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Il kart a scuola

Ma andrà anche all’università. Non è la prima volta che ci occupiamo di studi sul kart effettuati da team universitari anche in collaborazione con aziende del settore, ma i casi si contano sulle dita di una mano. Ancora più sporadici gli eventi di questo genere registrati in scuole superiori, come nel caso dell’Istituto Sarrocchi di Poggibonsi, in provincia di Siena, dal quale prende vita il progetto che presentiamo in questo articolo, dopo averne preso visione nel numero di gennaio 2007.

Il progetto
L’idea di analizzare il comportamento dinamico e strutturale di un kart nasce dalla passione che attanaglia i protagonisti, a tutti i livelli, e la volontà di applicare e migliorare le conoscenze tecniche scolastiche in modo piacevole e gratificante. Insomma l’utile e il dilettevole alla massima potenza (appunto).
Il gruppo di lavoro è ben nutrito, sia in termini qualitativi, con l’interessamento di alcuni docenti dell’Istituto Roncalli-Sarrocchi e di un professore dell’Università di Pisa, che ha messo a disposizione anche un sofisticato software, sia in termini quantitativi dato il coinvolgimento di diversi allievi (anche una rappresentante del gentil sesso nel ruolo di pilota), con il supporto esterno di nostre vecchie conoscenze, i Picchianti padre e figlio nel ruolo di preparatore e di pilota con una notevole esperienza internazionale, per condurre al limite il kart oggetto di studio.
Lo scopo del progetto è l’analisi, l’osservazione scientifica, del comportamento strutturale e dinamico del kart. In altre parole si vuole cercare ed esplicitare una relazione matematica tra le sollecitazioni e le deformazioni subite dal telaio durante il funzionamento in pista. Una volta creato il modello matematico del comportamento della struttura, si può utilizzare in maniera diffusa con input diversi per le varie piste o le diverse condizioni dell’asfalto o infine per vari tipi di guida.
Capire cosa accade nelle fibre dei tubi che compongono il telaio, ma anche nell’assale, nei cerchi e in altri componenti, aiuta a definire e ad interpretare anche il comportamento dinamico del veicolo, in questo caso il kart.
Il telaio è strumentato
Ci dimenticavamo di dire che, nonostante la bellissima struttura dell’Istituto Tecnico Sarrocchi di Poggibonsi, le severe manovre finanziarie hanno svuotato sempre più le casse di tante amministrazioni. Non ci si è certo persi di animo, e con un po’ di fortuna si è venuti in possesso di un buon telaio Mari Delta, un po’ datato ma in buone condizioni, ideale per essere impiegato come una sorta di laboratorio viaggiante. Anche perché non è certo il giro record il parametro ricercato, bensì l’analisi della struttura, valida indipendentemente dall’età del soggetto.
Sul telaio sono state installate 3 microcamere, indicate con CAM, in zone ritenute critiche ed interessanti per l’analisi. La prima, CAM1, riprende il tracciato ed ha una funzione specifica che va al di là della semplice registrazione e che vedremo più avanti. CAM2 e CAM3, installate rispettivamente sul longherone di sinistra e sul tubo anteriore del telaio, puntano il terreno e lavorano ciascuna in simbiosi con una coppia di raggi laser, anch’essi proiettati sull’asfalto, proprio nell’area ripresa dalle telecamerine. Ognuno di questi complessi è installato tramite supporti di alluminio ricavati dal pieno realizzati dai ragazzi dell’Istituto impegnati in questo progetto.
La gestione delle videoriprese, sia anteriore che delle 2 verso l’asfalto, è affidata ad un trasmettitore che invia i dati ad una regia ai box, mentre la registrazione è affidata alla centralina di acquisizione globale (colore grigio). È inserito nella pancia sinistra e protetto da una plastica trasparente la cui derivazione è … chiara. Questo per quanto riguarda la struttura. I laser sono alimentati da una coppia di semplici batterie AA da 1,5 V.
Per la definizione del comportamento dinamico del veicolo è presente una centralina (nera) dotata di 2 accelerometri, uno longitudinale e uno laterale, e un giroscopio per l’orientamento del kart.
Non manca, all’interno della ruota destra, il classico magnetino con sensore per il rilevamento della velocità di traslazione del veicolo. Al volante è installato il sistema di acquisizione dati dell’Alfano. L’alimentazione elettrica delle apparecchiature è garantita da una batteria a 12 V alloggiata sulla “V” che sorregge il piantone di sterzo.

