AUTOMOBILI: IL PROBLEMA DELLA SICUREZZA

Il problema degli incidenti stradali dipende in larga misura dalla politica delle case costruttrici finalizzate alla vendita di auto sempre più costose. Le case automobilistiche, non solo hanno promosso l'auto a status symbol, ma hanno anche indotto la gente a credere che più un veicolo è grande e pesante, più è sicuro in caso di incidente.

Ora, mentre è immediatamente evidente l'importanza della velocità come fattore aggravante degli incidenti stradali (valore negativo che è stato però neutralizzato attribuendo alla velocità il valore positivo della "grinta" e della "sportività"), non altrettanto può dirsi del ruolo giocato dal peso dei veicoli nella dinamica dello scontro. E, vista l'importanza di questo argomento, vale sicuramente la pena di affrontarlo.

La dinamica di uno scontro tra veicoli.

L'energia cinetica di un'auto in corsa è espressa dalla formula E=½mv², dove E è l'energia, m è la massa inerziale o peso del veicolo, e v la sua velocità. L'energia di un'auto in corsa è quindi, secondo la formula, proporzionale al peso dell’auto e al quadrato della sua velocità. In altre parole, all'aumentare del peso l'energia cinetica aumenta in maniera lineare, mentre all'aumentare della velocità essa aumenta in maniera esponenziale, e il fattore velocità e il fattore peso non si sommano ma si moltiplicano fra di loro.

La dinamica dell'impatto tra due veicoli, immaginando per semplicità che si scontrino frontalmente provenendo da direzioni opposte, è descritta dalla legge generale di conservazione dell'energia e dalla legge di conservazione della quantità di moto. Quest'ultima deriva dal Terzo Principio della Dinamica, detto anche principio di azione e reazione.

Il Terzo Principio afferma che ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria, e questo in pratica significa che durante l'impatto i due veicoli vengono sottoposti alla stessa forza d'urto, anche se hanno peso e velocità diverse. La conseguenza è che durante uno scontro il veicolo che ne ha di più trasferisce quantità di moto a quello che ne ha di meno (o non ne ha affatto), e l'energia trasmessa con l'urto è tanto maggiore quanto maggiore è la differenza.

La quantità di moto di ciascun veicolo è data dal prodotto del peso per la velocità, secondo la formula P = mv (dove P esprime la quantità di moto). La quantità di moto totale deve rimanere costante prima e dopo lo scontro, sia in caso di urto elastico che anelastico:

m1 v1 + m2 v2 = m1 V1 + m2 V2

dove m1 ed m2 sono il peso dei due veicoli, v1 e v2 le loro velocità prima dello scontro, e V1 e V2 le loro velocità dopo lo scontro.

Inoltre, come conseguenza della legge generale di conservazione dell'energia, in caso di urto perfettamente elastico (i due veicoli rimbalzano senza subire alcuna deformazione e senza assorbire energia), l'energia cinetica complessiva deve rimanere la stessa prima e dopo l'impatto:

½m1 v1² + ½m2 v2² = ½m1 V1² + ½m2 V2²

Nel caso invece di urto anelastico, come sono di regola gli scontri tra veicoli, l'energia cinetica diminuisce, perché una parte viene assorbita dai due automezzi che si deformano.

Dal calcolo della quantità di moto si risale alle velocità dei due veicoli dopo lo scontro (che sono diverse a seconda che l'urto sia elastico o anelastico). E con la velocità si può calcolare l'energia cinetica. Sottraendo dall'energia cinetica calcolata (supponendo lo scontro elastico), quella effettiva dopo lo scontro, si ottiene l'energia assorbita da ciascun veicolo durante l'impatto.

Di solito i veicoli sono progettati in modo da deformarsi nella parte anteriore allo scopo di dissipare una parte dell'energia dell'impatto, e salvaguardare così il più possibile l'integrità dell'abitacolo e i passeggeri. Purtroppo, però, a causa della grande quantità di energia cinetica in gioco, dovuta al contemporaneo aumento del peso e della velocità, gli abitacoli delle auto dopo un incidente risultano spesso completamente schiacciati o distrutti.

Le conseguenze di un incidente stradale.

Poiché, in base al principio di azione e reazione, durante uno scontro l'energia viene suddivisa in parti uguali tra i due veicoli, quello più grande e pesante, essendo più robusto, subisce meno danni.

È questo il motivo per cui le case automobilistiche hanno trasformato il peso delle auto in un fattore di sicurezza. Ma se un mezzo più pesante protegge meglio i propri passeggeri, in compenso risulterà più pericoloso per qualunque altro veicolo circoli sulla strada.

