Il peso dei cerchi ruota, oltre ad avere grande
influenza su quello complessivo della moto, determina in buona misura
anche il comportamento dinamico del veicolo.
Per questo motivo, mentre il materiale utilizzato per costruire tali
componenti destinati alla serie è quasi sempre l’alluminio, per le
competizioni viene fatto largo uso del magnesio e, in alcuni casi, anche
del carbonio.
Per comprendere come cambi la guida della moto quando si montano cerchi
più leggeri, occorre innanzitutto spiegare cosa accade quando le masse
non sospese e in rotazione (determinate cioè dalla ruota comprensiva
anche di freni e di corona della trasmissione finale, nel caso di quella
posteriore), diminuiscono sensibilmente.
L’effetto più evidente che il pilota nota è la rapidità con cui possono
essere effettuati gli inserimenti in curva, caratteristica del
comportamento dinamico del veicolo che sembra aumentare al crescere
della velocità. Questo fenomeno è legato al momento di inerzia. Una
legge della fisica (la legge di inerzia) afferma che un corpo in
movimento cerca di mantenere inalterata la sua velocità ponendo
resistenza alla variazione di quest’ultima.
Tale comportamento è detto appunto inerzia. Se il corpo gira attorno a
un asse (ad esempio la ruota della moto) è similmente possibile definire
il suo momento di inerzia, ovvero la resistenza che esso esercitata alla
variazione della sua velocità angolare.
Nella relazione che sintetizza tale fenomeno compare la massa del corpo
stesso, dunque si intuisce che all’aumentare del peso della ruota
aumenta anche il suo momento di inerzia, che eserciterà conseguentemente
una più elevata opposizione alle variazioni del regime di rotazione. In
altre parole, dovrà essere più consistente la coppia motrice o frenante
applicata per accelerarla o decelerarla.
Inoltre, è bene sottolineare che il peso che ha maggiore influenza sul
valore del momento di inerzia è quello dovuto alla massa più distante
dall’asse di rotazione.
Dunque, in prima analisi, è il canale del cerchio, dove viene montato il
pneumatico, che determina l’entità della resistenza alla variazione
della velocità angolare. Ciò significa che minore è la massa del canale
(l’elemento più distante dal centro e dunque posizionato a un raggio
maggiore), minore è il momento di inerzia e viceversa.
Questo è il motivo per cui, specialmente nel passato, quando le tecniche
di lavorazione del magnesio, ma soprattutto del carbonio, non erano
ancora sufficientemente evolute, si costruivano alcuni modelli di cerchi
ruota di tipo composito, ovvero con il canale realizzato con materiali
diversi da quelli usati per il gruppo mozzo-razze.
Le due parti erano poi rese solidali tramite sistemi di collegamento
meccanici (ad esempio rivetti). In questi casi, se il canale rimaneva in
alluminio o in lamiera di acciaio, l’abbassamento del momento di inerzia
era molto contenuto.
Quanto fino ad ora spiegato non ci permette, però, di comprendere
perfettamente il fenomeno che trasforma il comportamento dinamico di una
moto quando su di essa vengono installati cerchi ruota più leggeri di
quelli adottati in origine.
Infatti, dopo aver sostituito questi elementi con
altri realizzati in carbonio o magnesio, si nota che la maneggevolezza
aumenta notevolmente e la capacità del veicolo di “scendere” in curva
diventa sorprendente.
Questo cambiamento radicale è dovuto al momento giroscopico. Quello di
inerzia ci permette, infatti, unicamente di affermare che se le masse
non sospese e in rotazione vengono ridotte, la moto può accelerare o
decelerare con maggior rapidità.
Il momento giroscopico è però sempre legato a quello di inerzia e cioè
al peso e al raggio del cerchio, oltre che alla velocità di rotazione di
quest’ultimo. Senza pretendere di fornire una dimostrazione rigorosa di
questo fenomeno, è possibile descriverlo sperimentalmente con l’effetto
che genera sulla guida.
Quando il pilota della moto che sta muovendosi con traiettoria
rettilinea, agisce sul manubrio ruotandolo verso destra per impostare
una curva, la reazione che si genera sull’avantreno sarà molto
particolare, poiché la ruota anteriore si inclinerà a sinistra (attorno
a un asse parallelo al senso di marcia). Tale fenomeno (che ovviamente
si presenta anche se si sposta il manubrio a sinistra con la conseguente
inclinazione della ruota a destra) è tanto più evidente quanto più
elevata è la velocità angolare e la massa dell’elemento in rotazione
(pneumatico, cerchio, disco freno, corona di trasmissione).
La ruota cerca cioè di mantenere inalterata la direzione del suo asse di
rotazione (che coincide con il suo perno). Il pilota deve perciò
modificare il suo stile di guida in funzione dell’intensità di questa
particolare reazione.
E’ facile intuire che il momento giroscopico influenza perciò in modo
determinante la dinamica del veicolo. Se, però, i cerchi ruota sono
leggeri, gli effetti di questo momento diventano meno preponderanti,
rendendo ovviamente meno impegnativa la manovra con la quale si imposta
la curva.
Dunque, questo spiega il motivo per il quale tali elementi vengono
costruiti con leghe di magnesio, o addirittura in fibra carbonio,
materiali molto più leggeri rispetto a quelli più comunemente usati,
come l’alluminio. E’ interessante descrivere brevemente anche le
caratteristiche di questi materiali speciali e i metodi usati per la
loro lavorazione.
