Questa resistenza è in proporzione:
 
  • alla massa del corpo nel caso di moto rettilineo;
  • al suo momento d’inerzia nel caso di moto rotatorio.
 
Usando parole semplici, questo parametro fisico esprime com'è distribuita la massa di un oggetto rispetto a un asse attorno al quale esso ruota.
 
Importante fissare in mente questa definizione:
 
 
la “distribuzione della massa” rispetto a un asse.
 
Ad esempio:
 
un oggetto può avere massa simmetricamente distribuita rispetto a un perno, se pensiamo a una barra di ferro che ruota attorno al suo centro.
 
Oppure, al contrario, possiamo pensare a un pendolo, con tutta la massa concentrata all’estremità della barra cui è vincolato.
 
Ancora, possiamo immaginare un disco pieno che ruota attorno al suo asse.
 
Questi semplici esempi descrivono oggetti che hanno ciascuno un momento di inerzia diverso, che a sua volta influisce in modo differente sulla rotazione di quell’oggetto attorno al suo asse.
 
Facendo un semplice esempio (diagramma 1), il momento d’inerzia si esprime come il valore della massa “M” moltiplicato per il quadrato della distanza “R  dal centro di rotazione: cioè R.
 
D'obbligo ora introdurre il concetto fisico che qui chiameremo momento angolare, che - insieme al momento d’inerzia - costituisce un altro parametro fondamentale da applicare al movimento di rotazione.
 
"Il momento angolare di un corpo girevole intorno a un asse si definisce con il suo momento d’inerzia moltiplicato per la velocità di rotazione".
 
Il momento angolare si conserva, cioè è una quantità di energia che non può essere annullata, proprio come si conserva l’energia di un carrello in movimento su un piano (diagramma 2), la cui quantità di energia è correlata alla “quantità di moto”, rappresentata dalla sua massa “M” che si muove con velocità “V” (cioè V).
 
In modo del tutto analogo, anche un oggetto girevole attorno a un asse conserva la sua energia di rotazione, cioè il suo momento angolare espresso dalla precedente definizione.
 
Per fare subito un esempio di immediato riscontro, pensiamo ad una pattinatrice su ghiaccio (diagramma 2).
 
Quando inizia a ruotare a braccia aperte ha un elevato momento d’inerzia, ma una bassa velocità di rotazione.
 
Dato che il momento angolare si conserva, quando la pattinatrice chiude le braccia il momento d’inerzia diminuisce e di conseguenza aumenta proporzionalmente la velocità angolare.
 
Sono concetti “ostici” per chi non ne ha familiarità, ma sono necessari per una completa comprensione dell’imbardata di una vettura:
 
cercheremo dunque di visualizzarli il più schematicamente possibile, con l’aiuto di alcuni semplici diagrammi.
 

 - Classic Porsche 911

Il momento d’inerzia della Porsche 911

Il momento d’inerzia della Porsche 911 - Classic Porsche 911
 
Fatte queste premesse, vediamo nel diagramma 3 riportate quattro diverse soluzioni per la disposizione del motore su una vettura.
 
Questi esempi sono solo campioni elementari rispetto alle innumerevoli soluzioni esistenti, ma ci servono per chiarire alcuni concetti.
 
Il primo schema in alto rappresenta la distribuzione delle masse sulla Porsche 911;
 
quello subito sotto potrebbe essere la disposizione sull’Audi (ante-A5).
 
In entrambi i casi il momento d’inerzia è il più elevato.
 
Infatti, queste soluzioni con il motore a sbalzo hanno la massa principale concentrata all’estremo più distante dall’asse di rotazione.
 
Ricordiamo che il momento d’inerzia descrive come sono distribuite le masse per la rotazione e che la massa dev’essere moltiplicata per il quadrato della distanza dal centro (R).
 
Questo significa che, su queste vetture, non solo le masse distanti rappresentano un “freno” alla rotazione, ma anche che il momento d’inerzia (a parità di massa del motore) aumenta in modo più che proporzionale quando aumenta la distanza dal centro di rotazione (diagramma 4).
 
In termini pratici, ciò significa che queste vetture sono “riluttanti” a iniziare a ruotare attorno al proprio asse, ma quando iniziano a ruotare devono poi conservare il momento angolare.
 
Una volta avviata la rotazione, quindi, hanno tendenza a non perdere la propria energia di rotazione, per il principio di conservazione dell’energia.
 
