Come lo pneumatico sostiene il veicolo

Quando pensiamo allo pneumatico pensiamo ad una struttura che sostiene una frazione della forza peso di un veicolo grazie alla pressione dell’aria in esso contenuta. Ma ci siamo mai chiesti come effettivamente viene svolta quest’azione di sostegno? Se andiamo ad analizzare un po’ più da vicino la questione, possiamo notare qualcosa d’interessante: lo pneumatico non sopporta il carico per “compressione”, come a prima vista potremmo essere portati a pensare, ma per “trazione”. Infatti, in realtà, lo pneumatico può essere a tutti gli effetti annoverato in quella categoria di strutture cosiddette pretensionate, cioè componenti nei quali viene appositamente indotto un carico costante in condizioni di riposo. Tale sollecitazione residua consente di pilotare il range di sollecitazione attorno al quale lavorerà la struttura in condizioni di carico.

Un tipico esempio sono quei tubi in pressione che vengono realizzati in modo tale da avere, a riposo, tensioni circonferenziali residue compressive: ciò fa sì che in fase di lavoro, l’azione espansiva della pressione interna svilupperà tensioni circonferenziali trattive che verranno però moderate da quelle compressive preesistenti (fig. 1 – 2).

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Differenziali autobloccanti meccanici

Fig. 1 – In questa figura è mostrata la sezione di un tubo prima e dopo la pressurizzazione. Il quadratino giallo rappresenta un elemento del mantello del tubo. La sezione a sinistra non è pressurizzata, quindi l’elemento di tubo è scarico. La sezione a destra è in pressione, quindi l’elemento è soggetto a tensioni circonferenziali trattive (le tensioni radiali sull’elemento di tubo non sono state rappresentate perché non interessano il nostro discorso).

Fig. 2 – In questa figura sono riportate le stesse condizioni di carico di fig. 1 con l’unica differenza che ora il tubo ha subito un trattamento, detto di autoforzamento, grazie al quale possiede tensioni circonferenziali residue compressive quando non è pressurizzato (frecce verdi nella sezione di sinistra). In tal caso, nel momento in cui il tubo viene messo in pressione (sezione di destra), sull’elemento giallo si svilupperanno tensioni trattive inferiori a quelle viste nella precedente fig. 1.

Un altro esempio sono i cerchi delle biciclette: se i raggi delle ruote non venissero pretensionati, essi non riuscirebbero a sostenere il peso del ciclista per compressione. Grazie al pretensionamento, il carico verticale viene sostenuto mediante un incremento di tensione sui raggi al di sopra del mozzo ed una riduzione di tensione sui raggi al di sotto di esso.

Lo pneumatico lavora su un principio molto simile. Il cerchietto, che corre all’interno del tallone, è avvolto dalle tele di carcassa. A pneumatico gonfio, la pressione interna mette in tensione le tele di carcassa, le quali a loro volta mettono in trazione il cerchietto, proprio come se tentassero di allargarlo (fig. 3).

Fig. 3 – Pneumatico non caricato.

Nel momento in cui lo pneumatico viene schiacciato a terra, la tensione radiale nello spicchio di pneumatico soggetto a schiacciamento si riduce e  la porzione di forza sul cerchietto, che prima equilibrava tale tensione, ora va a sostenere il peso del mozzo ruota (fig. 4).

Fig. 4 – Pneumatico caricato

Nel suo “Form, structure and mechanism”, French esprime tale concetto in maniera, a parer mio, molto efficace, dicendo che il tallone sostiene la ruota proprio come un’amaca sostiene un uomo.

Volendo spiegare, in modo approssimativo ma semplice, il fenomeno da un punto di vista matematico, basta andare a considerare una sezione meridiana dello pneumatico prima e dopo lo schiacciamento (fig. 5).

Fig. 5 – Sezioni di pneumatico scarico e carico con particolare delle sollecitazioni agenti sulle tele di carcassa nella zona della spalla.

Legenda
p_i: pressione interna;
h: altezza della spalla non deformata;
Δh: schiacciamento verticale;
φ: angolo tra la spalla ed il terreno in corrispondenza del battistrada;
T_r: tensione sulla carcassa.

Dall’espressione ottenuta si deduce come la presenza di un termine Δh di schiacciamento dello pneumatico riduca il numeratore ed incrementi il denominatore (poiché aumenta l’angolo φ), con il risultato complessivo di ridurre il valore della tensione T_r. La riduzione della tensione sulle tele di carcassa, come spiegato in precedenza, dà luogo ad una riduzione dell’effetto della pressione interna sulla tensione sul cerchietto, riduzione equilibrata dall’aumento del carico verticale gravante sul mozzo ruota.

Per quanto detto, tornando al discorso di come gli pneumatici sostengono l’autoveicolo, ora possiamo dire, a buon diritto, che essi lo sostengono per trazione e non per compressione.