Dispositivi di sicurezza nelle automobili

I.T.I.S. “Othoca” – Oristano

I dispositivi di sicurezza nelle automobili

Di Federico Costa

Classe V^N - Liceo Scientifico Tecnologico

A.S. 2008/2009

Indice

Introduzione

pag. 3

I dispositivi di sicurezza nelle automobili

pag. 4

Parte prima:

Fisica – Il motore a scoppio e i cicli termodinamici

pag. 10

Informatica – La OSCAR e il software Open Source

pag. 17

Biologia – I biocarburanti

pag. 24

Parte seconda:

Storia – Il taylorismo e il fordismo

pag. 31

Letteratura – Marinetti e l’Automobile

pag. 39

English – James Joyce

pag. 45 Pagina 2

I dispositivi di sicurezza nelle automobili – Federico Costa V^N

Bibliografia e Sitografia

pag. 50

Introduzione

La mia passione per l’ automobile è nata all’età di tre anni, quando mio Padre ha portato a casa la sua Ford Escort SW bordeaux. Dal giorno mi sono interessato a queste “cose” che permettono alle persone di spostarsi per andare in posti diversi dalla propria casa; consentono di divertirsi con gli amici e di conoscere nuove persone; permettono inoltre di fare nuove esperienze; e danno la possibilità di andare veloci sulle strade.

Ma per andare veloci bisogna essere sicuri di quello che si fa. Ecco perché ho scelto questo argomento: per far capire quanto sia divertente guidare l’automobile sapendo che si può fare in tutta sicurezza. Nel corso degli anni sono stati concepiti tantissimi dispositivi: in questa tesina spiegherò come funzionano tali sistemi di sicurezza, e come questi abbiano salvato la vita a tantissime persone permettendogli di continuare a fare ciò che più gli piaceva: guidare.

Spero di essere abbastanza comprensibile ed esauriente. Pagina 3

I dispositivi di sicurezza nelle automobili – Federico Costa V^N

I dispositivi di sicurezza nelle automobili

Federico Costa

I dispositivi di sicurezza nelle automobili

Introduzione

I dispositivi di sicurezza nelle automobili permettono al guidatore e ai passeggeri di viaggiare in tutta sicurezza, e all’ambiente (pedoni e altri automobilisti) che sta intorno al veicolo di non preoccuparsi quando un automobile incrocia il proprio percorso.

Questi si dividono in due grandi categorie:

• I dispositivi per la sicurezza attiva, che permettono all’automobilista di evitare incidenti. Tra i più importanti si ricordano l’ABS e l’ESP, ma anche le sospensioni, la visibilità e la climatizzazione sono dei fattori che aiutano ad evitare gli incidenti;
• I dispositivi per la sicurezza passiva, invece riducono le conseguenze di un incidente ai passeggeri; i più famosi sono le cinture dotate di pretensionatore e gli airbag, ma anche i materiali usati per la plancia e i sedili, i poggiatesta e la rigidità della scocca permettono di evitare conseguenze gravi agli automobilisti.

L’ABS

L’ABS (Antilock Braking System) è un assistente elettronico della frenata creato dalla Bosch e adottato per la prima volta su un automobile nel 1978. Sino a qualche anno fa era un costoso optional; adesso, in seguito ad una normativa europea, viene installato di serie su tutte le auto.

Il principio di funzionamento è abbastanza semplice: il dispositivo, attraverso i suoi sensori (ruote foniche), misura la velocità di rotazione delle ruote e non appena si accorge che una di esse si è bloccata o sta per bloccarsi ne “allenta” la forza frenante agendo sull’impianto idraulico della pompa freno. In questo modo si evita che la ruota slitti e che il conducente possa perdere il controllo del mezzo.

Con l’uso dell’ABS gli spazi di frenata vengono notevolmente accorciati, sia rispetto a quelli che si avrebbero con le ruote bloccate, sia rispetto a quelli che un guidatore medio riesce ad ottenere senza ABS (fanno eccezione pochissimi casi, ad esempio sulla neve).