Ma cosa succede se, a parità di velocità, aumenta il peso delle auto? Per un urto contro un ostacolo fisso, a parità di sviluppo tecnologico, ci si devono aspettare danni equivalenti. Questo perché, se aumenta la massa del veicolo, mentre la capacità dei materiali di assorbire gli urti rimane la stessa, anche i danni che il veicolo subisce devono rimanere gli stessi.

Se si vuole aumentare la sicurezza a parità di peso, bisogna aumentare la massa destinata a deformarsi e assorbire l’energia dell’impatto. Per esempio, se a parità di peso raddoppia il peso delle parti deformabili (longheroni, zone di deformazione controllata ecc.), raddoppia anche la quantità di energia che un’auto può assorbire.

D’altra parte la sicurezza può aumentare, e anche di molto, se le parti deformabili sono realizzare con materiali a base di fibre industriali, dalla fibra di vetro alla fibra di carbonio, che hanno una capacità di dissipare energia molto maggiore rispetto alla lamiera d’acciaio. Questi materiali hanno anche il pregio di essere più resistenti allo sfondamento, e quindi di proteggere meglio l’abitacolo anche dagli urti laterali.

Oltre a questi ci sono ancora altri fattori importanti da considerare ai fini della sicurezza, come la velocità, l’aderenza, l’attenzione e la capacità del conducente. Conta molto anche la posizione del centro di gravità e la disposizione delle masse. Un veicolo in cui le masse sono compatte e vicine al baricentro, è dinamicamente migliore, più stabile e più facilmente controllabile. Viceversa se le masse sono distanti dal baricentro, o se sono situate dietro, durante le curve tendono a partire per la tangente con effetto destabilizzante. Inoltre, se l’auto è più equilibrata, gli pneumatici devono controllare forze minori per eseguire la stessa manovra, e molti incidenti avvengono quando si perde il controllo della propria vettura.

La velocità è un fattore particolarmente importante: se raddoppia la velocità, per avere la stessa sicurezza bisogna quadruplicare la massa progettata per assorbire energia.

ESP ED ELETTRONICA PER CORREGGERE GLI ERRORI DI PROGETTO

Se hai una buona vettura che, senza sistemi elettronici, garantisce buone prestazioni in termini di stabilità dinamica, allora aggiungere uno stabilizzatore o aiuto elettronico migliora ulteriormente la situazione.

Ma se hai una macchina che, senza aiuti elettronici, fa schifo, mentre con l’aggiunta di tali sistemi arriva a valori di stabilità accettabili, quello che ottieni alla fine è una macchina più pericolosa. E perché più pericolosa? Non ho detto “valori di stabilità accettabili”?

Purtroppo aver aggiunto un sistema in più al veicolo ne riduce necessariamente l’affidabilità. E quando si guasta proprio un aiuto elettronico si ritorna ad avere un’auto che fa schifo. Magari proprio quando servirebbe un’ottima auto per uscire da una situazione di pericolo.

Un’altra cosa da osservare, che è un aspetto meno evidente della considerazione appena fatta, è la seguente. Pensate se un costruttore di auto dicesse: “Voglio vendere di più. Voglio quindi più spazio per mettere un po’ di motori elettrici, di condizionatori a quattro zone, di cavi e di centraline. Proprio non posso mantenere un peso basso. Quindi mi si riducono i margini di stabilità dinamica del veicolo. Quindi ho bisogno di un aiuto (ESP) per tornare … ai valori di partenza”.

Del resto è anche troppo facile convincere la gente che ha bisogno di dieci finestrini elettrici, di sedili che ti fanno il massaggio mentre guidi, della macchina che parcheggia da sola ecc. E la massa sale. Certo non importa che lo scopo del veicolo sia trasportare occupanti e relativo bagaglio. Deve parcheggiare da solo. Deve azionare il tergicristallo se cade una goccia di pioggia, deve abbassarti il parasole se c’è il sole. Deve massaggiarti la schiena se, dopo la palestra debitamente pagata, vuoi rilassarti (e io che pensavo che in auto si dovesse stare attenti … non rilassati). E deve pur frenare da sola quando ti dimentichi che non sei sul divano di casa. E come dimenticare che deve avere un pc con win xp che deve potersi connettere a internet ad alta velocità. Per guardare qualche bel video di youtube su dei meravigliosi pannelli lcd sparsi ovunque tra plancia e poggiatesta. Bèh, già, mica per altro si parla di car infoteinment …

Peccato che ogni motore ed attuatore elettrico sia un dispositivo con una densità esagerata. È fatto con il rame … con molto rame … E richiede cavi … sempre di rame. E richiede corrente … che deve essere generata … da un grosso generatore di rame. Insieme ad una sempre più grande batteria … di piombo. Usando potenza prodotta dal motore, ovviamente.

