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oto
c ic l
ett
a1
La fisica e la motocicletta
Vittore CossalterDipartimento di Ingegneria Meccanica
Università di PadovaVia Venezia 1, 35131 Padova (Italy)
INFN – Frascati - 6 ottobre 2005 –Festival della Scienza
M ot or cyc le D ynamicsM ot or cycle D ynamicsResear ch Gr oupResear ch Gr oup
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ett
a2
•il corpo posteriore (telaio, motore, serbatoio, sella),•L’avantreno (la forcella, il manubrio),•la ruota anteriore,•la ruota posteriore.
1° g.d.l. rotazione della ruota posteriore (moto di avanzamento)2° g.d.l. rotazione del manubrio3° g.d.l. moto di rollio
La motocicletta è composta, considerando rigide le sospensioni, da quattro corpi:
La motocicletta
3x5=15 + 2x3=6
manubrio
4x6=24
CONSTRAINTSCORPI RIGIDI
ruota ant.
corpo post.
numero dei gradi di libertà = 24-21 = 3
avantreno
ruota post.
anteriore
posteriore
vincolo puntodi contatto
coppia rotoidale
ruota ant.
ruota post.
3=ruota anteriore
2=avantreno
punto di contatto anteriore
1= corpoposteriore
2° rotazione manubrio
1° rotazione ruota(moto di avanzamento)
3° moto di rollio
coppia rotoidale
4 = ruota posteriore
punto di contatto posteriore
coppia rotoidale
coppia rotoidale
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ett
a3
•Gli effetti giroscopici nella motocicletta sono importanti?
•Come si guida una motocicletta?
•Perché la motocicletta può diventare instabile e quindi pericolosa?
•Attorno a quale asse ruota la motocicletta durante l’inserimento in curva?
•Quale sarà l’evoluzione futura della motocicletta?
•ARGOMENTI:
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ett
a4
Effetto giroscopico del moto di imbardata:
Gli effetti giroscopici della motocicletta.
L’effetto giroscopico “ruote, motore-moto imbardata” si manifesta con un momento raddrizzante.
zm
m om en tog iro sco p ic
y
x
v e lo c ità d iim b a r d a ta
zf
x f
y f
an g o lo d i ro llio
t
velocità rotazioneruota anteriore
velocità rotazioneruota posteriore
velocità rotazionemotore
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a5
Effetto giroscopico del moto di imbardata:
Gli effetti giroscopici della motocicletta.
L’asse di rotazione del motore è longitudinale
L’effetto giroscopico del motore non influenza l’angolo di rollio
Il motore ruota nello stesso verso delle ruote
L’effetto del motore si somma a quello delle ruote
Il motore ruota nel verso oppostoL’effetto del motore si sottrae a quello delle ruote
L’angolo di rollio reale risulta maggiore dell’angolo di rollio teorico
maggiore inclinazionedovuta al momentogiroscopico
m o m e n tog iro sc o p ico
h
zm
ideal= arctg
Rc
gangolo di rollio ideale
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Effetto giroscopico del moto di rollio:
Gli effetti giroscopici della motocicletta.
Il momento giroscopico “ruota anteriore-moto di rollio” tende a ruotare il manubrio all’interno della curva, facilitando quindi l’ingresso in curva.
ro llio v erso d es tra
zm
y m
velocità angolare di rollio
velocità rotazioneruota anteriore
m o m en tog iro sco p ico
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Effetto giroscopico del moto di rollio:
Gli effetti giroscopici della motocicletta.
Il momento giroscopico “ruote, motore- moto di rollio” tende ad imbardare il motociclo verso destra, facilitando quindi l’ingresso in curva.
ro llio v erso d es tra
zm
ym
velocità angolare di rollio
velocità rotazioneruota anteriore
velocità rotazioneruota posteriore
m o m en tog iro sco p ico
v e lo c ità ro ta z ion em o to re
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Effetto giroscopico del moto dello sterzo
Gli effetti giroscopici della motocicletta.
