La fisica e la motocicletta

1. 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)

2. 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

3. 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?

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

5. 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’effetto giroscopico del motore non influenza l’angolo di rollio L’asse di rotazione del motore è longitudinale

6. 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.

7. 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.

8. 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.

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

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

11. 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

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

13. 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 negativa: capsize stabile Coppia positiva: capsize instabile 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.

14. 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]

15. La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare 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

16. 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)

17. 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

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

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

20. La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare

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

22. 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.

23. 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.

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

25. 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.

26. 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.

27. 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

28. 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

29. 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

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

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

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

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

34. 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

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