La fisica e la motocicletta INFN – Frascati - 6 ottobre 2005 –Festival della Scienza La fisica e la motocicletta Vittore Cossalter Dipartimento di Ingegneria Meccanica Università di Padova Via Venezia 1, 35131 Padova (Italy)

La motocicletta La motocicletta è composta, considerando rigide le sospensioni, da quattro corpi: il corpo posteriore (telaio, motore, serbatoio, sella), L’avantreno (la forcella, il manubrio), la ruota anteriore, la ruota posteriore. 1° g.d.l. rotazione della ruota posteriore (moto di avanzamento) 2° g.d.l. rotazione del manubrio 3° g.d.l. moto di rollio

ARGOMENTI: Gli effetti giroscopici nella motocicletta sono importanti? Come si guida una motocicletta? Perché la motocicletta può diventare instabile e quindi pericolosa? Attorno a quale asse ruota la motocicletta durante l’inserimento in curva? Quale sarà l’evoluzione futura della motocicletta?

Gli effetti giroscopici della motocicletta. Effetto giroscopico del moto di imbardata: L’effetto giroscopico “ruote, motore-moto imbardata” si manifesta con un momento raddrizzante.

Gli effetti giroscopici della motocicletta. Effetto giroscopico del moto di imbardata: L’angolo di rollio reale risulta maggiore dell’angolo di rollio teorico Il motore ruota nello stesso verso delle ruote L’effetto del motore si somma a quello delle ruote Il motore ruota nel verso opposto L’effetto del motore si sottrae a quello delle ruote L’asse di rotazione del motore è longitudinale L’effetto giroscopico del motore non influenza l’angolo di rollio

Gli effetti giroscopici della motocicletta. Effetto giroscopico del moto di rollio: Il momento giroscopico “ruota anteriore-moto di rollio” tende a ruotare il manubrio all’interno della curva, facilitando quindi l’ingresso in curva.

Gli effetti giroscopici della motocicletta. Effetto giroscopico del moto di rollio: Il momento giroscopico “ruote, motore- moto di rollio” tende ad imbardare il motociclo verso destra, facilitando quindi l’ingresso in curva.

Gli effetti giroscopici della motocicletta. Effetto giroscopico del moto dello sterzo Il momento giroscopico tende a inclinare il motociclo verso destra, aiuta quindi il moto di rollio verso destra del motociclo.

Stabilita’ direzionale: equilibrio del motociclo guida della motocicletta: stabilita’ direzionale e inserimento in curva Stabilita’ direzionale: equilibrio del motociclo in rettilineo a bassa velocità

Stabilita’ direzionale: equilibrio del motociclo guida della motocicletta: stabilita’ direzionale e inserimento in curva Stabilita’ direzionale: equilibrio del motociclo in rettilineo ad alta velocità

guida della motocicletta: stabilita’ direzionale e inserimento in curva Fase iniziale di controsterzo Inserimento in curva “push right to go left” spingi verso destra per andare a sinistra

guida della motocicletta: stabilita’ direzionale e inserimento in curva “push LEFT to go RIGHT”

guida della motocicletta: stabilita’ direzionale e inserimento in curva Durante la guida lungo una traiettoria circolare, con velocità costante, il pilota controlla il veicolo applicando una coppia al manubrio. Se il valore della coppia applicata è piccolo il pilota avverte la motocicletta come “maneggevole”. La coppia dovrebbe essere piccola e semmai di valore negativo. Sensazione di maneggevolezza Coppia positiva: capsize instabile Coppia negativa: capsize stabile Senza il controllo del pilota l’angolo di sterzo diminuisce e il veicolo cade. Senza il controllo del pilota il veicolo, dopo alcuni serpeggiamenti, tende a seguire una traiettoria rettilinea.

Influenza dello spostamento laterale del pilota guida della motocicletta: stabilita’ direzionale e inserimento in curva La coppia applicata allo sterzo Influenza dello spostamento laterale del pilota Baricentro pilota spostato all’interno di 5 cm. Coppia/accelerazione laterale Supponiamo che la coppia applicata sia negativa (il manubrio viene sostenuto). Lo spostamento verso l’interno del pilota diminuisce il valore della coppia negativa. Pilota in posizione simmetrica Velocità [m/s]

MODI DI VIBRARE La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare capsize, caduta laterale del motociclo wobble, oscillazione dell’avantreno attorno all’asse dello sterzo weave, oscillazione laterale, di rollio e di imbardata di tutta la motocicletta

