Il terreno nel fuoristrada

Il terreno e la sua importanza nell’off-road

Quando si parla di autoveicoli puramente stradali l’attenzione è, per ovvi motivi, rivolta esclusivamente alla meccanica del veicolo. In effetti, la strada è fondamentalmente considerata come una superficie rigida e regolare la cui variabile di maggior interesse, a parte le lievi irregolarità del manto, è il coefficiente di aderenza.
Al contrario, se parliamo di veicoli destinati all’impiego off-road, il terreno acquista un ruolo chiave: esso non è più una superficie rigida e piatta, ma è un aggregato più o meno deformabile, caratterizzato da gradienti altimetrici spesso notevoli e da una superficie irregolare comprendente ostacoli di varia natura e, in talune circostanze, di entità considerevole.

In questo caso, sia che siamo progettisti, sia che siamo preparatori o semplici appassionati dell’off-road, non possiamo volgere la nostra attenzione al solo veicolo. Per ottimizzare la mobilità di un mezzo su un certo tipo di terreno è necessario conoscere le caratteristiche di quel suolo al fine di comprendere i principali meccanismi tramite i quali esso interagisce con il veicolo.
A tal proposito, in questo articolo ho deciso di spostare l’attenzione dal sistema veicolo al sistema terreno per conoscere, almeno un pochino, quella cosa su cui poggiamo costantemente gli pneumatici.

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Dal punto di vista della locomozione fuoristrada, risulta di primario interesse conoscere le caratteristiche della parte superiore del terreno, diciamo non al di sotto del metro di profondità. Infatti, è questa la zona d’interazione con il veicolo ed è qui che si decidono le sorti della battaglia per il movimento, la quale potrebbe tristemente concludersi anche con l’immobilizzazione del veicolo. A tal riguardo, l’arresto del mezzo può avvenire essenzialmente per:

• questioni dovute alle proprietà fisiche del suolo (eccessivo affondamento del veicolo o insufficiente capacità di trazione);
• questioni dovute alle caratteristiche geometriche del suolo (interferenza meccanica tra il profilo del veicolo e la superficie del terreno).

Composizione e classificazione dei terreni

In generale, il terreno è un sistema costituito da tre fasi:

• solida (particelle solide o grani);
• liquida (soluzione acquosa);
• gassosa (aria).

Un terreno costituito dalle sole fasi solida e gassosa prende il nome di terreno asciutto, mentre un terreno costituito dalle sole fasi solida e liquida prende il nome di terreno saturo.
La fase solida, cioè l’insieme dei granelli di terreno, può essere composta prevalentemente da materia organica (torbe) o da materia inorganica.

Esistono vari metodi di classificazione dei terreni e la scelta di uno piuttosto che di un altro dipende dallo specifico ambito di impiego. Ad esempio, per quanto riguarda la mobilità fuoristrada, un interessante metodo di catalogazione del suolo è quello relativo alle dimensioni delle particelle. Si osservi la figura 1: essa si riferisce ai terreni inorganici ed alla loro composizione granulometrica.

In generale, un terreno inorganico è composto da un misto di sabbia, limo e argilla e, a seconda della percentuale di questi tre materiali, esso prende una denominazione particolare.
La regola che si è soliti utilizzare per denominare un certo tipo di terreno è la seguente:

• prima parte del nome: frazione presente con la maggior percentuale;
• seconda parte del nome: frazione presente con percentuale compresa tra il 25 % ed il 50 % preceduta da “con”;
• terza parte del nome: frazione presente con percentuale compresa tra il 10 % ed il 25 % seguita dal suffisso “-oso”.

Ad esempio, un terreno contenente il 60 % di limo, il 30 % di argilla ed il 10 % di sabbia prende il nome di limo con argilla sabbioso.
Osserviamo ora la tabella 1: essa mostra la classificazione di sabbia, limo ed argilla in base alle dimensioni delle particelle e secondo due diversi sistemi (ISSS e USDA).

Vediamo, quindi, che la sabbia è il materiale caratterizzato dai grani di maggiori dimensioni, mentre l’argilla è costituita da grani molto piccoli. Questa classificazione ha un’importanza chiave sulla mobilità dei veicoli in quanto influenza in maniera rilevante la risposta meccanica del terreno.

La risposta meccanica del suolo

A tal proposito osserviamo lo schema di figura 2 che mostra in maniera molto semplice le modalità del suolo di resistere e deformarsi sotto l’azione di sollecitazioni esterne.