Il grande fratello
I raggi laser nascono ad una certa distanza dal terreno ed “incidono” l’asfalto ciascuno in un punto. La distanza tra i due puntini è registrata dalla telecamera. A causa delle sollecitazioni (guida, asperità, …) il telaio subisce delle deformazioni elastiche (plastiche, quindi permanenti, sarebbe grave); di conseguenza varia continuamente la distanza tra le tracce sul terreno. Mettendo in relazione la lunghezza del raggio laser (dall’origine al terreno) con la distanza reciproca tra i due, è facile ottenere l’espressione della deformazione, ad esempio l’angolo (anch’esso continuamente variabile) che si forma tra gli estremi del tratto del tubo sul quale sono installati i raggi e la telecamera. Anche lo “zero” delle misurazioni è dato dal sistema a riposo.
Allo stato attuale vengono misurate le flessioni dei punti in cui sono collocate le strumentazioni. Nell’immediato è prevista l’installazione di altre 2 coppie di laser, in posizione simmetrica, con le quali si potrà rilevare la torsione (complessiva) del telaio. O, ancora, posizionando diversamente i raggi laser, si potrebbero registrare le torsioni locali (del tubo), anche con l’ausilio di estensimetri, particolari strumenti che sollecitati rilasciano un segnale elettrico infine tradotto in misura.
Si tratta insomma di indagare e riprendere ciò che avviene nei punti ritenuti cruciali senza pietà, proprio come in una sorta di grande fratello.

La presentazione
Il prof. Fantozzi dell’Università Statale di Pisa, ci descrive ora la parte più direttamente legata alla gestione software e alla presentazione dei risultati.
Per l’elaborazione dei numerosi dati in entrata viene impiegato un programma molto evoluto ed utilizzato nell’ingegneria meccanica, sia pure in questo caso limitato al modulo “cars” (autoveicoli), l’Adams. E’ un prodotto molto sofisticato largamente sfruttato nelle università e nei laboratori di ricerca, in grado di creare un modello (di calcolo) molto vicino alla situazione reale. Creare un modello significa ad esempio suddividere la struttura in tanti piccoli elementi e affidare delle equazioni che ne descrivano il moto o le forze che li sollecitano e altro ancora. Inserendo i dati acquisiti dalla centralina attraverso i vari sensori appena descritti, Adams produce i risultati, nel nostro caso le deformazioni del telaio e il comportamento sul giro di pista. Si è stabilita una comunicazione diretta tra dati in ingresso e risultati in uscita con le elaborazioni del programma come tramite. Una volta stabilito questo “linguaggio”, il più è fatto. Basta infatti cambiare i dati in ingresso (lo fanno da soli i sensori) o le condizioni al contorno, come il peso del pilota, il coefficiente di aderenza al contatto ruota/terreno o il diametro dei tubi, per ottenere i nuovi risultati.
È stato dapprima disegnato un modellino del kart misurando un telaio vero, è stato poi suddiviso in vari elementi e misurate e inserite in Adams le deformazioni. Il programma risponde fornendo le sollecitazioni che hanno portato a quelle deformazioni. Ma a questo punto è facile e fondamentale il percorso opposto, cioè inserire sollecitazioni differenti e sapere come si deforma. E all’atto pratico molto utile per correggere gli assetti ad esempio. Sono possibilità eccezionali per l’indagine scientifica.
Non che Adams riesca a fare tutto da solo. L’intervento della mente umana per fortuna è sempre necessario ed è fondamentale nell’impostazione iniziale ad esempio. Normalmente non gestisce direttamente le immagini delle telecamere, ma l’equipe di lavoro UniPisa/Sarrocchi ha dato il meglio di sé, riuscendo ad interfacciare i dati della telecamera (anteriore) con quelli degli accelerometri (centralina nera) riproducendo il tracciato e le modalità con il quale è percorso. Ad esempio la pista di Parma è stata suddivisa in oltre 44500 “frame”, piccolissimi tratti individuati dai fotogrammi della ripresa TV. Considerando che il tempo sul giro è 45” circa, abbiamo un frame ad ogni millesimo di secondo! In corrispondenza di ognuno è possibile conoscere la traiettoria effettiva, velocità e accelerazioni longitudinali e laterali (curva), tempo trascorso dall’inizio del giro e altro ancora.
Interessante la possibilità di sovrapporre e confrontare 2 kart, 2 prove con la riproduzione animata. A parità di tempo occupano posizioni differenti e viceversa. Con l’introduzione degli estensimetri si potrà capire cosa succede nelle varie parti del telaio in corrispondenza di ogni centimetro della pista. E’ la connessione comportamento dinamico/comportamento strutturale. Si pensa inoltre di inserire un estensimetro anche sull’assale, ma sorge il problema della connessione con la centralina (i cavi si avvolgerebbero), comunque superabile o con un contatto strisciante o con una trasmissione ad onde o ancora una volta con un raggio laser. Per ora le gomme sono un elemento rigido, in quanto non si dispone di dati precisi sulle caratteristiche di elasticità della struttura.
Detto così sembra facile, ma ci sono voluti mesi di lavoro solo per creare i riferimenti giusti tra l’immagine della telecamera puntata in avanti (CAM1) e il tracciato.

