Pressioni e Temperature Gomme e Freni nel SimRacing (parte 2)

Bentornato per la parte 2 dell'approfondimento su pressioni e temperature di gomme e freni nel SimRacing.

Abbiamo già analizzato nel dettaglio l'importanza delle pressioni gomme nella prima parte, che se non hai ancora letto, puoi trovarla cliccando qui --> PRIMA PARTE ARTICOLO

Riprendiamo subito, andando ad approfondire le temperature.

I tipi di Temperatura e da dove si originano

Partiamo dalla temperatura di superficie o esterna. 

Questa è una temperatura che viene misurata dagli strati esterni dello pneumatico, ovvero quelli a diretto contatto con la pista. 

Di norma, viene rilevata da una sorta di sensore infrarosso installato all'esterno dell'auto. 

Le temperature di superficie sono dinamiche e possono cambiare anche di 20 o 40° nel corso di una curva.

La temperatura interna, o core temperature, viene misurata dall'interno dello pneumatico, sempre grazie all'ausilio di un sensore. 

Rispetto alla temperatura di superficie, questo tipo di temperatura non è molto dinamica.

Infatti, impiega molto più tempo a salire e scendere ed è influenzata, oltre che dalla deformazione dello pneumatico e dalla temperatura ambientale circostante, anche dalla temperatura dei freni.

I modi in cui uno pneumatico genera calore

Per prima cosa, quando si parla di calore, è utile rappresentarlo come energia.

Quando si mette energia nello pneumatico, quell'energia si manifesta nella forma di energia termica, ovvero calore. 

Il primo modo di generare questa energia è tramite l'angolo di slittamento, detto anche slip angle. 

Quando uno pneumatico sta rotolando sulla pista, la parte di gomma che tocca l'asfalto è denominata contact patch.

In un rettilineo, la contact patch non è sollecitata da forze esterne, visto che la direzione dello pneumatico è la stessa di quella dell'auto.

Quando però affrontiamo una curva, a causa delle forze laterali che entrano in gioco, il battistrada si deforma.

La deformazione dello pneumatico porterà ad avere due direzioni diverse: una in cui punterà il veicolo ed una propria della gomma.

L'angolo che si forma tra questi due vettori è proprio l'angolo di slittamento.

Ma, in primis, questa deformazione fa sì che si generi dell'energia, che viene poi immessa nello pneumatico.

Energia nota come calore. 

Il diagramma mostrato ora è una tipica curva dell'angolo di slittamento: l'asse x è l'angolo di slittamento, mentre l'asse y è la forza di trazione laterale prodotta da questo angolo di slittamento. 

Partendo da un basso angolo di slittamento, si può notare che c'è un andamento lineare tra la forza di trazione laterale e l'angolo di slittamento stesso. 

Questa zona della curva del grafico è chiamata regione elastica lineare dello pneumatico.

Spostandosi poi più verso destra, la curva diventa non lineare e inizia ad appiattirsi.

Questa è la zona non lineare dello pneumatico.

Quando si dice guidare al limite, ci si riferisce proprio a questa regione della curva di slittamento.

L'obiettivo di ogni pilota è: guidare la monoposto il più vicino possibile al picco di forza di trazione laterale.

In questo modo, produrrà il maggior numero di G possibili in curva. 

Ad ogni modo, nessun pilota è perfetto e normalmente sarà leggermente al di sopra o al di sotto di questo picco.

Immaginiamo un pilota che utilizzi un eccessivo angolo volante e porti la propria monoposto oltre il picco massimo. 

Come nel diagramma, si nota come il pilota dell'esempio produca 950 N di forza di trazione laterale, ovvero con un'auto GT3 circa 0.7g, con 8° di angolo di slittamento ed il relativo calore generato, l'area rossa al di sotto della curva.

Confrontiamo ora questo pilota più aggressivo con un pilota più pulito e più tecnico nello stile di guida, ipotizzando che i tempi sul giro siano gli stessi per entrambi.

Il diagramma del secondo pilota è il seguente: il pilota più tecnico sta producendo comunque 950 N di forza di trazione laterale ma lo sta facendo con soli 4° di angolo di slittamento, invece di 8.