Ah, dimenticavo che sono tutti in fervente attesa dell’auto con lo sterzo elettrico e con l’intera cinematica delle sospensioni realizzata mediante attuatori elettrici.

Basta guardare i dati tecnici delle auto pensate soprattutto negli ultimi anni per vedere che generalmente si è seguita la seguente ricetta:

1. Aumento della massa non assorbente per fare posto alle più stravaganti, e pesanti, inutilità tecnologiche. Si deve vendere, no? Non si può più mica guidare un’auto che non si parcheggia da sola!
2. Panico perché la macchina non sta più in strada.
3. Aggiunta di ESP, ASR, MTC, etc, etc, etc, e quindi di un ulteriore peso.
4. Incremento molto leggero della massa assorbente attraverso studi un po’ migliorati sulle strutture di assorbimento.
5. Incremento elevato della massa totale per poter far fronte alla necessità commerciale di avere le 5 stelle al crash test.

Ebbene, purtroppo non necessariamente. Non è infatti detto che 4 stelle di una macchina che, grazie ad una stabilità maggiore, ha una probabilità d’urto più bassa (anche sensibilmente più bassa) siano peggio di 5 stelle di un’auto che in strada non ci sta o che richiede al conducente un impegno psicofisico di guida più alto a causa della massa elevata.

Detto altrimenti, non è corretto, dal punto di vista della riduzione del danno medio da incidenti stradali, regolarsi su un test che guarda solo al danno medio da urto a causa della massa elevata, e trascura gli altri fattori di sicurezza.

Auto leggere

A questo punto è giunto il momento di valutare sotto il profilo della sicurezza I vantaggi delle auto costruite con criteri di leggerezza, in particolare delle auto con carrozzeria non più in acciaio, ma in fibra industriale.

Questi modelli, oltre che in assoluto meno pesanti, hanno anche la carrozzeria molto più deformabile. E sono anche intrinsecamente meno pericolosi, cioè meno pericolosi per chiunque vadano ad urtare. Ma sono anche più sicuri nella maggior parte delle situazioni per i propri passeggeri, perché nonostante il minor peso delle strutture progettate per deformarsi, sono in grado di assorbire una quantità maggiore di energia. Per esempio bastano cinque soli chilogrammi di coni in fibra di carbonio per assorbire tutta l'energia di impatto di un'auto di 500 Kg che si schianta contro un muro alla velocità di 80 Km/ora.

Ma vediamo nel dettaglio le diverse situazioni in cui si può venire a trovare la nostra “auto leggera”.

1) . Scontro di un veicolo con un ostacolo fisso.

A parità di sviluppo tecnologico, per uno scontro con un ostacolo fisso i danni che un’auto subisce devono rimanere gli stessi, anche se il peso si riduce. Se però le parti deformabili sono realizzate con fibre industriali, la loro capacità di assorbimento diventa talmente alta che potrebbero dissipare tutta l’energia di un’auto di peso dimezzato (salvo che per le velocità più elevate). E dato che di solito il conducente riesce a frenare e a rallentare almeno un po’ la velocità, cinture di sicurezza allacciate i passeggeri subirebbero ben pochi danni.

2) . Scontro frontale di due veicoli del medesimo peso e velocità.

Lo scontro frontale tra due veicoli dello stesso peso e velocità è riconducibile al caso precedente, salvo che, a uguale velocità di impatto, l’energia che essi devono assorbire raddoppia. Se però i due veicoli hanno le parti deformabili realizzate con fibre industriali, diminuiscono comunque molto i danni rispetto ai modelli con carrozzeria e parti deformabili in acciaio.

3) . Scontro frontale tra veicoli di peso diverso.

L’energia cinetica di un’auto in corsa è proporzionale alla sua massa e al quadrato della sua velocità. Nello scontro tra due veicoli di massa diversa e uguale velocità, dovendo assorbire ciascuno dei due la metà dell’energia totale, si ha un trasferimento di energia dal veicolo più pesante a quello più leggero. Se il veicolo più pesante è anche più veloce, aumenta ancora di più la sua energia cinetica, e quindi l’energia di impatto che il veicolo più leggero deve assorbire. In questo caso il minor peso evidentemente si trasforma in uno svantaggio. Lo svantaggio della diminuzione del peso rispetto ad un’auto tradizionale, però, è compensato, o almeno in parte compensato, dalla maggiore capacità di assorbimento dei materiali a base di fibre industriali.

4) . Scontro di un autoveicolo con motorini, biciclette e pedoni.

Per effetto degli stessi principi fisici un veicolo di peso dimezzato, a parità di velocità, provoca la metà dei danni in chiunque venga urtato, e questo è importante specialmente per moto, biciclette e pedoni. Già solo per questo motivo i veicoli più leggeri meriterebbero un trattamento di favore da parte dello Stato e delle assicurazioni, in quanto intrinsecamente meno pericolosi.