Il momento giroscopico tende a inclinare il motociclo verso destra, aiuta quindi il moto di rollio verso destra del motociclo.
velocità rotazionemanubrio
zm
ymxm
m om en tog iro sco p ic velocità rotazione
ruota anteriore
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Stabilita’ direzionale:Stabilita’ direzionale:equilibrio del motociclo in rettilineo a bassa velocità
guida della motocicletta: stabilita’ direzionale e inserimento in curva
il motociclo sta cadendo verso destra
il pilota gira lo sterzo verso destra
il motociclo incomincia a percorrere unatraiettoria circolare verso destra, si generauna forza centrifuga
si genera una forza centrifuga che tende ariportare il motociclo nella posizioneverticale
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Stabilita’ direzionale:Stabilita’ direzionale:equilibrio del motociclo in rettilineo ad alta velocità
il momento giroscopico “ruota ant.-rollio”gira lo sterzo verso destra
il m o to c ic lo s ta c ad e n d ov e rso d es tra
. ... .. ..
velocità rotazione manubrio
la forza centrifuga tende a riportare il motociclo nella posizione
forza centrifuga
velocità d i rollio
v e lo c ità ru o ta
.........
il motociclo incomincia a percorrere una traiettoriacircolare verso destra, si genera una forza centrifuga
guida della motocicletta: stabilita’ direzionale e inserimento in curva
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“push right to go left”spingi verso destra per andare a sinistra
20
100
120
80
60
40
traiettoria
sterzata verso sinistraforza laterale verso sinistra
curva verso sinistra
moto di imbardata verso sinistra
rollio verso destra
sterzata verso destra
forza laterale verso destracurva verso destra
moto di imbardata verso destra
Fase iniziale di controsterzo
guida della motocicletta: stabilita’ direzionale e inserimento in curva
Inserimento in curvaInserimento in curva
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“push LEFT to go RIGHT”
guida della motocicletta: stabilita’ direzionale e inserimento in curva
Inserimento in curvaInserimento in curva
0 20 40 60 80 100
-20
0
20
40
60
80
BAC
-40
-20
0
20
40
-0.04
-0.02
0
0.02
0.04
Co
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N
m]
ango
lo s
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ad]
dest
ra
A
CB
0
0.4
0.8
-2 0 2 4 6 8
-4
-2
0
2
4
rolli
o [
rad
]
tempo [s]
dest
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A
CB
0
0.4
0.8
0
0.2
0.4
velo
cità
ro
llio
[ra
d/s]
velo
cità
imba
rdat
a [r
ad/
s]
dest
ra
A
CB
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a13guida della motocicletta: stabilita’
direzionale e inserimento in curva
Coppia positiva: capsize instabile
Senza il controllo del pilota l’angolo di sterzo diminuisce e il veicolo cade.
Senza il controllo del pilota il veicolo, dopo alcuni serpeggiamenti, tende a seguire una traiettoria rettilinea.
Sensazione di maneggevolezza
Coppia negativa: capsize stabile
aa
Rc
C
positive torque negative torque
aa
Rc
C
aa
Rc
C
Durante la guida lungo una traiettoria circolare, con velocità costante, il pilota controlla il veicolo applicando una coppia al manubrio.
Se il valore della coppia applicata è piccolo il pilota avverte la motocicletta come “maneggevole”.La coppia dovrebbe essere piccola e semmai di valore negativo.
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a14guida della motocicletta: stabilita’
direzionale e inserimento in curva
La coppia applicata allo sterzo
-4
-3
-2
-1
0
1
2
5 10 15 20 25 30 35
stee
ring
torq
ue /
late
ral a
ccel
erat
ion
[Ns2 ]
velocity [m/s]
25
50
100200 m = turning radius
50
200m
no lateral displacement
0.05 m driver lateral displacement
100
25
Influenza dello spostamento laterale del pilota
Supponiamo che la coppia applicata sia negativa (il manubrio viene sostenuto).Lo spostamento verso l’interno del pilota diminuisce il valore della coppia negativa. C
oppi
a/ac
cele
razi
one
late
rale
Velocità [m/s]
Pilota in posizione simmetrica
Baricentro pilota spostato all’interno di 5 cm.
