Trazione su neve (parte 1): lo pneumatico.
I principali fattori che influenzano la capacità di un mezzo ruotato di sviluppare forze di trazione su neve sono tre: le caratteristiche degli pneumatici, le proprietà della neve e le condizioni operative.
In questo primo articolo ci concentreremo sullo pneumatico, esaminando quali caratteristiche ne influenzano le performance in termini di trazione su neve.
La capacità di uno pneumatico di generare forze su una superficie innevata dipende da due fattori:
- dalla mescola della gomma;
- dalla struttura dello pneumatico (dimensioni principali, costituzione della carcassa, disegno e caratteristiche geometriche del battistrada).
Mescola della gomma.
Per quanto riguarda la mescola, le caratteristiche che consentono ad una gomma di disporre di un coefficiente di aderenza maggiore su superfici ricoperte da neve e ghiaccio sono principalmente due: l’idrofobia e la flessibilità.
L’idrofobia è quella proprietà che consente ad un materiale di non assorbire o trattenere l’acqua sulla superficie. Impiegando mescole che riducono la bagnabilità del battistrada, si limita la formazione di uno strato di acqua tra suolo e pneumatico evitando di compromettere l’aderenza tra le due superfici.
La caratteristica di flessibilità consente invece alla gomma del battistrada di aderire al meglio sul manto nevoso o ghiacciato sfruttando tutte le micro-irregolarità superficiali.
Struttura dello pneumatico: disegno e caratteristiche del battistrada.
Per quanto concerne la struttura dello pneumatico, sono tre i fattori che maggiormente influenzano la mobilità su terreno innevato: la struttura della carcassa, le dimensioni caratteristiche dello pneumatico e la geometria del battistrada.
Le forze di trazione essenziali al movimento del veicolo vengono generate in cinque differenti zone dello pneumatico (fig. 1):
- sulla superficie esterna del battistrada;
- nei solchi longitudinali del battistrada;
- nei solchi trasversali del battistrada;
- sui fianchi del battistrada;
- nella parte di battistrada in ingresso nella neve.
Fig. 1 – Principali zone dello pneumatico in cui vengono generate le forze di trazione.
Contributo della superficie esterna del battistrada.
La superficie esterna del battistrada è data dalla differenza tra l’area dell’impronta a terra ed i vuoti. In pratica, essa comprende soltanto quelle zone che entrano in contatto con il suolo quando lo pneumatico viene fatto rotolare su una superficie rigida rispetto ad esso (ad esempio su cemento o asfalto). La superficie esterna del battistrada è l’unica zona in grado di offrire trazione nel caso in cui non ci sia la penetrazione dello pneumatico nel manto nevoso (ad esempio in caso di suolo ghiacciato o neve fortemente compatta).
La trasmissione di forze tangenziali in questa regione dello pneumatico è il risultato di:
- forze di adesione,
- forze dovute all’isteresi,
- forze di tipo viscoso,
- forze di interazione meccanica.
Le forze di adesione derivano dai legami molecolari che vengono a crearsi tra le due superfici a contatto e non dipendono dalla forza con la quale queste ultime vengono premute l’una contro l’altra, bensì dall’ampiezza della zona di contatto. Se l’interazione avviene tra gomma e neve parliamo di adesione, se invece essa avviene tra neve e neve parliamo di coesione.
Le forze dovute all’isteresi dello pneumatico derivano invece dalla deformazione della gomma in corrispondenza delle micro-irregolarità del terreno.
Le forze di tipo viscoso sostituiscono quelle di adesione nel caso in cui ci sia la presenza di un sottile strato di acqua tra pneumatico e neve (lo stesso avviene su asfalto bagnato).
Infine, le forze di interazione meccanica vengono generate grazie alla presenza di irregolarità sulla superficie dello pneumatico pensate appositamente per aggrapparsi al suolo. Tali irregolarità possono essere costituite semplicemente dalla rugosità superficiale della gomma oppure da fessure e tagli effettuati ad hoc sullo pneumatico o ancora da ausili esterni quali catene, chiodi ed altri sistemi di trazione aggiuntivi.
Contributo dei solchi longitudinali.