Lo studio della “C”
Tra le varie applicazioni, ci hanno presentato un’interessante analisi della geometria delle “C” dei fuselli in relazione all’utilizzo delle boccole eccentriche per la regolazione degli angoli di caster e camber.
Il gruppo di studenti, guidato dai prof. Rossi e Paolini, ha riscontrato, mentre si cercava di tabellare la posizione delle boccole con gli angoli effettivi (misurati), la mancata ripetitività della regolazione tramite gli eccentrici normalmente in uso e in commercio, perché è un sistema meccanicamente non corretto, specie quando non sono presenti neanche gli uni-ball che possono accompagnare un po’ la variazione di inclinazione del perno del fusello. L’imprecisione può dipendere anche da quanto si serra il dado.
Allora si è pensato di realizzare (ecco ancora una volta l’intervento del laboratorio di lavorazioni meccaniche) delle boccole eccentriche, una sopra e una sotto la “C”, il cui foro rappresenti una sede sferica nella quale si inserisce una speciale rondella, con profilo sferico che si combina con la sede e con foro interno cilindrico che ospita perfettamente il perno. Lo spessore è piano. Sono inoltre presenti altre due rondelle sferiche interne alla “C”. Quelle esterne permettono alla testa del perno e al dado di poggiare “in piano”, su una superficie (la loro) e non su una linea, mentre quelle interne consentono agli spessori di regolazione di lavorare in piano rispetto alla boccola stessa e alla ralla del cuscinetto del fusello.
Sono previste 5 eccentricità distinte da step di 0,5°, con le si riescono a coprire intervalli, sia per il camber che per il caster, da 0,5° a 3,5° in entrambe le direzioni e, fondamentale, in modo veramente indipendente uno dall’altro. E’ importante però che il grano di riferimento e di bloccaggio degli eccentrici e il perno del fusello siano contenuti in un piano parallelo a quello longitudinale del kart. Altro accorgimento riguarda il diametro del foro delle rondelle sferiche interne alla “C” che deve essere leggermente superiore al diametro interno dell’eccentrico.

La squadra corse
Quello che abbiamo presentato è solo una piccola parte di un programma ambizioso che prevede il coinvolgimento di diversi gruppi di lavoro formati da docenti e studenti. Si va dall’omologazione di un telaio per il 2008 all’installazione di una sala prova motori, dalla partecipazione alle gare regionali con la squadra corse Sarrocchi (SCS), con l’idea di formare dei mini-team con pilota e meccanici, allo sviluppo della telemetria, con un vero lavoro di squadra.
Una bella realtà con molte iniziative, grazie alla lungimiranza e alla volontà di chi dirige e coordina questo Istituto.