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capsize, caduta laterale del motociclo
wobble, oscillazione dell’avantreno attorno all’asse dello sterzo
weave, oscillazione laterale, di rollio e di imbardata di tutta la motocicletta
MODI DI VIBRARE
•La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare
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MODI DEGLI PNEUMATICI
Modo della massa non sospesa anteriore
•La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare
Modo della massa non sospesa posteriore
Frequenza (10-20 Hz) Frequenza (10-20 Hz)
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Scuotimento verticale Beccheggio
•La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare
MODI DELLE SOSPENSIONI
Frequenza (2-5 Hz)Smorzamento elevato (0.3-0.8)
Frequenza (2-5 Hz)Smorzamento elevato (0.5-1)
Il modo di beccheggio ha frequenza superiore del modo di scuotimento verticale
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WOBBLE
MODO “WOBBLE” O “SHIMMY” della ruota anteriore
•La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare
Frequenza (5-10 Hz)Può essere instabile alle alte velocità
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0
2
4
6
8
10
12
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5real [rad/s]
imag
inar
y [r
ad/s
]
freq
uenc
y [H
z]
= 0.10.30.4
U N
S T
A B
L E
0.2
= 0.5
root-loci (speed = 3..60 m/s)
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WEAVE
MODO “WEAVE”
•La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare
Frequenza (1-4 Hz)Instabile alle basse velocità, può essere instabile alle alte velocità
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0
2
4
6
8
10
12
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5real [rad/s]
imag
inar
y [r
ad/s
]
freq
uenc
y [H
z]
= 0.10.30.4
U N
S T
A B
L E
0.2
= 0.5
root-loci (speed = 3..60 m/s)
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a20•La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare
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a21•La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare
INFLUENZA DELLE FLESSIBILITA’ SUI MODI “WOOBLE e WEAVE”
deformazione torsionale
deformazione flessionale
deformazione flessionale
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5
6
7
8
9
no bending53 kNm/rad33 kNm/rad23 kNm/rad
0 10 20 30 40speed [m/s]
wob
ble
freq
uenc
y [H
z]
a)
-10
-5
0
5
10
0 10 20 30 40speed [m/s]
wob
ble
rea
l par
t [1/
s]
b)
STABLE
UNSTABLE
La flessibilità della forcella riduce la stabilità e la frequenza a velocità medio-bassa.
•La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare
INFLUENZA DELLA FLESSIBILITA’ DELLA FORCELLA SUL MODO “WOOBLE”
deformazione flessionale
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a23
-10
-5
0
5
10
0 10 20 30 40speed [m/s]
real
par
t [1
/s]
rigid
flexible fork without gyroscopic effects
flexible fork withgyroscopic efffects
A
B
C
K=23 kNm/rad
La flessibilità riduce la stabilità.L’effetto giroscopico “ruota anteriore-rotazione forcella” aumenta la stabilità.
bending axis
bendingspeed
wheelspin
gyroscopicmoment
•La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare
INFLUENZA DELLA FLESSIBILITA’ DELLA FORCELLA SUL MODO “WOOBLE”
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5
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8
9
experimentsrigid modelmobile rider & flexible fork :
k=30 kNm/radk=40 kNm/rad
0 10 20 30 40speed [m/s]
freq
uen
cy [H
z]
a)
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
damp ratio k=30 kNm/raddamp ratio k=35 kNm/raddamp ratio k=40 kNm/raddamp ratio rigidtest damp ratio
0 10 20 30 40speed [m/s]
dam
ping
rat
io
b)
STABLE
UNSTABLE
•La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare
INFLUENZA DELLA FLESSIBILITA’ DELLA FORCELLA SUL MODO “WOOBLE”
CONFRONTO NUMERICO-SPERIMENTALE
deformazione flessionale
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0
1
2
3
no torsion7.5 kNm/rad3.0 kNm/rad1.5 kNm/rad
0 10 20 30 40speed [m/s]
wea
ve f
requ
ency
[Hz]
a)
-10
-5
0
5
10
0 10 20 30 40speed [m/s]
wea
ve r
eal p
art
[1/s
]
b)
STABLE
UNSTABLE
INFLUENZA DELLA FLESSIBILITÀ TORSIONALE DEL TELAIO-FORCELLONE POSTERIORE
SUL MODO “WEAVE”.
•La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare
La flessibilità torsionale riduce la stabilità.La flessibilità torsionale riduce la frequenza alle velocità medio-alte.
deformazione torsionale
deformazione flessionale
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a26
-10
-5
0
5
10
RE k=1e8 kNm/rad
RE k=3.0 NO GYR
RE k=3.0
0 10 20 30 40speed [m/s]
real
par
t [1
/s]
rigid swingarm
flexible swingarm
A
B
C
UNSTABLE
deformazione torsionale
deformazione flessionale
•La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare
INFLUENZA DELLA FLESSIBILITA’ TORSIONALE SUL MODO “WEAVE”
La flessibilità torsionale riduce la stabilità.L’effetto giroscopico “ruota posteriore-rotazione forcella” aumenta lievemente la stabilità.
