Time on server

Friday 22 September 2017

Effetto shimmy

Lo shimmy, è bene dirlo subito, è abbastanza difficile da eliminare.

Chiunque abbia a che fare, a qualsiasi titolo, con una ruota, verrà, prima o poi, a contatto con l’effetto shimmy. Sono interessate le moto, le biciclette, le auto, gli aerei. Perciò… tranquillizzatevi! La vostra moto ondeggia ed è normale.

Lo shimmy si manifesta con un vistoso ondeggiamento dell’avantreno e la sua velocità d’oscillazione può variare parecchio.

Ma quali sono i motivi dello shimmy?

Il tutto nasce da uno degli effetti più noti, quando si fanno girare le ruote: l’effetto giroscopico. Tale effetto si produce quando una ruota, dotata di moto di rotazione attorno al proprio asse (il perno del mozzo), a una determinata velocità è posta in rotazione anche attorno a un secondo asse, questa volta perpendicolare al precedente (l’asse di rotazione dello sterzo).
Volendo fare un esperimento per comprendere meglio cos’è l’effetto giroscopico, bisognerebbe provare a tenere una ruota qualsiasi (anche di bicicletta) dalle estremità dell’asse. Se si fa girare velocemente la ruota e si prova a simulare il movimento della sterzata, prima lenta e poi più veloce, e poi ancora inclinando la ruota come se entrasse in curva, si può provare a “tenere in pugno” e a capire gli effetti della coppia di forze prodotte dall’effetto giroscopico. Noterete allora, che la ruota tenderà a mantenere le condizioni di equilibrio precedenti opponendosi al suo spostamento, per poi stabilizzarsi sulla nuova posizione.
Il principio di stabilizzazione al movimento è utile in certi campi di applicazione e viene sfruttato, per esempio, nel diminuire il rollio e il beccheggio delle grandi navi o per rilevare l’assetto negli aerei.
Ma l’effetto giroscopico è utile anche per la nostra amata Varadero, perché permette di conseguire un certo livello di stabilizzazione e il fluido mantenimento delle traiettorie impostate, seppure, come vedremo, al costo di un abbassamento sensibile delle frequenze di oscillazione dell’intera struttura, portata così, a lavorare a frequenze più prossime a quelle di innesco dello shimmy. E allora si parla di effetti giroscopici legati al moto di sterzo (generato da una ruota in rotazione durante la sterzata), al rollio (prodotto da una ruota in rotazione durante il rollio del mezzo attorno all’asse che passa per le due coperture) e di imbardata (generata dalla rotazione attorno all’asse verticale durante la percorrenza di una curva). Ma quello che ci interessa maggiormente, è l’interazione degli effetti giroscopici rispetto all’equilibrio geometrico dello sterzo.
La generazione dell’effetto giroscopico si manifesta quando la ruota anteriore in rotazione viene spostata dalla sua condizione di equilibrio, cosa che accade quando, ad esempio, si inclina anche leggermente il mezzo da un lato oppure si sterza leggermente. Abbiamo anche visto che la stessa tende a riacquistare la sua condizione di equilibrio nella sua nuova posizione. In realtà, la nuova condizione che la ruota assume come nuovo equilibrio è del tutto temporanea, ed essa rimane tale solo per un tempo estremamente basso, perché l’effetto di autoallineamento del sistema di sterzo richiama prontamente la ruota sulla sua direttrice longitudinale. Le due forze prodotte, l’effetto giroscopico da un lato e l’effetto di autoallineamento della ruota anteriore dall’altro, si contrastano quindi l’un l’altro. Il problema, inteso come innesco del fenomeno dello “shimmy”, nasce quando le forze in gioco risultano tali da far sovrarichiamare in allineamento l’avantreno. Questo oltrepassa l’asse longitudinale, generando così altre coppie di forze giroscopiche, questa volta prodotte nel lato opposto dell’avantreno, prontamente seguite da corrispettive coppie di forza di autoallineamento, e così via, in una spirale alternata di spinte e controspinte che sollecitano tutto il gruppo della ruota anteriore spingendolo da una parte all’altra del mezzo.
Ecco, questa è la dinamica di innesco dell’insorgere dello shimmy.
Il vistoso ondeggiamento dell’avantreno, che si manifesta con violenta evidenza nei fenomeni di shimmy, è resa possibile da una particolare configurazione del sistema dell’insieme moto-motomotociclista. Questo, costituito dalla catena cinematica ruota-telaio-motociclista, è per molti versi assimilabile a una configurazione che in meccanica viene definita come “sistema oscillante non smorzato”. Il sistema oscillante in questione è costituito da una molla, rappresentata dalla struttura dell’avantreno nonché dalle principali tubazioni del triangolo del telaio (obliquo e orizzontale), e dalla massa del sistema, costituita dalla massa corporea del motociclista, che funge da “ancoraggio” virtuale rispetto al quale il sistema entra in oscillazione.
Accade che la “molla” di questo sistema, sollecitata dall’innesco che abbiamo descritto più sopra, accumuli e rilasci alternativamente una certa quantità di energia a un ritmo che la struttura corporea del motociclista non riesce a seguire, una frequenza di oscillazione (espressa in cicli per secondo) che nelle situazioni più comuni può andare da un minimo di 2-3 a un massimo di 20 Hz. La situazione può a questo punto precipitare definitivamente, con la perdita di controllo dell’avantreno, allorquando la frequenza di oscillazione della forza periodica esterna (forza eccitante) diventa uguale alla frequenza propria del sistema vibrante che stiamo considerando. In questo caso, la struttura considerata, portata in condizione di risonanza, è soggetta a un forte incremento dell’ampiezza delle sue oscillazioni, ovvero alla più completa incontrollabilità dello sterzo afflitto dai più incontrollabili ondeggiamenti di sterzo.