Il contributo alla trazione su neve dato dai solchi longitudinali del battistrada è dato dal valore più alto tra i seguenti due:
- tensioni tangenziali che si sviluppano tra la superficie delle scanalature longitudinali e la neve presente in esse;
- tensioni tangenziali che nascono tra la neve intrappolata nelle scanalature longitudinali e lo strato di neve sottostante.
Tipicamente, si verifica che la neve rimane imprigionata nel solco longitudinale e cede in corrispondenza dello strato di neve sottostante.
Contributo dei solchi trasversali.
Il contributo alla trazione fornito dal volume di neve intrappolato nelle scanalature trasversali del battistrada è dovuto alla tensione tangenziale che si sviluppa tra questo volume e lo strato di neve sottostante. Tale contributo si riduce drasticamente per alti valori di slittamento dello pneumatico.
I fenomeni che garantiscono la trazione su neve grazie ai solchi trasversali del battistrada si differenziano a seconda delle condizioni di lavoro dello pneumatico (puro rotolamento o slittamento).
In particolare, in caso di puro rotolamento (cioè se lo pneumatico rotola senza slittare), la forza di trazione è fornita dalla resistenza al taglio dei volumi di neve intrappolati nelle scanalature trasversali. Tale resistenza dipende, in primis, dalla densità della neve all’interno dei solchi trasversali, dalla pressione normale al piano di taglio e dall’area della zona di taglio, ma anche dal periodo di accumulo, dall’umidità, dalla struttura e dimensione dei cristalli di neve. La densità, e quindi il compattamento della porzione di neve all’interno delle scanalature del battistrada, riveste grande importanza per incrementare la resistenza della neve al taglio. Se l’affondamento dello pneumatico nel manto nevoso è tale da non riempire le scanalature, la densità della neve in esse contenuta sarà all’incirca pari a quella della neve non impegnata dal battistrada (fig. 2).
Fig. 2 – Battistrada su superficie innevata. In questo caso non c’è la completa penetrazione dei tasselli nello strato di neve.
Invece, se l’affondamento dello pneumatico nel manto nevoso è tale da riempire completamente le scanalature, la densità della neve in esse contenuta risulterà aumentata grazie alla compressione esercitata dalla penetrazione del battistrada (fig. 3). Il risultato sarà un incremento della resistenza della neve in corrispondenza della zona di taglio.
Fig. 3 – Battistrada su superficie innevata. La figura illustra il caso in cui si realizzi la completa penetrazione dei tasselli ed il compattamento delle masse di neve intrappolate nelle scanalature.
Infatti, la resistenza al taglio della neve aumenta in modo circa proporzionale rispetto all’aumento della sua densità. In corrispondenza di un certo valore, denominato densità critica, l’incremento della resistenza al taglio subisce un’impennata a causa della variazione della struttura della neve (fig. 4).
Fig. 4 – Andamento della tensione tangenziale nella zona di taglio (e quindi della resistenza al taglio) in funzione della densità della neve.
Per quanto sopra esposto, un battistrada con un alto rapporto vuoti/pieni, essendo caratterizzato da elevate pressioni di contatto in corrispondenza dei tasselli, ha una maggiore capacità di penetrazione nello strato nevoso e pertanto riesce a compattare maggiormente la neve intrappolata nelle scanalature (fig. 5).
Fig. 5 – Tasselli più piccoli e scanalature più ampie favoriscono la penetrazione del battistrada nella neve grazie alle maggiori pressioni di contatto.
Il compattamento della neve all’interno delle scanalature non avviene solo grazie alla compressione verticale operata dal battistrada che affonda, ma anche a causa del restringimento laterale delle scanalature che entrano nell’area di contatto a terra durante il rotolamento dello pneumatico.
In teoria, esiste un valore ottimale per l’ampiezza delle scanalature trasversali. Tale valore dipende fondamentalmente da due fattori:
- l’inclinazione della superficie di scorrimento del manto nevoso;
- il meccanismo d’interazione dei fianchi delle scanalature con la neve.
La superficie di scorrimento è quella superficie in corrispondenza della quale avvengono il cedimento e lo scorrimento della porzione di neve asportata rispetto al substrato inferiore.
Osservando la fig. 6, in condizioni vicine al puro rotolamento, l’ampiezza ottimale di una scanalatura trasversale dovrebbe essere pari alla porzione di suolo interessata dalla superficie di scorrimento.
