Per capire come variano i consumi di un qualsiasi veicolo a motore a seconda del tipo di guida, dobbiamo procedere ad un analisi energetica dei diversi moti possibili e per fare questo dobbiamo tenere presente quali forze agiscono su un veicolo.
Chiaramente, data la domanda in esame, restringiamo la nostra attenzione a quei veicoli che si muovono su ruote.
Su un veicolo del genere in moto agiscono due forze:
1) l’attrito viscoso dell’aria, si oppone sempre al moto del veicolo, per cui ha sempre lavoro negativo, che sottrae energia cinetica al veicolo, e aumenta con la velocità;
2) l’attrito volvente con il terreno, che agisce facendo girare le ruote, la direzione di questa forza è anch’essa quella della velocità, ma, finché trattiamo un moto di rotolamento, è diretta concordemente, per cui il suo lavoro è positivo.
Le variazioni di velocità avvengono grazie al fatto che, tramite meccanismi interni all’automobile, l’autista è in grado di modificare il modulo dell’attrito volvente, aumentandolo (in fase di accelerazione) o diminuendolo (in fase di frenata).
L’azione del motore è quella di fornire l’energia necessaria al mantenimento o all’aumento del modulo dell’attrito volvente, mentre i freni agiscono quando è necessario ridurre l’attrito volvente.
Quando l’automobile viaggia a velocità costante (che è il comportamento che si tiene quasi sempre in autostrada) le due forze agenti si equivalgono, per cui il motore deve solo fornire l’energia necessaria a bilanciare quella persa per l’azione dell’attrito viscoso dell’aria.
Ogni volta che l’automobile accelera il motore deve bruciare un surplus di carburante, perchè, oltre che fornire l’energia necessaria a compensare le perdite per attrito viscono, deve fornire la quantità di energia che serve a far variare l’energia cinetica dell’automobile.
Quando l’automobile frena, la variazione di energia cinetica non si ritrasforma in energia immagazzinata, ma viene dispersa sottoforma di calore. I veicoli elettrici riescono a recuperare parte di questa energia reimmettendola nelle batterie, come anche alcune macchine di formula 1 sfruttano le frenate per caricare le batterie delle auto in modo da non pesare sul motore nelle fasi in cui servono le massime prestazioni, ma questo recupero è solo parziale e molto ridotto, almeno allo stato attuale della tecnologia, ma in ogni caso non potrebbe mai essere totale. In ogni caso, durante la frenata, si perde dell’energia cinetica in modo irreversibile, per cui se dopo la frenata si vuole recuperare la velocità che si aveva prima è necessario bruciare nuovamente un surplus di carburante.
Quando si guida in città, per tutta una serie di motivi che sono sotto gli occhi di tutti, frenate e riaccelerate sono all’ordine del minuto mentre in autostrada sono molto meno frequenti. Anche se le variazioni di velocità di autostrada sono di entità maggiore, la maggiore frequenza gioca a sfavore dei consumi in città.
A queste considerazioni ne vanno aggiunte altre due:
1) tutti i motori a combustione interna non hanno lo stesso rendimento a tutti i regimi, ma hanno rendimenti sensibilmente superiori ad alti giri, per cui in autostrada riescono ad erogare la stessa energia bruciando meno carburante;
2) una buona parte dell’energia ricavata dalla combustione del carburante viene dispersa a causa di attriti interni al motore. L’entità di questa perdita non dipende dalla velocità dell’auto ma dai giri del motore. Di conseguenza quando per esempio in autostrada andiamo a 90 all’ora in quinta, gli attriti interni del motore sono gli stessi che quando in città andiamo a 40 allora in terza (o peggio in seconda).