Terrameccanica: di cosa si tratta?

Fig. 1 – Prove di mobilità su terreno cedevole di un trattore da artiglieria.

La terrameccanica, come il nome suggerisce, è lo studio dell’interazione tra un veicolo ed il terreno su cui esso opera. Il cuore di tale studio è essenzialmente l’analisi dei complessi fenomeni che si sviluppano quando il suolo interagisce con un corpo materiale estraneo. Da questo concetto comune si dipartono poi due branche principali: se il fine dell’interazione è il movimento del veicolo parliamo di meccanica della locomozione fuoristrada, se invece lo scopo è il movimento del terreno parliamo di meccanica del movimento terra.

Nell’ambito della terrameccanica, la meccanica della locomozione fuoristrada viene condotta fondamentalmente per tre distinti obiettivi:

• valutazione della percorribilità di un terreno da parte di un determinato veicolo;
• valutazione delle prestazioni di un veicolo;
• individuazione di linee guida progettuali per la definizione di parametri e caratteristiche dei sottosistemi del veicolo che ne influenzano la mobilità (configurazione del veicolo in termini di masse, geometria e potenza, strumenti di locomozione, sospensioni, sistema di sterzatura, ecc.).

La meccanica dei veicoli stradali è incentrata quasi interamente sul veicolo, in quanto la strada, essendo considerata un piano perfettamente rigido, ha come unica variabile il coefficiente di attrito. Invece, la meccanica dei veicoli off-road, deve, per forza di cose, inglobare la fisica del terreno, sia in termini di geometria della superficie, sia in termini di composizione e quindi di caratteristiche meccaniche interne.

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Di conseguenza, quando parliamo di prestazioni di un veicolo destinato ad operare su terreni non preparati dobbiamo considerare gli aspetti prestazionali tipici di un veicolo stradale (handling, confort, accelerazione, frenatura, ecc.) con l’aggiunta di ulteriori prestazioni dovuti alla variabile terreno. Alla luce di ciò, la valutazione prestazionale di un veicolo fuoristrada comprenderà quindi la determinazione della forza di trazione sviluppabile su un determinato terreno, la determinazione della pressione al suolo, la valutazione della capacità di superamento di ostacoli tipici e di pendenze longitudinali e laterali, la valutazione della capacità di attraversare corsi d’acqua, ecc.

Con l’immaginazione visualizziamo una singola ruota di un veicolo fuoristrada che percorre un qualsivoglia terreno non preparato. Tale ruota affonderà ad una certa profondità perché il suolo ha una certa cedevolezza, potrà incontrare ostacoli come sassi, tronchi o radici, slitterà in un determinato modo a seconda del tipo di terreno, svilupperà una forza di trazione di entità dipendente sia da parametri dello pneumatico sia da parametri del terreno. Basta questo piccolo filmato mentale a farci comprendere la complessità dei fenomeni in gioco e la difficoltà nel tradurli in modelli matematici, soprattutto a causa della numerosità  e complicatezza delle reciproche interazioni tra variabili e della disomogeneità ed anisotropia del terreno. Se poi andiamo a considerare l’intero sistema veicolo e non più una singola ruota, aggiungiamo ulteriori variabili e quindi ulteriore complessità al problema.

La terrameccanica è quindi uno di quei campi in cui, non riuscendo a sintetizzare un modello matematico univoco, si ricorre a diversi approcci a seconda della tipologia di problema e delle finalità per le quali è condotto lo studio.

Si parte quindi da metodi totalmente sperimentali per arrivare a metodi teorici (analitici e numerici) passando per metodi empirici e semi-empirici. L’uso di un approccio piuttosto che di un altro viene motivato dalla ricerca di un compromesso tra accuratezza, risoluzione, facilità di parametrizzazione ed efficienza computazionale. Naturalmente, il peso di tali aspetti varia in funzione del tipo di applicazione. Ad esempio, se dovessi progettare la geometria della tassellatura di uno pneumatico adatto a determinate tipologie di suolo e la situazione lo consentisse, potrei permettermi di utilizzare un metodo agli elementi finiti (FEM) per lo pneumatico ed agli elementi discreti (DEM) per il terreno perché non avrei problemi di tempo e potrei attendere anche giorni di calcolo del PC. Al contrario, se avessi bisogno di inserire il mio modello di interazione pneumatico – suolo all’interno di un modello matematico per la simulazione quasi real-time della dinamica di un veicolo, avrei bisogno di un compromesso tra accuratezza e velocità di calcolo e dovrei necessariamente scegliere un’altra strada, ad esempio quella di un approccio semi-empirico.

Essenzialmente le categorie dei metodi utilizzati nell’ambito della terrameccanica sono quattro:

• metodi sperimentali;
• metodi empirici;
• metodi semi-empirici;
• metodi teorici.

I metodi sperimentali consistono in una valutazione diretta effettuata sul campo, non richiedono alcuno sforzo di sintesi matematica, ma forniscono risultati validi solo per le specifiche condizioni di prova.

I metodi empirici si basano sull’ottenimento di relazioni matematiche tramite operazioni di curve-fitting su molteplici dati sperimentali. Nella maggior parte dei casi tali relazioni non hanno un significato fisico e vengono solitamente utilizzate come criteri “passa/non passa” per valutare, in maniera speditiva, la percorribilità di un certo tipo di terreno. Il più noto approccio empirico è il metodo WES, elaborato per scopi militari nel corso della Seconda Guerra Mondiale.

I metodi semi-empirici sono probabilmente i più versatili e si basano su relazioni aventi un senso fisico, ma contenenti parametri derivanti da misure effettuate sul terreno. Un esempio di approccio semi-empirico è la nota espressione di Bekker che lega la pressione all’affondamento.

I metodi teorici comprendono metodi analitici (forniscono soluzioni in forma chiusa sfruttando, ad esempio, l’equilibrio elastico e l’equilibrio plastico) e metodi numerici (metodo agli elementi finiti, o FEM, e metodo agli elementi discreti, o DEM). I primi hanno un campo di applicazione abbastanza ristretto perché, tra le tante, non prendono in considerazione la deformazione del terreno, mentre i secondi, pur avendo il vantaggio di offrire un livello di dettaglio decisamente superiore, necessitano di un elevato costo computazionale e presentano notevoli difficoltà nella parametrizzazione del terreno.

Quanto sopra introdotto è solo una breve sintesi di cos’è la terrameccanica, con particolare riferimento alla meccanica della locomozione fuoristrada, e di quali approcci vengono utilizzati per studiare l’interazione veicolo-terreno. In successivi articoli di questo sito si andrà più nel dettaglio su varie tematiche ed aspetti qui soltanto citati, quali ad esempio la valutazione delle prestazioni in ambito off-road.