In sintesi, si può dire che nel caso di processo di fusione del magnesio
e conseguente colata in stampi di sabbia, quest’ultimi vengono rotti
quando il metallo si è completamente raffreddato. In seguito, dal pezzo
ottenuto vengono tolte le cosiddette “materozze”, ovvero le parti di
materiale in eccesso che è servito ad alimentare il flusso del fuso e
che ha ostruito i canali di accesso al volume cavo dello stampo.
Il cerchio ruota viene in seguito sottoposto per
circa 24 ore a un processo termico con temperatura di 415°C, necessario
per omogeneizzare la lega. Si svolgono, poi, tutte le lavorazioni
meccaniche, al termine delle quali si ottiene la forma definitiva.
Seguono i necessari collaudi per verificare le indispensabili proprietà
meccaniche (resistenza alle sollecitazioni, ecc.). Il processo di
forgiatura del magnesio è invece radicalmente diverso da quello di
fusione.
Viene, infatti, compressa una “billetta” (forma di metallo cilindrica
preriscaldata a temperatura tuttavia inferiore rispetto a quella di
fusione) in uno stampo avente la forma in negativo della ruota finita,
mediante una pressa capace di esercitare una forza di spinta talvolta
superiore alle 10.000 tonnellate.
Ovviamente, anche in questo caso, sul pezzo ottenuto si svolgono tutte
le lavorazioni meccaniche necessarie per ottenere la forma definitiva.
La differenza sostanziale tra forgiatura e fusione è dovuta alla
distribuzione del reticolo cristallino del metallo.
Nel primo caso, infatti, tale distribuzione mantiene sostanzialmente
l’andamento originario che aveva nella billetta, mentre nel secondo è
completamente variata e diventa casuale, poiché il materiale è stato
portato allo stato liquido tramite il processo di fusione.
Si noti che quanto appena descritto influisce notevolmente sulle
caratteristiche meccaniche del pezzo finale, che ovviamente risultano
migliori nel caso della forgiatura.
La fusione ha poi un ulteriore svantaggio, dato dagli spessori del pezzo
finito (con influenza anche sul peso), che non possono essere
eccessivamente limitati. Infatti, durante il processo di costruzione non
è possibile garantire con sicurezza il riempimento perfetto di tutti i
volumi cavi dello stampo (possono rimanere quelle che in gergo vengono
chiamate “soffiature”).
I due processi costruttivi descritti determinano in modo preponderante
la forma del cerchio, che non può soddisfare solo esigenze estetiche o
di resistenza alle sollecitazioni meccaniche.
Più precisamente, si può dire che tale forma deve poter permettere
l’azione adeguata dello stampo sulla billetta tramite la pressa, o il
perfetto scorrimento del metallo portato in fase liquida all’interno
degli interstizi dello stampo stesso. Radicalmente diverso è, invece, il
processo per la realizzazione di un cerchio in fibra carbonio.
Questo materiale ha, infatti, delle proprietà molto diverse da quelle
del magnesio. Esso può assorbire elevate sollecitazioni senza modificare
la sua forma in modo permanente (ha dunque una grande rigidità).
Il valore del suo modulo elastico è perciò elevato (a differenza di
quella elastica, la deformazione permanente, o plastica, rimane anche
quando la sollecitazione che la provoca si annulla). Occorre evidenziare
anche che il limite di rottura di un componente realizzato in carbonio
lo si raggiunge sostanzialmente quando si presenta quello della sua
deformazione elastica.
Così, ad esempio, questo materiale ha un valore di resistenza alla
trazione molto alto, con una bassissima percentuale di deformazione
prima della rottura. Questa caratteristica non è invece presente nei
metalli, come ad esempio il magnesio (che prima si deforma e poi si
rompe).
I processi utilizzati per costruire i cerchi ruota in carbonio possono
essere radicalmente diversi tra loro. In alcuni casi, si assemblano
tramite colle specifiche il canale, i due gusci che formano le razze e
il porta mozzo.
Altre metodologie dette monoscocca, più complesse e pregiate, prevedono
invece la costruzione dell’elemento in un unico pezzo.
In questo caso, il processo di lavorazione inizia da un nastro
realizzato con una resina impregnata da fibre di carbonio aventi un
orientamento opportuno (fattore che incide in maniera determinante sulle
caratteristiche meccaniche del cerchio ruota). Questo nastro viene
sottoposto a severi test per garantire le indispensabili qualità della
materia prima e viene stoccato in una camera con atmosfera a bassa
temperatura, per evitare che la resina indurisca.
La parte che deve essere utilizzata viene separata dalla bobina usando
tecniche di taglio con getto d’acqua ad altissima pressione. Il tratto
di nastro selezionato è inserito in uno stampo costituito da due parti
separate, nel quale viene tolta ogni traccia d’aria, ripetendo
solitamente la depressurizzazione per diversi cicli.
Al termine di questa parte della lavorazione, il semilavorato viene
inserito in una autoclave, dove con un gradiente termico prestabilito
(un innalzamento controllato della temperatura) la resina si indurisce.
Il cerchio acquisisce dunque la sua tipica rigidità e viene poi lavorato
per ottenere le forme definitive del canale e per inserire nella sua
zona centrale il mozzo con il cuscinetto.
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