Per cui, analizzando l'area rossa al di sotto della curva, è chiaro come il pilota più tecnico produca minore energia, immettendo quindi meno calore negli pneumatici e mantenendo così le temperature di esercizio più basse, preservando nella durata.

Il secondo modo in cui uno pneumatico genera calore è per la perdita di energia per deformazione, detta anche strain energy loss. 

Questo fenomeno si riferisce alla quantità di energia che viene dissipata sotto forma di calore a causa della deformazione dello pneumatico durante il suo rotolamento. 

La perdita di energia è causata tanto dall'attrito all'interno dello pneumatico stesso che da quello dovuto al continuo contatto con la pista.

È risaputo, infatti, che lo pneumatico è composto da mescole di gomme diverse.

Pertanto è altamente deformabile, oltre a venire compresso e rilassato in numerose situazioni, come ad esempio il passaggio sui cordoli, durante la sterzata...

Le deformazioni elastiche, che includono la compressione e l'espansione dello pneumatico, rappresentano la parte recuperabile dell'energia.

Durante il rotolamento di un pneumatico, parte dell'energia immagazzinata viene dissipata proprio sotto forma di calore, a causa dell'Energy Strain Loss di cui abbiamo appena parlato.

Quindi, l'energia rilasciata non sarà uguale a quella immagazzinata, poiché una parte di essa viene persa sotto forma di calore.

In sostanza, viene immagazzinata più energia in compressione rispetto a quella dispersa quando il pneumatico è rilassato. 

Questo significa che l'energia, ovvero il calore all'interno dello pneumatico, si accumula nel tempo ogni qualvolta venga compresso. 

Nel diagramma sovrastante, si può notare come la quantità di energia che tratteniamo in compressione è maggiore di quella che poi viene rilasciata in estensione. 

L'area in viola all'interno del ciclo di compressione ed estensione dello pneumatico è proprio la quantità di energia accumulata che avremo per ogni singolo ciclo.

Infine, il terzo e ultimo modo in cui uno pneumatico genera calore è per irradiazione, per la precisione per irradiazione di calore del freno. 

Come sappiamo bene, all'interno del cerchio dello pneumatico abbiamo l'impianto frenante, composto da un disco del freno con una pinza al centro. 

In termodinamica, esiste un concetto chiamato trasferimento di calore.

Così come la pressione cerca sempre di fluire dall'alta alla bassa pressione, le temperature amano fluire dalle temperature più alte a quelle più basse; maggiore è la differenza tra le due temperature, più rapido sarà il trasferimento di calore.

Se immaginiamo che il gruppo freno possa diventare molto caldo, anche intorno ai 700°C, e che la temperatura interna del nostro pneumatico è solo di 80-95°C, questo crea una differenza di ben 550°C.

Quindi, abbiamo molto trasferimento di calore dal gruppo freni allo pneumatico.

Questo provoca due cose:

• Aumento della temperatura della gomma
• Aumento della pressione della stessa

Nell'immagine sovrastante, le frecce rosse indicano la direzione del trasferimento di calore.

Un concetto importante da sapere è che, se la temperatura interna del nostro pneumatico è tra gli 80 e 90°C, allora questa è anche più calda della temperatura dell'aria ambientale.

Ciò significa che avremo un trasferimento di calore anche dallo pneumatico all'ambiente circostante.

Ecco perché, a volte, nelle gare più fredde o in notturna, è molto più difficile mantenere la temperatura di esercizio negli pneumatici.

Il delta tra la temperatura interna dello pneumatico e l'aria circostante è maggiore.

Applicazione pratica di quanto detto finora

Ora che abbiamo ben chiaro cosa sono pressioni e temperature di esercizio e come queste si generano, procediamo ad un test pratico con l'utilizzo della telemetria. 

Il tracciato scelto è quello di Barcellona, un circuito noto per mettere alla frusta le coperture, soprattutto nei lunghi stint. 

Quello catalano è un circuito in cui si gira in senso orario, ovvero clockwise, in cui il Pilota guida seguendo la stessa direzione delle lancette dell'orologio. 