Fig. 6 – Ampiezza ottimale delle scanalature trasversali in condizioni di puro rotolamento dello pneumatico.
In condizioni di slittamento dello pneumatico, la situazione cambia poiché si assiste alla progressiva formazione di più superfici di scorrimento (fig. 7). In tal caso, l’ampiezza della scanalatura dovrebbe essere tale da far in modo che le zone di scorrimento arrivino ad impegnare l’intera porzione di neve intrappolata nei vuoti del battistrada.
Fig. 7 – Formazione di superfici di scorrimento multiple.
A questi fenomeni bisogna però aggiungere il meccanismo d’interazione dei fianchi delle scanalature con la neve.
In condizioni di slittamento dello pneumatico, il tassello, che inizialmente insisteva su una zona con neve fortemente compattata, viene trascinato verso la porzione di neve meno densa contenuta nella scanalatura trasversale che lo precedeva. Tale spostamento verso zone meno compattate, unita alla pressione laterale del volume di neve spostato, porta lo spigolo del tassello ad espandersi verso il basso (fig. 8 – PRIMA). Il tassello, così deformato, viene trascinato nella zona costituita da neve meno compatta esercitando un’azione di taglio e compressione laterale. Successivamente il tassello arriva alla zona di neve più compatta che insisteva sul tassello precedente: qui scava nello strato nevoso perché ha un maggiore ingombro verticale e quindi riesce ad offrire un maggior contributo alla trazione (fig. 8 – DOPO).
Fig. 8 – Interazione dei fianchi del tassello con il manto nevoso.
Questo meccanismo di interazione tra gli spigoli delle scanalature e lo strato di neve bilancia la riduzione di trazione dovuta all’ampiezza dei solchi trasversali, qualora quest’ultima risultasse inferiore al valore teorico ottimale illustrato in fig. 6.
L’adozione di scanalature più piccole comporta però l’ulteriore svantaggio di una ridotta capacità di rimozione della neve dai solchi del battistrada. Ciò implica il fatto che, una volta riempiti i vuoti, lo pneumatico si comporta come se avesse il battistrada liscio.
In conclusione, il contributo alla trazione su neve da parte delle scanalature trasversali aumenta incrementando:
- l’ampiezza e la profondità dei solchi (fig. 9);
- il numero di spigoli a contatto con il manto nevoso.
Fig. 9 – Andamento qualitativo della trazione su neve in funzione del rapporto vuoti/pieni del battistrada.
Contributo dei fianchi del battistrada.
I meccanismi che apportano trazione in questa zona del battistrada sono fondamentalmente due:
- l’attrito tra la gomma e la neve in corrispondenza dei fianchi esterni dei tasselli;
- la resistenza al taglio della porzione di neve intrappolata nelle scanalature trasversali, la quale cerca di non staccarsi dalla massa di neve esterna all’orma di contatto.
Per aumentare l’area soggetta a taglio ai lati del battistrada è possibile, ad esempio, adottare scanalature trasversali che si aprono a ventaglio in uscita dai fianchi. In tal caso bisogna valutare se il guadagno di trazione derivante da un maggior contributo dei fianchi del battistrada è superiore alla riduzione del contributo dato dai solchi trasversali.
Contributo della parte di battistrada in ingresso nello strato di neve.
Le forze che si sviluppano in questa zona sono essenzialmente resistenze al moto, quindi influiscono negativamente sulla capacità di trazione. Esse comprendono:
- la resistenza che la massa di neve che precede lo pneumatico oppone allo schiacciamento;
- la resistenza che la massa di neve che precede lo pneumatico oppone al trascinamento in avanti (resistenza di bulldozing).
Combinando relazioni semiempiriche e metodi analitici, è possibile dimostrare che, al fine di ridurre la resistenza opposta dalla neve allo schiacciamento, è più premiante aumentare il diametro degli pneumatici anziché la larghezza (l’argomento è stato già toccato nell’articolo L’influenza del diametro degli pneumatici sulla mobilità fuoristrada).
Struttura dello pneumatico: costituzione della carcassa.