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-10
-5
0
5
10
0 10 20 30 40speed [m/s]
wob
ble
rea
l par
t [1/
s]
b)
STABLE
UNSTABLE
5
6
7
8
9
fixed rider
suspended rider
0 10 20 30 40speed [m/s]
wob
ble
freq
uenc
y [H
z]
a)
0
5
10
15
20
25fixed ridermobile rider
-10 -5 0 5 0
1
2
3
weave real part[1/s]
UN
ST
AB
LE
wea
ve f
requ
en
cy [
Hz]
V = 1 m/s
V = 40 m/s
wea
ve im
agin
ary
par
t [ra
d/s
]La mobilità del pilota incrementa la
stabilità sia del Weave che del Wobble
WOBBLE WEAVE
•La Stabilita’ della motocicletta: modi di vibrare
INFLUENZA DELLA MOBILITA’ DEL PILOTA SUI MODI “WEAVE” e “WOOBLE”
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a28
Caso particolare: solo moto di rollio (traiettoria rettilinea)
•The Mozzi axis is horizontal and passes through the contact points•The motion of the motorcycle is a rotation about and a translation along the Mozzi axis
angolo di Mozzi= 0°
.
velocità angolare
angolo di rollio
asse di Mozzi
velocità V
traiettoria rettilinea
Attorno a quale asse ruota la motocicletta durante l’inserimento in curva?
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a29Attorno a quale asse ruota la motocicletta durante
l’inserimento in curva?
Caso particolare: solo moto di imbardata (traiettoria circolare)
•The Mozzi axis is vertical and passes through the turn centre•The motion of the motorcycle is a rotation about the Mozzi axis
..
V
angolo di Mozzi= 90°velocità angolare
angolo di rollio costante
zs
T = centro di curvatura
asse di Mozzi
velocità V
traiettoria circolare
M ot or cyc le D ynamicsM ot or cycle D ynamicsResear ch Gr oupResear ch Gr oup
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INF N
– F
ras c
at i
- 6
ot t
ob
re 2
00
5 –
La F
isic
a e
la M
oto
c ic l
ett
a30
Caso generale
Attorno a quale asse ruota la motocicletta durante l’inserimento in curva?
= angolo di Mozzi
.
.
velocità angolare di rollio
velocità angolare di imbardata
angolo di rollio
asse di Mozzi
traccia della traiettoriadell'asse di Mozzi
traiettoria del centro di curvatura
T = centro di curvatura
velocità V
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INF N
– F
ras c
at i
- 6
ot t
ob
re 2
00
5 –
La F
isic
a e
la M
oto
c ic l
ett
a31Attorno a quale asse ruota la motocicletta durante
l’inserimento in curva?
Entrata lenta in curva
Traccia asse di Mozzi
traiettoria
Centro di curvatura
M ot or cyc le D ynamicsM ot or cycle D ynamicsResear ch Gr oupResear ch Gr oup
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INF N
– F
ras c
at i
- 6
ot t
ob
re 2
00
5 –
La F
isic
a e
la M
oto
c ic l
ett
a32Attorno a quale asse ruota la motocicletta durante
l’inserimento in curva?
Entrata veloce in curva
Traccia asse di Mozzi
traiettoria
Centro di curvatura
M ot or cyc le D ynamicsM ot or cycle D ynamicsResear ch Gr oupResear ch Gr oup
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INF N
– F
ras c
at i
- 6
ot t
ob
re 2
00
5 –
La F
isic
a e
la M
oto
c ic l
ett
a33
Entrata in curva, pista di Adria: RSV 1000 Aprilia
Attorno a quale asse ruota la motocicletta durante l’inserimento in curva?
-60 -40 -20 0 20 40 600
10
20
30
40
50
60
2
34
5678
1011
1
traccia a sinistra: manovra di controsterzo
traccia dell'asse di Mozzi
traiettoria
centro di curvatura
9
1011
7
23
4
56
7 8
9 10
11
12
-120
0
120
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Moz
zi a
ngl
e [°
] imbardata verso destra-30
0
30
-30
0
30
imbardata verso destra
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
vel.
imb
ard
ata[
°/s]
dest
rasi
nist
ra
vel.
roll
io [
°/s]
M ot or cyc le D ynamicsM ot or cycle D ynamicsResear ch Gr oupResear ch Gr oup
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INF N
– F
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- 6
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00
5 –
La F
isic
a e
la M
oto
c ic l
ett
a34
Slalom, passo =14 m
Attorno a quale asse ruota la motocicletta durante una manovra di slalom?
Traccia asse di Mozzi
traiettoria
Centro di curvatura
Centro di curvatura
Traccia asse di Mozzi
M ot or cyc le D ynamicsM ot or cycle D ynamicsResear ch Gr oupResear ch Gr oup
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INF N
– F
ras c
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- 6
ot t
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00
5 –
La F
isic
a e
la M
oto
c ic l
ett
a35
La fisica e la motociclettaFina parte 1°
INFN – Frascati - 6 ottobre 2005 –Festival della Scienza
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