Il carico verticale, e quindi l’applicazione di una pressione p sulla superficie del terreno, dà luogo all’affondamento z, mentre  le forze di trazione sollecitano il  suolo con tensioni tangenziali τ (si legge tau) e danno luogo alla deformazione tangenziale j. Il suolo si oppone a queste deformazioni con una risposta meccanica che è influenzata, in maniera rilevante, dal contenuto percentuale dei tre materiali di base (sabbia, limo e argilla).

Per descrivere la sostanziale differenza nel comportamento meccanico della sabbia e dell’argilla occorre introdurre i concetti di coesione ed adesione.

La coesione è il legame di natura elettrostatica che si stabilisce tra le particelle di una medesima tipologia di materiale, mentre l’adesione è il legame tra due differenti materiali. La prevalenza di un meccanismo di interazione rispetto all’altro dipende dal tipo di materiali a contatto. Ad esempio, riempiendo con acqua uno stretto contenitore in vetro, si può notare che la superficie del liquido è leggermente concava perché sui bordi le forze di adesione tendono a far attaccare l’acqua al vetro. Al contrario, facendo la stessa cosa con il mercurio, la superficie risulterà convessa, in quanto le forze di coesione tra le particelle del metallo sono di gran lunga maggiori (fig. 3).

Tornando ai terreni, essi possono essere distinti in coesivi e non coesivi (o incoerenti). In particolare, i terreni a grana grossa, quindi sabbiosi, sono incoerenti, mentre i suoli argillosi sono coesivi.

Se scaviamo una buca su un terreno argilloso duro, notiamo che le pareti della fossa non franano e ciò è indice di un forte legame tra le particelle, quindi un terreno del genere avrà un’elevata coesione. Se invece proviamo a scavare su sabbia asciutta, durante lo scavo assistiamo allo scivolamento del materiale lungo le pareti della buca: il movimento della sabbia si arresta solo al raggiungimento di una certa pendenza delle pareti. Tale fenomeno è spiegabile dall’assenza di coesione tra le particelle del terreno. L’angolo che le pareti formano con l’orizzontale prende il nome di angolo di riposo e, in pratica, coincide con l’angolo di attrito interno del suolo φ (fig. 4). Questo concetto è spiegato anche negli articoli La cedevolezza verticale del suolo e I segreti della sabbia.

Forza di trazione concessa dal terreno

La distinzione tra suoli coesivi ed incoerenti è sostanziale per caratterizzare il comportamento meccanico del terreno.

Osserviamo la figura 5 (già vista nell’articolo Trazione su neve (parte 1): lo pneumatico). In essa è schematizzata l’interazione di uno pneumatico tassellato con il terreno. La coppia motrice sviluppata dallo pneumatico viene trasmessa al suolo grazie ai tasselli, i quali tendono ad asportare il volume di terreno compreso tra essi.

La resistenza che il suolo oppone al taglio esercitato dai tasselli può essere espressa con il criterio di Mohr – Coulomb tramite la formula (1).

Tale formula, valida per un generico terreno, contiene sia la coesione c che l’angolo di attrito φ, quindi, nel caso in cui si abbia a che fare con un terreno completamente coesivo (argilla satura), essa si ridurrebbe alla relazione (2), mentre nel caso di suolo non coesivo (sabbia asciutta), avremmo la relazione (3).

Le formule (2) e (3) ci permettono di fare almeno due osservazioni importanti:

• la resistenza al taglio dei terreni coesivi è funzione della sola coesione, quindi è indipendente dalle pressioni di contatto scambiate tra lo pneumatico ed il suolo;
• la resistenza al taglio dei terreni non coesivi dipende essenzialmente dall’attrito esistente tra le particelle del terreno e quindi è funzione delle pressioni di contatto tra pneumatico e suolo.

Ciò vuol dire che aumentando il carico verticale sugli pneumatici di un veicolo che si sta muovendo su un terreno prevalentemente argilloso, la forza di trazione che esso sarà in grado di espletare rimarrà sostanzialmente invariata. Al contrario, un incremento del carico verticale su un veicolo in marcia su un suolo sabbioso asciutto, porterà ad un corrispettivo incremento della forza di trazione disponibile.

In generale, i meccanismi d’interazione del terreno con i veicoli sono complessi e variabili nel tempo, in quanto dipendenti da molteplici fattori di varia natura, sia fisica che chimica. Le considerazioni fatte nel presente articolo, seppur semplici e limitate, ci consentono comunque di apprezzare il fatto che le caratteristiche del terreno possono influenzare in maniera importante la mobilità di un veicolo e quindi anche l’adozione di certe soluzioni in fase di progetto.

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