Alla guida, per fare un esempio, troviamo che l’Audi (per via del suo sbalzo anteriore) sembra rispondere subito al cambio di direzione imposto dalle ruote sterzanti:
 
ciò è dovuto, però, alle sospensioni anteriori che lavorano, facendo coricare la parte anteriore della vettura.
 
Il vero inizio della rotazione del corpo vettura si avvia molto più lentamente, infatti si avverte un certo “ritardo” di inserimento in curva.
 
Anche la Porsche 911 tende a voler conservare il suo moto rettilineo (inizialmente sottosterza), ma quando, con abili manovre (che vedremo a breve), il pilota inizia a far ruotare la vettura intorno all’asse verticale, si fa sentire l’effetto della conservazione del momento angolare...
 
una volta invitata a ruotare, la Porsche 911 vorrebbe continuare a ruotare su se stessa:
 
vi è familiare?
 
Gli effetti (soprattutto sulle vetture più datate) si possono sentire in modo piuttosto violento, ed è solo il “grip” laterale delle ruote posteriori a contrastare la rotazione con una controspinta...
 
sempre che siano sgravate della trazione o dell’azione frenante.
 
Le altre due soluzioni del diagramma 3 per la distribuzione delle masse sul veicolo hanno la massa predominante molto più vicina al centro di rotazione, quindi il loro momento d’inerzia risulta molto più basso a parità di massa e dimensioni della vettura (diagramma 5).
 
Infatti, la massa M ha ora un raggio di rotazione (R) minore e di conseguenza un minore momento d’inerzia.
 
In pratica, questa disposizione delle masse (per esempio Ferrari, Cayman, BMW) favorisce molto l’avvio della rotazione attorno all’asse verticale e ciò le rende più reattive all’imbardata.
 
Il risultato è che sono molto più facili da guidare!
 

La Porsche 911 in curva: l’imbardata

La Porsche 911 in curva: l’imbardata - Classic Porsche 911
 
Osserviamo ora la sola Porsche 911 vista dall’alto.
 
Finchè la vettura si muove in rettilineo gode di tutti i vantaggi della distribuzione delle masse rispetto all’asse trasversale, come visto nell’articolo precedente.
 
Ora ne osserviamo il comportamento rispetto all’imbardata.
 
Innanzitutto, tutti i Porschisti sanno che affrontando una curva la macchina vorrebbe tranquillamente proseguire diritta:
 
in poche parole, essa sottosterza e tende ad allargare la traiettoria voluta.
 
Il suo elevato momento d’inerzia la rende “pigra” a ruotare attorno al suo asse di rotazione:
 
è la sua natura!
 
Il conducente esperto adotta una tecnica raffinata acquisita in anni e anni di prove e riprove...
e di miseri fallimenti!
 
Egli, infatti, ritarda la frenata e la protrae fino a quando la vettura inizia a girare dentro la curva.
 
Così facendo aumenta il carico sulle ruote anteriori, rende la vettura più “reattiva” alle ruote sterzanti e contemporaneamente “alleggerisce” il carico sulle ruote posteriori gravate dalla massa del motore.
 
Questa manovra produce la forza trasversale necessaria alla parte anteriore della vettura per iniziare a ruotare attorno all’asse verticale (momento di azionamento”).
 
Il conducente sa per esperienza che se esagera si trova prontamente in testacoda, visto che iniziata la rotazione la vettura vorrà conservarne l’abbrivio.
 
Diventa quindi necessario un coordinamento molto accurato tra la velocità d'ingresso in curva, l’inizio della frenata, il “grip” stradale disponibile, il raggio e la lunghezza della curva.
 
Con un’adeguata esperienza e un perfetto coordinamento, il bravo Porschista è in grado di sfruttare questo “sbilanciamento” della vettura dovuto al momento d’inerzia per farla curvare come, quando e quanto vuole lui e poter poi riprendere ad accelerare al termine della curva con la vettura già in posizione di “uscita”.
 
Accelerare troppo presto mentre si è dentro la curva vuol solo dire sollevare le ruote anteriori, togliere peso all’impronta dello pneumatico sterzante che serve a far curvare la vettura e diminuirne l’effetto sul movimento rotatorio.
 
Oppure, decelerando o addirittura frenando in curva, si toglierebbe “grip” laterale alle ruote posteriori che contrastano il movimento rotatorio per ritrovarsi presto in testacoda.
 