Anche il motociclista è in buona parte causa dell’insorgere del fenomeno. Per quanto possa sembrare strano, infatti, il suo comportamento determina in buona parte l’innesco e il manifestarsi dell’indesiderato fenomeno.
Alle alte velocità, diciamo dai 50-60 km/h in su, la frequenza di oscillazione dello shimmy è generalmente tanto elevata da risultare minima in termini di ampiezza. In altre parole, produce prevedibilmente una limitata oscillazione dello sterzo accompagnata, però, da una velocità di oscillazione molto elevata. Questo, perlomeno, se elementi esterni al sistema non intervenissero a turbare il corso degli eventi. L’elemento perturbatore potrebbe rivelarsi essere proprio il motociclista. Infatti, la comprensibile reazione di quest’ultimo alle vibrazioni dell’avantreno potrebbe risultare, come spesso capita, in una presa più forte della piega manubrio. La normale massa oscillante, costituita da ruota, forcella, attacco, curva e comandi, si verrebbe così a trovare incrementata dal più solidale contatto con parte della massa del motociclista. Ma i tempi di reazione di un essere umano risultano insufficienti per contrastare un effetto ciclico ad alta frequenza qual è lo shimmy, e sicuramente di gran lunga meno efficienti di un servomeccanismo di smorzamento come quelli che equipaggiano altri mezzi di elevata tecnologia altresì affetti dal problema in esame. Una eccessiva contrazione muscolare e un certo irrigidimento generale, peraltro, portano alla riduzione delle naturali caratteristiche di assorbimento delle vibrazioni proprie della struttura corporea umana. Anche situazioni più banalmente riconducibili a semplici brividi di freddo, per esempio, possono essere presi a testimonianza di quanto appena affermato.
Ma non sono solo le reazioni, consapevoli o meno, che il motociclista manifesta in sella alla moto al manifestarsi dello shimmy a far pensare che esso sia uno dei più importanti elementi in gioco. Anche la sua posizione in sella o, meglio, la distribuzione dei pesi che la geometria della motocicletta impone, possono rivelarsi concause del problema. Una postura di sella particolarmente avanzata sull’avantreno, caratterizzata dal posizionamento delle braccia troppo verticali e non particolarmente distese, farebbe presumere una distribuzione del peso corporeo particolarmente sbilanciata a gravare l’avantreno, con la conseguenza di un’elevata applicazione di carico torsionale sullo sterzo e sulla parte anteriore del triangolo. Inoltre, anche il materiale con il quale è costruito il telaio, nonché il design delle tubazioni che lo costituiscono, giocano un ruolo importante. Questi due parametri sono determinanti nel definire qual è l’impedenza meccanica del telaio stesso. Questa è un valore che indica quale sia la resistenza opposta da un sistema elastico ad essere eccitato, quindi a essere posto in vibrazione (come quella molla di cui s’è parlato più sopra). Tanto questa impedenza è bassa, tanto più facile sarà prevedibile la possibilità che si verifichino fenomeni di shimmy e viceversa. Due sono i parametri che determinano indirettamente il valore di impedenza: la rigidità strutturale del telaio e la capacità intrinseca del materiale di assorbire e dissipare energia. I materiali che, per tipologia e per design delle tubazioni, si rivelano più rigidi saranno altresì caratterizzati da frequenze di oscillazione più elevate. I materiali in possesso di caratteristiche di buon “damping” naturale, invece, saranno in grado di dissipare una maggiore quantità di energia, riducendo l’ampiezza delle sollecitazioni.
Quello della progettazione delle geometrie, soprattutto dell’avantreno, è un elemento da valutare in relazione allo shimmy. Tutti conoscete l’importanza della misure di avancorsa e angolo di sterzo nella geometria dell’avantreno e dell’importanza dell’avancorsa (che è a distanza misurata al suolo intercorrente tra la proiezione dell’asse dello sterzo e la perpendicolare dell’asse del mozzo anteriore) nella definizione della stabilità della moto. L’incremento del valore di avancorsa, impone la creazione di una coppia di forze di autoallineamento più grande (ritorno più repentino dello sterzo), con il conseguente innalzamento delle forze di reazione dovute all’effetto giroscopico e, in definitiva, l’instaurarsi di un innesco di ondeggiamento dello sterzo di maggiore ampiezza. In aggiunta alla già citata necessità di stabilire una geometria che non porti il motociclista a gravare troppo sull’avantreno (telaio troppo corto), dobbiamo ricordare anche che un centro di gravità particolarmente alto nel mezzo avvicina la possibilità di innesco dello shimmy.
La questione della rigidità complessiva del mezzo è cruciale, soprattutto se viene considerata la rigidità torsionale della catena di elementi che costituiscono il telaio.