A seconda dei modelli (a 4 o 2 sensori) l'ABS è in grado di dosare la forza frenante su ogni singola ruota o su uno stesso asse. Così facendo l'auto non perde mai direzionalità (compatibilmente con l’aderenza laterale delle gomme)

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ed il conducente può mantenere il controllo dell'auto anche nelle condizioni più complesse, a meno di velocità troppo eccessive dove l'ABS resta utilissimo ma gli eventuali improvvisi cambi di direzione potrebbero far sbandare l'auto. In questi casi è l’ESP che ci viene incontro.

L’ESP

L’ESP (Electronic Stability Program), o sistema elettronico del controllo della stabilità, è un sistema di sicurezza che si integra con l’ABS, il BAS e l’ASR. Creato nel 1995 da Bosch, questo dispositivo è composto da:

• Un sensore di giri su ogni ruota;
• Un sensore che rileva la rotazione del veicolo intorno al proprio asse;
• Un sensore che rileva l’angolo di sterzata;
• Una centralina di controllo.

Quando per ragioni qualsiasi in curva la macchina tendesse a sbandare l’ESP mediante i suoi sensori lo rileverebbe e attraverso la regolazione automatica e separata dei freni, del motore e della trasmissione impedirebbe all’autovettura eventuali perdite di stabilità e permette perfino al guidatore più inesperto di governare con estrema facilità la propria vettura, pur trovandosi in condizioni di aderenza critiche (superfici viscide o innevate).

Viste le innumerevoli variabili delle quali deve tenere conto, l’ESP è dotato di elevate capacità di calcolo, difatti è tuttora l’impianto che possiede maggiore

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memoria (48 KiloByte), ben quattro volte in più rispetto a quella del più comune ABS.

Questo sistema possiede varie denominazioni dietro le quali però si nasconde per vie generali lo stesso tipo di dispositivo: la BMW lo chiama DSC (Dynamic Stability Control), mentre la Porsche lo chiama PSM (Porsche Stability Management).

L’airbag

L’airbag è un sacco in Kevlar (fibre di grafite) che può essere collocato nella parte centrale del volante oppure in altre parti dell’abitacolo (plancia e sedili).

La prima autovettura di produzione che presentò quest’innovazione fu la Oldsmobile Coronado nel 1973. In Europa fu la Mercedes-Benz la prima ad offrirlo come optional di lusso nei suoi modelli alti di gamma nel 1980, seguita dalle altre maggiori case del vecchio continente.

In caso di urto una carica esplosiva lo gonfia di gas inerti (es. azoto) e così facendo questo cuscino riesce a proteggere i passeggeri da urti frontali e laterali. Esso è composto da:

• Un sensore che rileva la brusca decelerazione del mezzo causata da un impatto;
• Una centralina elettronica che riceve il segnale del sensore, lo elabora ed invia il comando di accensione ad un detonatore;
• Un detonatore che accende le sostanze contenute nella capsula esplosiva;
• Una capsula che esplodendo sviluppa una grande quantità di gas per gonfiare il contenitore

l'airbag vero e proprio, solitamente di materiale sintetico e dotato di fori nella parte posteriore. Pagina 7

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Con l'accensione, si realizza un'esplosione che gonfia l'airbag mentre la testa e il torace degli occupanti si stanno spostando in avanti, frenandone la velocità; subito dopo comincia però a sgonfiarsi attraverso i fori posteriori del sacco, attutendo l'impatto del corpo contro il volante o contro il cruscotto senza far incorrere le vittime nel pericolo di soffocamento. Il suo funzionamento è abbastanza semplice: attraverso dei sensori di accelerazione/decelerazione posti in varie parti della scocca (ogni modello di auto adotta soluzioni diverse) in 2-3 millisecondi viene attivata la carica esplosiva e dopo pochi millisecondi l'airbag è già completamente gonfio. Nelle auto più recenti esistono sensori in grado di rilevare se sul sedile vi è un passeggero, il suo peso ed eventualmente la sua posizione.

In base a tutti questi fattori l'airbag si può aprire più o meno velocemente a seconda dell'urto (es. airbag dual stage) o non aprirsi proprio (es. se non c'è nessuno seduto).

Ormai di questi dispositivi se ne vedono istallati un numero considerevole in ogni parte dell’automobile. Primi tra tutti quelli inseriti nel cruscotto per proteggere i passeggeri seduti davanti, poi esistono quelli laterali anteriori, laterali posteriori e quelli a tendina. Ultimamente sono stati introdotti anche gli airbag per le ginocchia del guidatore e del passeggero anteriore, per ridurre i traumi tipici di un impatto frontale.