Ovviamente, questa tecnica di guida richiede molta più sensibilità, sincronismo e perizia rispetto a una vettura con motore centrale (quindi con momento d’inerzia inferiore) o con disposizione delle masse meno “estremizzata”.
 
La Porsche 911 impone dunque al conducente di guidare “di testa”, anticipando le manovre necessarie per far curvare la vettura al momento giusto e nel modo giusto.
 
La rapidità di svolta della Porsche 911 può pertanto rappresentare un evidente vantaggio nella guida agonistica, sempre che si riesca a coordinare perfettamente tutte le manovre!
 
La frenata della Porsche 911 può tranquillamente essere ritardata e portata fin dentro la curva:
anche questa caratteristica può rappresentare un vantaggio rilevante rispetto ad altre vetture con un diverso equilibrio dinamico.
 
 
Acceleratore oppure sterzo?
  
Tutti i più esperti Porschisti sanno bene che durante il percorso in curva si può correggere la traiettoria con il solo uso dell’acceleratore oppure con il solo sterzo...
 
oppure giocando con entrambi (per i più abili e dotati della più smaliziata sensibilità).
 
Questo fa parte del famigerato e divertentissimo “dialogo” con la Porsche 911 quando la si guida!
  
Da un punto di vista puramente agonistico, correggere la traiettoria con l’acceleratore vuol anche dire rallentare, ed è quindi preferibile correggerla con il solo uso dello sterzo e adottare una traiettoria ben studiata.
  
Altrettanto vero che durante il percorso in curva, con la vettura impegnata al limite del suo “grip” laterale, un repentino rilascio dell’acceleratore sia un testacoda garantito.
  
Infatti, il trasferimento di carico longitudinale causa una reattività immediata delle ruote anteriori sterzanti, un alleggerimento sull’asse posteriore e un inizio inesorabile di rotazione attorno all’asse verticale con una crescita molto violenta del momento angolare…
 
il resto diventa incontrollabile e spesso disastroso.
  
Chiunque abbia provato a far sbandare la Porsche 911 sulla neve (o comunque in condizioni di bassissima aderenza) avrà notato che, se la sbandata viene corretta immediatamente con riflessi e sensibilità fulminei si riesce a recuperare una rotazione della vettura ancora governabile.
  
Se, invece, l’intervento di correzione non è più che tempestivo, rimediare è pressocché impossibile.
  
L’unica azione “in extremis” è premere la frizione, controsterzare e sperare che la scorrevolezza delle ruote anteriori “recuperi” il “grip” laterale residuo delle gomme posteriori, sgravate della trazione o del freno motore.
  
Infatti, sia la trazione che il freno motore determinano una riduzione dell’angolo di deriva dello pneumatico rispetto alla superficie stradale.
 
  
Conclusione
 
 La distribuzione longitudinale delle masse sulla Porsche 911 presenta innegabili vantaggi dal punto di vista della fisica per quanto riguarda la rotazione del corpo vettura attorno all’asse trasversale (beccheggio), ma impone il rispetto di regole ferree che vanno capite e tenute ben presenti nella rotazione attorno all’asse verticale (imbardata).
  
Un costante impegno e una crescente sensibilità al comportamento della Porsche 911 nell’affrontare e percorrere le curve sono requisiti necessari per sfruttare appieno la sua innata capacità di ruotare su sè stessa una volta innescato il movimento rotatorio.
 
 Importante saper innescare questa rotazione al momento giusto e nel punto giusto della traiettoria.
  
Questo “carattere” esclusivo della Porsche 911 offre al conducente emozioni straordinarie che rappresentano il principale fascino del marchio.
  
Un carattere che allontana alcuni, ma che per altri è esaltante.
 
 Imparare a controllare una Porsche 911 portata al suo limite - in particolare se si tratta di un modello datato) - e giocare con le sue peculiarità fisiche, è talvolta paragonabile a un viaggio al quale molti partecipano, ma soltanto alcuni raggiungono la meta!
 
 Alessandro Muscinelli
 3 Gennaio 2011
 
 
NB. Per favorire la leggibilità del testo sono state adottate le seguenti denominazioni non ortodosse:
  
Momento di azionamento  =  Momento di una forza
Rappresentato dal valore di una forza giacente nel piano perpendicolare all’asse di rotazione moltiplicato per la distanza della linea d’azione della forza dall’asse di rotazione.
 
 Momento angolare  =  Momento della quantità di moto
Rappresentato dal prodotto del momento d’inerzia per la velocità angolare.
 
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