Dagli pneumatici ai freni a disco: la tesi di laurea di Micaela Boscia collegata al motorsport - ep.2
- Francesca Zito
- 16 ago 2024
- Tempo di lettura: 4 min
Nell'articolo uscito una settimana fa abbiamo introdotto i materiali bioispirati e ci siamo concentrati sulla descrizione della loro applicazione in una parte specifica delle macchine: le gomme. Questa volta invece il focus si sposta sul sistema di sospensione e sui dischi freno. A spiegarci il tutto è stata, anche in questa occasione, Micaela Boscia, che ha scritto ed esposto la sua tesi di laurea proprio su questi argomenti.
Il sistema di sospensione
Il sistema che andremo ad analizzare, cioè quello di sospensione, è composto principalmente da molle che aiutano a controllare i carichi della sospensione e gli ammortizzatori, con l’obiettivo di assorbire e filtrare l'energia cinetica trasmessa dagli pneumatici.
Ammortizzatore ispirato alle piante rampicanti
Il dipartimento di ingegneria meccanica dell’università di Inha, in Corea, ha realizzato un ammortizzatore ispirato alla struttura a viticcio delle piante rampicanti usando il fluido magnetoreologico (MR).
Il viticcio viene generalmente utilizzato per sostenere le piante rampicanti e collegarle ad altre piante o strutture. La sua forza dipende direttamente dalla concentrazione del fluido dentro il viticcio.
L’aspetto su cui focalizzarci è la presenza di particelle magnetiche sospese in modo casuale in un olio che si allineano alla linea del campo magnetico quando quest’ultimo viene applicato. Proprio basandosi su questo aspetto, è stata realizzata la molla MR con una struttura elicoidale cava, piena di fluido MR e avvolta in un filo di rame.
Prototipo di un ammortizzatore idraulico bioispirato
Proprio riguardo gli ammortizzatori bioispirati, l’università della California ne ha realizzato uno ispirato al meccanismo di dissipazione dell’energia presente nella conchiglia di abalone, nelle ossa e nella titina (una proteina del tessuto muscolare) che costituiscono un sistema di ammortizzazione passiva. Questo meccanismo è dovuto a legami sacrificali e alla lunghezza nascosta. Entrando nel linguaggio tecnico, cosa sono queste caratteristiche appena citate? I legami sacrificali sono dei legami che si rompono prima che quello principale strutturale sia rotto, mentre la lunghezza nascosta è la parte della molecola che è stata vincolata dal legame sacrificale.
Il design di questo ammortizzatore è basato sul meccanismo di dissipazione dell’energia presente nelle ossa. La prestazione del prototipo invece è stata testata su un sistema di sospensione automobilistico con turbolenze stradali durante delle simulazioni. Dopo questo passaggio, la performance è stata paragonata a quella di un modello semplificato di sistema di sospensione, cioè quello di una vettura a quattro cilindri.
Il disco freno
L’ultima componente che andiamo ad analizzare insieme a Micaela è il disco freno. Lo vediamo spesso nelle vetture da corsa e ne sentiamo spesso parlare ma, in termini tecnici, cos’è un disco freno? Viene definito come “un elemento in grado di girare con la ruota. Quando le pastiglie vengono spinte dalle pinze contro il disco freno per ridurre la rotazione, l’energia cinetica viene convertita in calore dalla frizione.”
Disco freno ispirato all'ala di un gufo e alla superficie di una locusta
Dopo una breve introduzione, il nostro focus va sull’elemento del disco freno bioispirato, in questo caso all’ala di un gufo e alla superficie di una locusta. I ricercatori dell’università di Fuzhou, in Cina, hanno realizzato un disco freno bioispirato con l’obiettivo di ridurre la vibrazione e, di conseguenza, anche il rumore, migliorando la resistenza all’usura e l’efficienza in frenata.
Per realizzare il primo obiettivo, sono state prese come ispirazione le ali del gufo, mentre per il secondo caso, il prototipo biologico è stata la superficie del corpo delle locuste. Prendiamo in analisi le ali del gufo, note per le diverse proprietà che le distinguono dagli altri uccelli. Una di queste è il loro volo silenzioso, dovuto principalmente alla forma delle ali. La loro dimensione è più grande rispetto a quella di ogni altro tipo di uccello, il che è un grande vantaggio per le civette, in quanto permette loro di volare senza sbattere troppo le ali e producendo quindi meno rumore.
In seconda istanza, le turbolenze vengono divise in micro-turbolenze grazie alle penne primarie che sono seghettate come un pettine. Inoltre, il bordo d'attacco attenua il suono e riduce l'angolo di flusso dell'aria.
Parlando invece delle locuste, una loro importante abilità è quella di cambiare la struttura della loro pelle per ridurre la resistenza all’acqua. Partendo da questa proprietà delle locuste e da quanto descritto in precedenza riguardo alle civette, è stato realizzato un modello 3D di un disco freno bioispirato. La struttura dell’alla del gufo è stata usata per creare scanalature di distribuzione elicoidale, mentre la superficie della locusta è stata l’ispirazione per la superficie in acciaio a spirale sul disco.
Come risultato, la struttura del disco freno bioispirato ha ridotto l’area di contatto tra il disco freno e le pastiglie, aumentando l’area di contatto tra il disco freno e l’aria e migliorando la conduzione del calore e l’abilità di convezione del calore.
Dopo aver sviluppato questi due articoli, possiamo giungere alla conclusione che non solo il collegamento tra natura e ingegneria è più frequente di quanto potessimo aspettarci, ma anche che l'applicazione dei materiali bioispirati può rivelarsi cruciale nell'industria automobilistica.
Ci teniamo a ringraziare Micaela per aver condiviso la sua tesi di laurea con noi, offrendoci preziosi spunti.
コメント