Può sembrare un'informazione superflua ed ininfluente, ma in realtà è un dato molto importante da conoscere.

Infatti, consapevole del fatto che in curva il trasferimento di carico laterale tenda a spostare tutto il peso sulle ruote esterne ed essendo, in questo caso specifico, le curve più veloci e tutte a destra...

...l'asse più stressato risulterà essere quindi quello di sinistra, che sarà anche quello più sollecitato in termini di pressioni e temperature. 

Viceversa, fosse stato un circuito anticlockwise, in senso opposto alla rotazione delle lancette, come potrebbero essere Imola o Kyalami, allora sarebbe stato l'asse di destra ad essere quello più stressato.

L'auto usata per la prova è la Ferrari 296 GT3, il simulatore di riferimento è ACC, utilizzando l'assetto stabile senza alcuna modifica, nemmeno per quel che riguarda le pressioni, con 120L di carburante. 

Le temperature di area e di asfalto sono state impostate rispettivamente a 21 e 28°C, con orario di inizio. 

Sono stati effettuati tre giri cronometrati.

Poi, è stato fatto un mini stint di otto giri.

Nel secondo test, sono state modificate le condizioni ambientali, portando le temperature di aria e di asfalto a 29 e 39°C.

La prima importante considerazione, già discussa in altre occasioni ma non per questo meno valida, sono i tempi in cui si stabilizzano le pressioni. 

Già al terzo giro cronometrato, infatti, dopo un'iniziale fase di crescita, i valori iniziano ad essere stabili ed affidabili. 

Questo vale anche in condizioni atmosferiche molto più calde, anche se, in questo caso, i valori sono più alti. 

A dimostrazione di quanto detto e per avere un'idea degli effetti che queste diverse pressioni abbiano sul bilanciamento della vettura, calcoliamo il rapporto.

Tra le pressioni anteriori e posteriori. in tutte e quattro le situazioni analizzate, il rapporto è pressoché identico tra 4 e 9 giri, incluso quindi l'out lap. 

Perciò, già dopo quattro giri possiamo iniziare a valutare il comportamento della nostra monoposto. 

Per quel che riguarda le pressioni da utilizzare, analizzando più a fondo i dati telemetrici, possiamo ottenere altre importanti informazioni in merito al tracciato e alle modifiche che potremmo dover apportare al setup. 

Abbiamo già parlato del fatto che l'asse di sinistra sarà quello più sollecitato, ma verificando i dati relativi ai G laterali è facile intuire come tanto nel primo settore con curva 1 e 3, quanto nel secondo (curva 4 e 9) e nel terzo (curve 12, 13 e 16)...

...ci sia poco respiro per le coperture di sinistra. 

In realtà, approfondendo i dati di pressioni e temperature, possiamo notare che si arriva ad un picco massimo proprio a metà del secondo settore, quando la combo micidiale di curva 3 e 4 fa innalzare i valori.

Notiamo anche che lungo tutto il rettilineo dei box, temperature e pressioni tendono ad abbassarsi. 

Ma come mai? 

Se immaginiamo di illustrare in maniera schematica i tre fattori che influenzano la velocità di variazione della temperatura di un pneumatico, otterremo qualcosa di simile:

1. Perdita di temperatura tra la superficie dello pneumatico e l'aria circostante
2. Perdita di temperatura tra la superficie dello pneumatico e la pista
3. La generazione di temperatura a causa della forza laterale/longitudinale nella zona di contatto della gomma

Un esempio dell'evoluzione della temperatura dello pneumatico posteriore sinistro di una F4 che effettua una curva a destra è fornita da questo grafico.

Dato che Assetto Corsa Competizione non riporta in telemetria le temperature di superficie, scelta questa abbastanza discutibile, abbiamo utilizzato iRacing. 

Il grafico mostra la velocità dell'auto, l'accelerazione laterale e longitudinale, e la temperatura della superficie esterna dello pneumatico posteriore sinistro. 

Durante il tratto rettilineo prima della curva, possiamo osservare una diminuzione della temperatura nel tempo.

Non ci sono forze laterali che stanno agendo sugli pneumatici, e l'accelerazione longitudinale diminuisce fino quasi a zero.

