Sospensioni ad aria e temperatura

Sospensioni ad aria e temperatura

Daniel Naftali, 29/06/2011
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Daniel Naftali, 29/06/2011
Bentrovati, come tutti i mercoledì, all’appuntamento settimanale con il tech corner! 

La fisica ci insegna che i gas con la temperatura aumentano di pressione. Cosa succede all’aria nella nostra forcella o ammortizzatore con il caldo? La stessa taratura che utilizziamo d’inverno, andrà bene anche d’estate? E quando la sospensione si surriscalda varia la resistenza all’affondamento?
Nell’articolo di oggi cercheremo di rispondere a queste domane e capire se e quanto la temperatura influenza il funzionamento delle sospensioni ad aria.

Aria, temperatura e pressione

Come ci insegna la fisica, la pressione di un gas contenuto in un recipiente chiuso indeformabile (come può essere la camera pneumatica di una sospensione) dipende dalla sua temperatura. Maggiore è la temperatura, maggiore sarà l’agitazione termica delle molecole che costituiscono il gas e maggiore sarà la spinta esercitata dal gas sulle pareti del contenitore (pressione).


In mtb in mezzo alla neve: una classica situazioni di freddo intenso

A questo punto la domanda sorge spontanea: le variazioni di temperatura che interessano le nostre sospensioni, sono tali da generare variazioni di pressione e quindi di funzionamento che siano percepibili?

Per rispondere a questa domanda utilizzeremo alcune nozioni di fisica elementare.
Volendo fare una trattazione qualitativa e non rigorosa al centesimo, possiamo prendere come riferimento un modello semplificato, ovvero l’equazione dei gas perfetti:

in cui:

p è il valore della pressione del gas;
V è il volume occupato dal gas;
n sono le moli del gas;
R è la costante universale dei gas, il cui valore varia in funzione delle unità di misura adottate per esprimere le altre grandezze nell’equazione;
T è la temperatura assoluta del gas, espressa in kelvin.

Semplifichiamo il problema

Consideriamo una condizione statica, in configurazione di bici scarica e sospensione completamente estesa. La classica condizione in cui si regola una sospensione, insomma. La nostra camera pneumatica in questa configurazione è a tutti gli effetti un contenitore il cui volume rimane costante ed è sempre uguale, in quanto dipende dalle dimensioni fisiche della camera stessa.

Facciamo quindi variare la temperatura. Ci troviamo nella condizione di poter applciare la 2° legge di Gay Lussac:

In cui:

P(t) è la pressione in relazione alla tempertatura t
P0 è la pressione di partenza
α è detto coefficiente di espansione dei gas e vale per tutti i gas circa 1/273
t è la variazione di temperatura

Trascrivendo l’equazione in un grafico che riporti in ascissa la temperatura ed in ordinata la pressione, otteniamo un diagramma lineare:

Oltre a notare che la pressione si annulla alla temperatura di -273,15° (zero assoluto) notiamo come con l’aumentare della temperatura, aumenti la pressione del gas.

Per cui se la temperatura della sospensione aumenta (per variazione della temperatura esterna o per surriscaldamento dovuto all’attrito tra gli elementi di scorrimento), anche la pressione dell’aria aumenta e di conseguenza la sospensione risulta più dura. Naturalmente vale anche il viceversa con il freddo.

Dalla teoria alla pratica

Va bene, fin qui non c’è nulla di nuovo. Che un gas se riscaldato aumenti di pressione è piuttosto ovvio, come facilmente deducibile dall’esperienza quotidiana.

La domanda però viene spontanea: queste variazioni sono percepibili nel normale utilizzo della nostra MTB? Vediamo di fare qualche esempio numerico.

Realizziamo una tabella, riportando sulle colonne le pressioni tipiche di forcelle ed ammortizzatori, pressioni impostate a 20°C (temperatura di un appartamento o di una tipica giornata primaverile). Partiamo dai 60 PSI di una forcella, per arrivare ai 200PSI di un ammortizzatore High Volume.
Sulle righe riportiamo delle temperature tipo, partendo da -10°C di una rigida giornata invernale, ai 50° che è la temperatura raggiunta dall’aria in un ammortizzatore durante una lunga discesa.
Utilizzando quindi la 2° equazione di — Lussac, calcoliamo le variazioni di pressione.

Alcuni esempi pratici. In tabella e nel grafico è stata riportata la variazione della pressione in funzione della temperatura, di alcune tarature campione (60-80-100-150-200PSI) realizzate a 20°C.
Cliccare per ingrandire
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Analizzando la tabella si notano alcuni risultati interessanti. Se le variazioni per la forcella gonfiata a 60 PSI non sono così grosse (si parla di +- 6psi a -10° e 50°) e quindi molto vicine all’errore di lettura del manometro di una pompetta da 300 PSI), per pressioni più elevate, come i 200 PSI degli ammortizzatori, la variazione è di +- 20 PSI, un valore del tutto percepibile, anche da un rider non molto esperto.

Parlando in termini percentuali, la variazione è di ca il 10%.

Considerazioni

Insomma, il 10% è una variazione che non è certo trascurabile, specialmente considerando le pressioni elevate a cui funzionano gli ammortizzatori.

D’altronde non è certo una novità che le sospensioni ad aria in condizioni di particolari sollecitazioni (discese veloci su tratti sconnessi, brake bumps affrontati ad alta velocità) tendano ad indurirsi a causa del surriscaldamento. Qui abbiamo considerato una temperatura massima di 50° che è piuttosto ottimistica, ma se pensate una bicicletta da DH che scende ad elevata velocità su un tracciato pieno di bumps, magari in una giornata estiva, capirete che spesso si va anche oltre questa temperatura ed è quindi facile che la sospensione ad aria vada in crisi. Non a caso è uno dei motivi per cui spesso per uso gravity si preferiscano sospensioni a molla.

Per quanto riguarda il freddo invece bisogna considerare un secondo aspetto. Gli oli dell’idraulica risentono parecchio le temperature basse e tendono a diventare più viscosi mano a mano che la temperatura scende. Questo rende quindi più pigra la sospensione, riducendo la corsa utilizzata. Per cui se in teoria dovremmo utilizzare più corsa a causa della riduzione di pressione per il freddo, l’aumento di viscosità dell’olio aumenta il freno in compressione riducendo la corsa utilizzata.
Per questo le sospensioni d’inverno sembrano più pigre, anche se in teoria dovrebbero essere più morbide.
Non dimentichiamoci poi delle guarnizioni in gomma che diventano più rigide col freddo e della differente dilatazione termica di materiali diversi. Spesso infatti le sedi degli OR sono in materiali polimerici che si restringono meno con il freddo dei metalli. Gli steli e le altre parti in alluminio al cui interno scorrono gli OR quindi si “stringono” sulle guarnizioni ed aumentano l’attrito.
Per questi motivi quindi d’inverno le sospensioni sembrano meno fluide e funzionano peggio.

E voi, sentite che la forcella funziona diversamente a seconda della temperatura? Avete mai sentito una sospensione ad aria andare in crisi su una discesa impegnativa? Raccontate le vostre esperienze!