La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare MODI DEGLI PNEUMATICI Modo della massa non sospesa anteriore Modo della massa non sospesa posteriore Frequenza (10-20 Hz) Frequenza (10-20 Hz)

MODI DELLE SOSPENSIONI Scuotimento verticale La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare MODI DELLE SOSPENSIONI Scuotimento verticale Beccheggio Frequenza (2-5 Hz) Smorzamento elevato (0.3-0.8) Frequenza (2-5 Hz) Smorzamento elevato (0.5-1) Il modo di beccheggio ha frequenza superiore del modo di scuotimento verticale

MODO “WOBBLE” O “SHIMMY” della ruota anteriore La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare MODO “WOBBLE” O “SHIMMY” della ruota anteriore root-loci (speed = 3..60 m/s) WOBBLE Frequenza (5-10 Hz) Può essere instabile alle alte velocità

root-loci (speed = 3..60 m/s) La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare MODO “WEAVE” root-loci (speed = 3..60 m/s) WEAVE Frequenza (1-4 Hz) Instabile alle basse velocità, può essere instabile alle alte velocità

La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare

INFLUENZA DELLE FLESSIBILITA’ SUI MODI “WOOBLE e WEAVE” La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare INFLUENZA DELLE FLESSIBILITA’ SUI MODI “WOOBLE e WEAVE”

INFLUENZA DELLA FLESSIBILITA’ DELLA FORCELLA SUL MODO “WOOBLE” La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare INFLUENZA DELLA FLESSIBILITA’ DELLA FORCELLA SUL MODO “WOOBLE” La flessibilità della forcella riduce la stabilità e la frequenza a velocità medio-bassa.

La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare INFLUENZA DELLA FLESSIBILITA’ DELLA FORCELLA SUL MODO “WOOBLE” La flessibilità riduce la stabilità. L’effetto giroscopico “ruota anteriore-rotazione forcella” aumenta la stabilità.

La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare INFLUENZA DELLA FLESSIBILITA’ DELLA FORCELLA SUL MODO “WOOBLE” CONFRONTO NUMERICO-SPERIMENTALE

La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare INFLUENZA DELLA FLESSIBILITÀ TORSIONALE DEL TELAIO-FORCELLONE POSTERIORE SUL MODO “WEAVE”. La flessibilità torsionale riduce la stabilità. La flessibilità torsionale riduce la frequenza alle velocità medio-alte.

La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare INFLUENZA DELLA FLESSIBILITA’ TORSIONALE SUL MODO “WEAVE” La flessibilità torsionale riduce la stabilità. L’effetto giroscopico “ruota posteriore-rotazione forcella” aumenta lievemente la stabilità.

INFLUENZA DELLA MOBILITA’ DEL PILOTA SUI MODI “WEAVE” e “WOOBLE” La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare INFLUENZA DELLA MOBILITA’ DEL PILOTA SUI MODI “WEAVE” e “WOOBLE” WOBBLE WEAVE La mobilità del pilota incrementa la stabilità sia del Weave che del Wobble

Caso particolare: solo moto di rollio (traiettoria rettilinea) Attorno a quale asse ruota la motocicletta durante l’inserimento in curva? Caso particolare: solo moto di rollio (traiettoria rettilinea) The Mozzi axis is horizontal and passes through the contact points The motion of the motorcycle is a rotation about and a translation along the Mozzi axis

Caso particolare: solo moto di imbardata (traiettoria circolare) Attorno a quale asse ruota la motocicletta durante l’inserimento in curva? Caso particolare: solo moto di imbardata (traiettoria circolare) The Mozzi axis is vertical and passes through the turn centre The motion of the motorcycle is a rotation about the Mozzi axis

Attorno a quale asse ruota la motocicletta durante l’inserimento in curva? Caso generale

Attorno a quale asse ruota la motocicletta durante l’inserimento in curva? Entrata lenta in curva Traccia asse di Mozzi traiettoria Centro di curvatura

Entrata veloce in curva Attorno a quale asse ruota la motocicletta durante l’inserimento in curva? Entrata veloce in curva Traccia asse di Mozzi traiettoria Centro di curvatura

Attorno a quale asse ruota la motocicletta durante l’inserimento in curva? Entrata in curva, pista di Adria: RSV 1000 Aprilia

Attorno a quale asse ruota la motocicletta durante una manovra di slalom? Slalom, passo =14 m Centro di curvatura Traccia asse di Mozzi traiettoria Traccia asse di Mozzi Centro di curvatura

La fisica e la motocicletta Fina parte 1° INFN – Frascati - 6 ottobre 2005 –Festival della Scienza La fisica e la motocicletta Fina parte 1°