5) . Scontro tra auto e camion.

Questo caso è riconducibile al punto n. 3). Anche qui il veicolo con maggiore energia ne trasferisce a quello che ne ha di meno. Poiché un veicolo più pesante è anche più robusto, è doppiamente avvantaggiato. Se poi, come in questo caso, la differenza di peso è molto grande, un’auto che pesi un po’ di più o un po’ di meno, o che sia in grado di assorbire una quantità maggiore a minore di energia, avrà comunque sempre la peggio e ne uscirà completamente distrutta (a meno che il camion non sia praticamente fermo).

Come rendere il traffico più sicuro

Alla luce di queste considerazioni, quale può essere la migliore strategia per ridurre il numero e la gravità degli incidenti stradali?

La prima cosa da fare è separare, dovunque sia possibile, il traffico auto da quello pesante, perché la massa di un camion è tale che in ogni caso le auto non avrebbero scampo. Bisognerebbe inoltre ridurre il numero dei mezzi pesanti che circolano sulle strade, cosa che si può ottenere trasferendo gran parte del traffico merci sulle vie fluviali e marittime o sui treni.

La riduzione del traffico pesante limiterebbe anche il logoramento del manto stradale, che è a sua volta una delle principali cause di incidenti. Inoltre i camion potrebbero essere dotati di "scatole nere" (cosa che in questo momento viene proposta anche per le auto), allo scopo di controllare più facilmente il rispetto dei limiti di velocità.

Rimane in ogni caso fondamentale controllare che vengano rispettate le norme del codice stradale. La patente a punti e le apparecchiature automatiche per il controllo della velocità stanno già ottenendo dei risultati, ma devono essere capillarmente diffuse su tutta la rete stradale, e in particolare nei punti di maggior rischio.

In questo momento si sta diffondendo il sistema Safety Tutor, che rileva il numero di targa e la velocità media di tutte le auto su brevi tratte autostradali, scelte tra le più pericolose. Dove è già stato installato, ha fatto diminuire la mortalità del 40%, e per questo la sua copertura sta aumentando, e presto comparirà anche sulle prime strade normali.

Ma un decisivo contributo alla sicurezza potrebbe venire da auto che fossero ad un tempo più leggere e in grado di assorbire una maggiore quantità di energia. Questi nuovi modelli probabilmente non costerebbero di più, farebbero risparmiare molto carburante, e potrebbero ridurre in maniera sensibile lo scandalo di tante vittime della strada.

Auto elettriche

Finalmente, dopo decenni di sviluppo, oggi ci sono delle batterie più performanti che danno alle auto elettriche un’autonomia paragonabile o superiore a quella delle auto a benzina. Tutte le principali case automobilistiche hanno già varato dei modelli di auto elettriche che già da tempo circolano sulle strade.

I veicoli elettrici, dato che non hanno più il motore a scoppio, gli organi della trasmissione, il serbatoio, la batteria al piombo ecc, anche con la carrozzeria in acciaio pesano circa la metà dei modelli che sostituiscono. Il discorso fatto sopra sulla sicurezza dei veicoli leggeri cade quindi a pennello.

Adesso le auto elettriche sono semplicemente la versione elettrica delle auto tradizionali. Però quando in futuro le auto saranno progettate apposta per essere elettriche, probabilmente avranno anche la carrozzeria fatta con materiali a base di fibre industriali e saranno quindi ancora più leggere, ma nello stesso tempo più resistenti agli urti.

Inoltre, per renderle ancora più sicure (lo spazio a bordo non manca), si potrebbero aggiungere nella parte anteriore dei coni a base di fibra di carbonio che, deformandosi, sarebbero in grado di assorbire una parte notevole dell’energia cinetica di uno scontro.

Infine, una volta che tutte le auto saranno fatte così e saranno dotate della tecnologia per prevenire gli scontri tra veicoli leggeri e camion, il traffico diventerà molto più sicuro di oggi, perché le auto dovranno assorbire molto meno energia cinetica e potranno assorbirne una quantità maggiore.

Questo quindi è un altro importante vantaggio delle auto elettriche sui veicoli dotati di motore termico o di un sistema ibrido, e anche per questo, e non solo perché fanno crollare i consumi di petrolio, dovrebbero essere sostenute dai governi.

D’altra parte, sempre per questo stesso motivo, le auto elettriche dovrebbero interessare anche le case automobilistiche perché i consumatori, potendo risparmiare sul carburante, avranno più soldi da spendere per acquistare delle auto più comode, accessoriate e lussuose.