A seconda di come vengono disposti i vari strati di tele metalliche, gli pneumatici si dividono in due macrocategorie principali: radiali e a tele incrociate. I radiali, che ormai dominano la scena automobilistica, dispongono di una maggiore superficie di contatto (a parità di altre condizioni) e quindi offrono la possibilità di adottare battistrada con un più alto rapporto tra vuoti e pieni. Sulla base di quanto è stato detto sulla geometria del battistrada, ciò è positivo per la capacità di trazione su fondi innevati. In questo articolo parliamo esclusivamente di trazione su neve e non di affondamento, ma è ovvio che una maggiore superficie di contatto si traduce anche in minori pressioni sull’impronta a terra e quindi in una migliore capacità di galleggiamento su suoli cedevoli.
Struttura dello pneumatico: dimensioni caratteristiche.
Limitiamoci all’analisi di due parametri: diametro e larghezza dello pneumatico.
Se aumento il diametro ottengo una minore resistenza all’avanzamento su suoli cedevoli. Quindi, conseguo un incremento della capacità di trazione grazie alla riduzione dell’entità delle forze che si oppongono al moto.
Se aumento la larghezza dello pneumatico, mantenendo la stessa spalla, ottengo due effetti. Da un lato ho un guadagno sull’area dell’impronta a terra (vedi l’articolo Larghezza del battistrada: perché incrementarla su vetture ad alte prestazioni?), dall’altro assisto ad una riduzione della flessibilità del battistrada, quindi ho una certa diminuzione dell’effetto di compattamento della neve tra le scanalature trasversali. Globalmente, però, l’effetto sulla trazione è positivo.
In sostanza, l’impiego di pneumatici larghi e alti, non solo riduce la pressione di contatto migliorando il “galleggiamento” del veicolo, ma favorisce anche la trazione su neve. Un esempio sono i veicoli con gommature molto generose impiegati in alcune zone settentrionali dell’emisfero boreale (https://www.roadandtrack.com/car-culture/videos/a6044/exploring-the-trucks-of-iceland/).
Bibliografia
[1] Donald F. Hays, Alan L. Browne. The physics of tire traction: theory and experiment. 1974.
[2] Autori vari. Mechanics of pneumatic tires.
[3] Yukio Nakajima. Analytical model of longitudinal tire traction in snow. 2003.
Buonasera e complimenti per l’ottimo sito. Con stretto riferimento alla guida su neve e ghiaccio, pur condividendo i ragionamenti esposti non trovo riscontro con la mia esperienza. In caso di neve e ghiaccio, è secondo me preferibile una gommatura “stretta” ancor di più se gli pneumatici sono chiodati. La gommatura “larga” può essere vantaggiosa solo quando serve un “galleggiamento”, ma questo accade molto di rado. Ricordo ancora ai tempi in cui seguivo road test in zone artiche con vetture di medio-alte prestazioni, le stesse venivano preparate con la misura più stretta possibile di pneumatici. Così come nella mia esperienza attuale non ci sia paragone fra la trazione/frenata che ho con la vettura (delle due che ho) gommata secondo lo stesso criterio. Cosa ne pensa? Non credo sia un caso che sia sentire comune che le “vecchie auto” (che avevano gomme strette) andavano meglio sulla neve di tante vetture moderne (che hanno gomme molto larghe). Come conciliare teoria, pratica e percezioni comuni? Grazie e buona serata.
Buonasera e grazie per il contributo pratico che arricchisce la trattazione.
Il suo ragionamento, frutto dell’esperienza sul campo, è assolutamente coerente con la teoria.
Il suolo innevato può avere caratteristiche e comportamenti molto diversi in base a numerosi fattori (temperatura, compattamento, tempo di permanenza della neve al suolo, presenza di strati accumulatisi in tempi diversi, ecc.). Nell’articolo ho riportato alcune argomentazioni relative all’interazione tra pneumatico e neve senza entrare nello specifico dello stato del suolo innevato. In poche parole, volendo fare un esempio pratico, tali argomentazioni possono essere adatte al caso di un fuoristrada che si muove su un abbondante manto di neve non compattato.
La casistica che Lei riporta è invece quella più comune e diffusa, poiché riguarda vetture stradali, o comunque veicoli che si muovono su suoli innevati compattati, su neve ghiacciata o su mix di neve e ghiaccio. In tali situazioni la gomma stretta garantisce di norma maggiori prestazioni perché riesce ad “artigliare” meglio la superficie compattata in virtù delle maggiori pressioni di contatto sviluppate.