Quali controlli bisogna fare alla nostra moto?

1) controllare l’esatto serraggio del cannotto di sterzo;
2) montare, se possibile, gomme dotate di battistrada più “corposo”, perché riescono meglio di altre a contenere il fenomeno, grazie alle maggiori proprietà di smorzamento conferite dal “compound” gommoso;
3) controllare che le guaine dei cavi non siano troppo tesi;
4) controllare che la pressione dei pneumatici sia sempre corretta.

--------------------------------------

Se volete altre informazioni, vi consiglio di leggere anche  QUESTA interessantissima discussione sull'effetto SHIMMY.

Faccio una premessa per analizzare i motivi principali dello shimmy.
Sono cose che saprai benissimo ma penso che possa essere utile a quelli che iniziano e che così possono capire meglio le cause di alcuni tipi di capitomboli improvvisi.
Piccoli ondeggiamenti sono naturali e non eliminabili visto che sono legati all'effetto giroscopico delle ruote, effetto che fa stare in equilibrio la moto e permette di governarla.
Se si vuole fare un esperimento si tenga la ruota come nella foto e e si provi a simulare una oscillazione e si sentirà sulle dita la resistenza che la ruota oppone a stabilizzarsi in un'altra posizione.

Se poi si prova ad agire velocemente in quà e in là si sentirà che la ruota non vuole proprio fare quello che noi vogliamo.
Queste forze ci sono ovviamente quando si sterza o anche solo quando la moto ondeggia sul rettilineo a causa di correzioni di sterzo oppure disallineamenti dello sterzo per irregolarità dell'asfalto come gobbette o piccole buche.
Qusti piccoli disallineamenti della ruota anteriore, volontari o no, sono automaticamente e rapidamente corretti dall'effetto autoallineante della forcella che richiama prontamente la ruota sulla sua direttrice longitudinale.
Le due forze prodotte, l’effetto giroscopico da un lato e l’effetto di autoallineamento della ruota anteriore dall’altro, si contrastano quindi l’un l’altro.
Il problema dello shimmy esagerato nasce quando la forza di richiamo dello sterzo è troppo forte e tale da far oltrepassare alla ruota la posizione di allineamento e farla sterzare dall'altra parte.
Con questo violento sovrarichiamo automatico si creano altre forze giroscopiche, questa volta prodotte nel lato opposto dell’avantreno, subito contrastate da reazioni di autoallineamento, e così via, in una sequenza alternata di azioni e reazioni che sollecitano tutto il gruppo della ruota forcella spingendolo di quà e di là.
Se il sistema va in risonanza l'ampiezza dell'oscillazione diviene troppo grande e si perde il controllo della moto.
Questo fenomeno è amplificato dall'elasticità del telaio, dalla distribuzione dei pesi e dalla reazione del pilota.
Per mettersi nelle condizioni ottimali bisogna avere il telaio più rigido possibile.
Nel nostro caso della motina sarebbe bene (non indispensabile ma visto su parecchie moto nelle gare) irrigidire la zona centrale con una staffetta.

La distibuzione dei pesi può favorire lo shimmy in accelerazione se il peso è troppo sulla ruota posteriore o in frenata se il peso è troppo sulla ruota anteriore e l'avancorsa è piccola (forcella più vicina alla posizione verticale).
Nel nostro caso distanza fra gli assi delle ruote da 29 a 30 cm.
(Non penso che il maggior peso delle pile, situate molto basse possano essere un problema).
Il pilota può far degenerare la situazione su di una moto vera se all'isorgere dello shimmy si spaventa e irrigidisce il polso e il braccio.
Chi smanetta con le moto vere sà che stringere il mnubrio in caso di shimmy comporta un grosso rischio di sdraiarsi dolorosamente sull'asfalto.
Facile da dire ma difficile da fare perchè lo spavento tende a farci irrigidire.
Bisogna lasiar fare alla moto tenendo il polso leggero, tanto il nostro polso non avrà mai la rapidità, la forza e la sincronia di correggere le oscillazioni, anzi, andrà in controtempo e aggraverà la situazione.
Sulla nostra motina il polso del pilota è l'ammortizzatore di sterzo che non deve essere troppo rigido.
Dato per scontato che tu che sei esperto hai serrato bene tutte le viti del telaio e della forcella e, cosa importante, hai le guaine dei freni anteriori ben messe e non troppo corte, la causa secondo me più probabile dei tuoi problemi è l'eccessiva durezza dell'ammortizzatore di sterzo (troppo olio oppure olio troppo denso).
 

Visitors

104407