L’ABS e’ un “assistente elettronico” della frenata per le vetture (non
solo automobili).
Il principio di funzionamento e’ abbastanza semplice: esso misura la
velocita’ di rotazione delle ruote e se si accorge che una ruota si e’
fermata (o quasi) allenta il freno, per impedire che la ruota slitti. Cio’
comporta due vantaggi per il conducente del mezzo. Il primo vantaggio e’
che non si perde il controllo della vettura: infatti le ruote bloccate
impediscono anche il funzionamento dello sterzo, come sara’ piu’ chiaro
in seguito. Il secondo vantaggio e’ che gli spazi di frenata si accorciano,
sia rispetto a quelli che si avrebbero con le ruote bloccate, sia rispetto
a quelli che un guidatore medio riesce ad ottenere senza ABS. Un conducente
molto esperto, invece, riesce nella maggior parte delle situazioni ad avere
spazi di frenata piu’ brevi senza ABS.
Nel considerare il “funzionamento” di una ruota (e dell’ABS) e’ importantissimo
avere ben chiaro il concetto di attrito. Bisogna distinguere l’attrito
radente e l’attrito volvente, ciascuno dei quali puo’ essere statico o
dinamico. L’attrito e’ la forza che si oppone al movimento di un corpo,
nel caso in esame allo spostamento della ruota sull’asfalto. L’attrito
radente e’ quello che si oppone al moto in assenza di rotolamento; l’attrito
volvente, invece, e’ quello che si ha nella direzione del moto quando la
ruota rotola. L’attrito statico e’ quello di “primo distacco”, cioe’ nel
momento di passaggio tra quiete e moto. L’attrito dinamico, invece e’ quello
“a regime”, cioe’ durante il moto.
E’ abbastanza intuitivo che l’attrito volvente sia molto minore di quello
radente, anzi se non fosse per la non perfetta elasticita’ della “ruota”
(intesa come pneumatico pieno d’aria) l’attrito volvente sarebbe praticamente
nullo. Per i nostri scopi e’ sufficiente considerarlo tale, senza entrare
nel dettaglio del perche’ sia minore di quello radente. Meno chiaro, ma
di fondamentale importanza per l’ABS, e’ il fatto che l’attrito statico
e’ spesso piu’ elevato di quello dinamico (qui è spiegato perché).
Ricapitolando, l’attrito volvente (statico o dinamico) e’ quella forza
che bisogna vincere per muovere “normalmente” l’auto (cioe’ con le ruote
che rotolano); l’attrito radente statico e’ quella forza che impedisce
ad una vettura (parcheggiata con i freni azionati) di “scivolare” giu’
per una discesa sotto il proprio peso; l’attrito radente dinamico e’ quella
forza che agisce quando la vettura e’ in moto con le ruote bloccate (per
esempio in una frenata brusca senza ABS). Tutte queste forze d’attrito
hanno il loro “punto d’applicazione” sulla superfice di contatto pneumatico-asfalto.
Per questi esempi sono state scelte situazioni in cui agisse un solo tipo
di questi attriti, ma, in generale, essi agiscono contemporaneamente. Per
esempio in una curva percorsa senza frenare e’ fondamentale la presenza
di un alto attrito radente statico nella direzione perpendicolare a quella
del moto, affiche’ il veicolo possa percorrere la traiettoria impostata
senza partire per la tangente. Infatti girare le ruote vuol dire opporre
una forza che impedisce all’auto di “andare dritta”. Questa forza e’ l’attrito
radente: le ruote, infatti, stanno rotolando in una direzione diversa dall’
“avanti” (poiche’ sono girate). Se le ruote sono bloccate e l’auto e’ in
moto, invece, e’ indifferente la loro posizione, poiche’ l’attrito radente
sta gia’ agendo senza successo (ma evidentemente prima o poi questa forza
blocchera’ l’auto, forse dopo che e’ uscita di strada…)
Vediamo adesso cosa succede in una frenata in rettilineo, confrontando
le ruote completamente bloccate con quelle frenate “al limite” dello slittamento.
Quando le ruote sono completamente bloccate la forza “frenante” che
agisce sulla vettura e’ l’attrito radente dinamico di ciascun pneumatico.
Ovviamente ci saranno anche altre “forze frenanti”, come la resistenza
dell’aria, ma questi agisco allo stesso modo sia con le ruote bloccate
che con le ruote in rotazione. Quando invece agisce l’ABS la “forza frenante”
che agisce e’ la massima possibile che non faccia slittare le ruote. Ma
qual’e’ questa forza “massima possibile”? E’ proprio l’attrito radente
statico, che essendo maggiore dell’attrito radente dinamico permette una
piu’ rapida decelerazione. Prima di vedere perche’ sia proprio l’attrito
radente statico la massima forza applicabile senza uno slittamento faccio
una precisazione: per vari motivi (fra cui quello di una maggior sicurezza
in curva) l’ABS viene tarato per tenere le ruote ad un certa “distanza”
dal limite di slittamento, ed e’ per questo che i piloti professionisti
riescono (in generale) ad avere prestazioni migliori senza ABS, poiche’
“regolano” meglio la frenata piu’ “vicino” allo slittamento delle ruote,
riuscendo ad imprimere alla vettura una forza (lievemente) maggiore.
Esaminiamo allora con un po’ di dettaglio il “rotolamento” di una ruota:
La ruota gira se agisce su di essa una coppia di forze. Queste forze (per
le ruote motrici) vengono trasmesse alla ruota dal supporto che le collega
al motore. Affinche’ la vettura si muova occorre che la ruota “spinga all’indietro”
il terreno; e questo avviene nel punto di contatto col suolo, dove la ruota
“sente” l’attrito radente statico, cioe’ quello di “primo distacco”, poiche’
in quel punto la ruota e’ “attaccata” alla strada e deve “staccarsi” per
muoversi. E’ facile convincersi di questo fatto (se non siete gia’ convinti)
con un piccolo esperimento: vedere quanto sia facile che le ruote slittino
quando ci sia un basso coefficiente di attrito statico (per esempio ruota
e “strada” di metallo levigati e lubrificati). Nel caso delle ruote non
motrici la situzione e’ invertita, poiche’ e’ l’attrito con il terreno
che le fa ruotare, ma concettualmente non cambia nulla, tranne i versi
delle forze.
A questo punto e’ chiaro che la massima forza che la ruota puo’ imprimere
alla strada (e quindi all’automobile, per il principio di azione e reazione)
e’ proprio l’attrito radente statico. Se si prova ad imprimere una forza
piu’ elevata la ruota slitta (e a quel punto agisce l’attrito dinamico,
che e’ una forza minore dell’attrito statico). Questo ragionamento non
tiene conto del verso della forza, ed infatti si verifica sia in frenata,
che in accelerazione. Per completezza menziono l’esistenza di sistemi elettronici
di gestione dell’accelerazione, dal funzionamento simile all’ABS, che impediscono
anch’essi lo slittare delle ruote.