Con l'aumentare della velocità, il punto due indica dove il pilota inizia a frenare.

In questo punto, l'accelerazione longitudinale passa da zero a un valore locale negativo massimo.

Ma allo stesso tempo la velocità diminuisce, e non c'è traccia di alcuna variazione significativa della temperatura.

Questo perché l'aumento della temperatura, a causa delle forze della contact patch dello pneumatico, è più o meno bilanciato dall'effetto di raffreddamento dell'aria e della superficie della pista.

Tutto cambia nel momento in cui l'accelerazione laterale inizia ad aumentare, punto tre.

Da questo punto, possiamo osservare un rapido aumento della temperatura dello pneumatico, che raggiunge il proprio picco indicativamente nello stesso punto dell'accelerazione laterale, punto quattro. 

L'auto sta ancora frenando, quindi tutto ciò che è stato detto finora è ancora valido, ma ora che le forze laterali e l'angolo di slittamento aumentano a causa della sterzata, questo effetto prevale sugli effetti di raffreddamento visti in precedenza. 

Si nota anche come nel momento in cui il pilota corregga una traiettoria e la forza laterale scenda, le temperature di superficie scendano velocemente di conseguenza.

Infine, al punto cinque, l'auto sta accelerando di nuovo sul rettilineo, dove lo pneumatico verrà raffreddato ancora una volta dall'aria e dall'asfalto, proprio come accade sul rettilineo di Barcellona.

Da questa velocissima analisi scaturisce il fatto che, per aumentare la temperatura dello pneumatico, è necessario massimizzare la forza laterale o longitudinale e l'angolo di slittamento.

Per questo motivo, quando l'auto percorre tutto il lungo rettifilo box, gli pneumatici riescono ad abbassare le proprie temperature di esercizio molto più rapidamente di quelle esterne e, in maniera più lenta, anche quelle interne.

E restando sempre su pressioni e temperature, ma spostandoci sui relativi grafici, possiamo notare come l'asse di sinistra rientri in pieno nella finestra ideale di esercizio (la gialla evidenziata) mentre quello di destra rimanga ben al di sotto. 

Allo stesso modo, analizzando le temperature di esercizio, è solo la posteriore sinistra che esce fuori dalla finestra ideale, la fascia rossa evidenziata.

Soffermandoci ulteriormente su questi dati, si nota anche come queste si innalzino puntualmente nel tratto successivo a curva 3 e 4, come avevamo ipotizzato analizzando la mappa del circuito. 

Se ora verifichiamo gli stessi grafici del secondo test, quello con le temperature di aria e asfalto decisamente più alte, notiamo dei cambiamenti significativi.

Tutto l'asse di sinistra è fuori dalla finestra ideale, mentre quello di destra, che prima faticava, ora è nel range ottimale.

Anche le temperature confermano questo trend.

Cosa è successo? 

Esattamente quello che abbiamo visto nella prima parte: le temperature più alte di aria e di asfalto, hanno fatto innalzare la temperatura dell'azoto all'interno dello pneumatico, dato che ha assorbito il maggior calore dell'ambiente circostante. 

Oltretutto, anche le temperature esterne dello pneumatico sono aumentate a causa della pista più calda e quindi, seppure in minima parte, ha ulteriormente contribuito ad aumentare la temperatura interna.

Infine, un altro fattore da non sottovalutare.

Anche i freni risentono delle temperature ambientali più calde, tanto da avere una temperatura d'esercizio minima di ben 7° superiori nel secondo stint.

Un trend anche qui che ritroviamo nelle temperature medie e massime. 

Quindi, anche l'impianto frenante ha contribuito all'aumento delle pressioni interne degli pneumatici.

Conclusi questi primi due test, procediamo con i successivi.

Impostiamo nuovamente temperature di aria e di asfalto a 21 e 28°C, quindi in un contesto ambientale decisamente più ideale, e gonfiamo gli pneumatici dell'asse di destra a 27 PSI (pressione a freddo, chiaramente) ed effettuiamo tre giri cronometrati. 

