Terremoto in pista: il mass damper

ReVenge

Che legame c'è tra un dispositivo antisismico ed una vettura da competizione?
In precedenti articoli abbiamo già parlato dell'effetto degli smorzatori torsionali sul comportamento dinamico dell'albero motore.
In realtà il concetto di un dispositivo costituito da una massa vibrante, in inglese Tuned Mass Damper o semplicemente TMD, che possa ridurre le vibrazioni di un sistema meccanico, risale agli inizi dello studio della meccanica delle vibrazioni.
Tipiche applicazioni dei mass damper si trovano nelle trasmissioni di potenza, nell'industria automobilistica, sulle linee elettriche ad alta tensione, nelle grandi strutture statiche quali grattacieli, ponti e viadotti.
Le prime applicazioni dei mass damper per ridurre le oscillazioni, indotte dall'azione del vento ma soprattutto da terremoti su ponti e fabbricati di notevole altezza, la cui entità può dar luogo a sollecitazioni tali da provocarne il cedimento strutturale, risalgono ormai a più di cinquant'anni fa.
In questo caso masse opportunamente collegate alla struttura da molle e smorzatori idraulici, sono in grado di ridurre l'ampiezza della stessa quando sottoposta ad azioni esterne.
Il dimensionamento delle grandezze caratteristiche del sistema è condotto in maniera tale che l'energia associata al movimento della massa inerziale possa abbattere, in parte, quella associata al movimento della struttura.

Mass damper nella parte inferiore di un ponte

Tra il 2005 ed il 2006 il team Renault di Formula 1 utilizzò questo semplice dispositivo per migliorare le prestazioni della propria monoposto.
In questo caso il mass damper, installato nella parte anteriore della vettura, era costituito da una massa di circa 10kg, libera di muoversi in direzione verticale tra due molle, e con l'olio contenuto nel contenitore che agiva da elemento smorzante.
 

Schema mass damper nella parte anteriore della vettura

Lo schema semplificato delle masse in vettura è indicato nella figura sottostante.
 

Schema semplificato del mass damper
 

Anche in questo caso l'effetto del mass damper è quello di contrastare i movimenti verticali della scocca, muovendosi in opposizione di fase ad essa, e riducendone quindi l'ampiezza.
La figura seguente mostra l'andamento nel tempo delle oscillazioni della vettura, con e senza mass damper, e quelle del mass damper stesso.
 

Andamento delle ampiezze di oscillazione con e senza mass damper nel tempo

Una vettura da competizione è sottoposta a scuotimenti e vibrazioni proprio come accade ad un ponte o ad un grattacielo quando sono sottoposti alle sollecitazioni di un terremoto.

Anzi possiamo dire che l'azione combinata di sollecitazioni verticali e laterali è molto più complessa di quanto possa accadere su una struttura statica.
Nel passaggio sui cordoli piuttosto che sulle asperità del manto di asfalto o semplicemente per il trasferimento di carico laterale in curva, la pressione sui pneumatici varia continuamente con conseguente diminuzione del grip meccanico.
L'effetto più importante del mass damper era quello di ridurre le variazioni di altezza da terra del fondo e dell'ala anteriore della vettura, con conseguente maggior controllo del carico aerodinamico.
Le prestazioni generali della vettura ricevettero un evidente vantaggio dall'utilizzo di questo sistema.
A circa metà stagione 2006 il sistema fu dichiarato non legale poiché costituiva un dispositivo aerodinamico mobile, vietato dal regolamento.
A ciò si aggiunsero argomentazioni legate alla sicurezza.
Entrambe le motivazioni ancora oggi lasciano più di un dubbio sulla loro fondatezza.

Tornando allo schema del mass damper, è facile rilevare come una massa di dimensioni contenute, accoppiata ad opportuni valori di rigidezza e smorzamento, possa ridurre le vibrazioni di una massa molto più grande.
La modellazione numerica consente di definire le caratteristiche di base del mass damper in fase progettuale.

Ma quali possono essere i campi di applicazione del mass damper?
In realtà sono infiniti e tutti quelli in cui occorre contrastare le vibrazioni di un sistema senza poter variare dimensioni e materiali.
L'utilizzo del mass damper si è reso molto spesso necessario come cura a problematiche su strutture già esistenti e non più modificabili.
A questi si aggiungono la nautica per ridurre le vibrazioni su imbarcazioni, le strutture offshore, le attrezzature sportive e per il tempo libero.
Tipiche applicazioni del mass damper si trovano nei generatori eolici ed in alcuni elettrodomestici.
Tali dispositivi sono stati studiati anche per ridurre le vibrazioni di telescopi e migliorarne la qualità dell'immagine.

Si può affermare che la conoscenza dei fenomeni fisici e delle analogie con problematiche di natura molto diversa, possono suggerire soluzioni progettuali relativamente complesse, il cui effetto risulta fondamentale per le prestazioni finali di un qualsiasi sistema o componente meccanico.

Tornando all'inizio: ma un giro veloce in pista non è poi un terremoto?

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