I valori di PSI utilizzati in questo test non sono quelli ideali.

Ricordiamo a tal proposito che la corretta finestra di utilizzo degli pneumatici va da 26 a 27 PSI, con uno sweet spot a 26.64. 

In questo caso, le pressioni schizzano subito fuori dalla finestra ideale, benché si tratti dell'asse debole, mentre, come nel primo test, gli pneumatici di sinistra sono all'interno del range corretto.

Le temperature di esercizio dell'asse di destra scenderanno perché, essendoci meno superficie a contatto con la pista, ci sarà anche meno deformazione e meno attrito, mentre quelle di sinistra continueranno ad essere di qualche grado oltre il limite ideale.

Per l'ultimo test, andremo invece a gonfiare gli pneumatici dell'asse di sinistra, sempre a 27 PSI a freddo. 

Considerando che siamo andati ad inasprire le pressioni di quello che è l'asse più stressato, non stupisce che l'auto sia totalmente fuori dalle finestre ideali, tanto sull'asse di sinistra che quello di destra. 

Quello che invece appare perfetto sono le temperature di tutti e quattro gli pneumatici, che, grazie a maggiori pressioni sull'asse di sinistra, sono all'interno del loro range di utilizzo.

Considerando che i tempi sul giro sono pressoché identici nei primi giri in entrambi i test, è chiaro come ad essere importante non siano tanto i valori assoluti in sé, quanto le modifiche che questi apportano all'handling della monoposto e all'uniformità di usura degli pneumatici sul lungo periodo. 

Questo perché diverse pressioni implicano anche diversi tipi di contact patch dello pneumatico, da bilanciare con i settaggi di camber e caster, così da essere certi, analizzando le temperature di superficie, che l'impronta a terra sia massimizzata e la temperatura ben distribuita.

Un'ultima considerazione finale andrebbe fatta poi anche sul tipo di layout del tracciato.

Se presenta o meno curve veloci/lente, ragionando sulle tipologie di pressioni necessarie, anche al netto delle temperature ideali (a meno che non siano estreme).

Pensiamo a Monza, dove l'anteriore destra è la gomma meno sollecitata in assoluto, possiamo ragionare se puntare ad avere pressioni più basse ma con più impronta a terra e temperature più alte, o se prediligere una gomma più gonfia e rigida a discapito delle temperature di esercizio.

Dare una risposta secca e decisa senza conoscere quelle che sono le condizioni ambientali e la lunghezza della gara, è improprio. 

Ma, considerando che il punto in cui l'anteriore destra viene sollecitata maggiormente è forse l'ingresso della variante Ascari.

Vista l'alta velocità di attacco, potrebbe convenire scegliere di avere una spalla ed un sidewall dello pneumatico più rigido per avere più reattività nel cambio di direzione.

O anche una gomma che possa sopportare carichi laterali più alti.

Certo, potremmo anche gonfiarla al massimo dei PSI disponibili, farla diventare come un palloncino e poi fare qualche giro.

Ma questo è un test che non avrebbe granché senso. 

Con questo si conclude l'analisi dettagliata su come le pressioni e le temperature di esercizio influenzano il comportamento degli pneumatici nel sim racing, evidenziando l'importanza di una corretta gestione di questi parametri per ottimizzare le prestazioni in pista. 

Questa disamina ci ha permesso di capire meglio come affrontare la preparazione del veicolo in relazione alle diverse condizioni di gara e di tracciato...

...sottolineando come le scelte effettuate possano avere un impatto significativo sull'handling della monoposto e sull'usura degli pneumatici nel lungo periodo. 

La capacità di adattare e ottimizzare il setup in base alle specifiche necessità può fare la differenza tra una gara vinta e una persa, dimostrando ancora una volta che nel SimRacing, come nel motorsport reale, il diavolo si nasconda nei dettagli.

Tuttavia, ciò che conta ancor di più del Setup, sono le tecniche di guida.

Puoi anche avere il miglior setup di questo mondo sugli pneumatici, ma se non sai come guidare, tutto ciò che abbiamo detto è aria fritta.

Imparare a guidare al meglio sui simulatori, però, non è per nulla facile.