L'airbag è un sistema supplementare di protezione che funziona di concerto con la cintura di sicurezza: non indossare la cintura rende pericoloso l'airbag.

Le cinture di sicurezza

Le cinture sono delle cinghie, facilmente sganciabili a comando, destinata a vincolare la persona al sedile, al fine di proteggerla in caso di incidente o comunque per assicurarla saldamente al sedile in previsione di forti decelerazioni. Raggiunge la

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massima utilità accoppiata con l’airbag.

Le cinture hanno beneficiato di vari miglioramenti negli anni: all’inizio non erano nemmeno dotate dell’arrotolatore e quindi il suo utilizzo era scomodo, spesso inefficace ma soprattutto non consentiva alcun movimento a chi le indossava. Nel 1957, facendo seguito all'esperienza degli sport automobilistici, furono però introdotte in qualche automobile, anche se furono usate più come test che per reale convinzione nei confronti dell'utilità dell'oggetto. I risultati della sperimentazione furono comunque ritenuti molto positivi e nel 1960 furono lanciate in commercio le prime cinture di sicurezza di serie. In particolare si sostenne che le cinture, se montate in maniera corretta, avrebbero ridotto drasticamente la pericolosità dell'impatto del torace col volante in caso di brusca frenata.

Nel 1973 la Francia dichiarò le cinture obbligatorie per legge. In seguito tutte le nazioni occidentali, Italia compresa, seguirono la legislazione.

Ma ciò che rende la cintura un vero dispositivo di sicurezza sono i pretensionatori.

Ne esistono di due tipi, quello posto nell'arrotolatore della cintura e quello posto nell'attacco che usiamo per agganciare e sganciare la cintura stessa.

Il funzionamento è semplice: se il nostro veicolo dovesse urtare violentemente un ostacolo un sensore attiverebbe il pretensionatore (fase 1), che in pochissimi millesimi di secondo (quindi ancora prima che il nostro corpo fosse scaraventato in avanti) provvederà a tendere la cintura (fase 2), in questo modo la decelerazione alla quale sarà sottoposto il nostro corpo sarà la meno brusca e violenta possibile. Pagina 9

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Parte prima

Fisica – Il motore a scoppio e i cicli termodinamici

Il motore

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Un motore è una macchina il cui funzionamento prevede l’assorbimento di energia da una sorgente e la sua trasformazione in lavoro meccanico.

Il motore a combustione interna è chiamato così perché, a differenza delle macchine che lo hanno preceduto (come la macchina a vapore di Watt), la combustione avviene internamente.

Il motore a combustione interna è alimentato da una miscela di aria e carburante, che viene trasformata in lavoro meccanico mediante il processo di combustione, che produce calore e pressione. Esistono molteplici tipologie di motori a combustione interna, che si differenziano per alimentazione, funzionamento o architettura. I più conosciuti sono il ciclo Otto e il ciclo Diesel.

Inoltre i motori si possono differenziare in base al numero di fasi che essi compiono, questi sono:

• Il motore a due tempi;
• Il motore a quattro tempi.

Motore a due tempi Motore a quattro tempi

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Attualmente il motore più usato è quello a quattro tempi, perché garantisce un rendimento migliore associato a consumi più bassi rispetto ad un motore a due tempi.

Il motore a quattro tempi tradizionale possiede:

1. Condotto di aspirazione
2. Valvola di aspirazione
3. Camma
4. Pistone o stantuffo
5. Fasce elastiche
6. Fascia raschia olio
7. Cilindro
8. Camera di scoppio o di combustione
9. Candela
10. Biella
11. Manovella
12. Valvola di scarico
13. Condotto di scarico

Le fasi del motore a quattro tempi sono:

• Punto morto superiore (PMS),

Aspirazione: il pistone, dal procede verso il basso aspirando la miscela attraverso le valvole di aspirazione (trasformazione isobara);

• Punto

Compressione: le valvole si chiudono; una volta raggiunto il morto inferiore (PMI), il pistone risale verso la testa comprimendo il fluido (trasformazione adiabatica);

• Esplosione: la candela provoca l’accensione della miscela compressa, nell’istante appena successivo al raggiungimento, da parte del pistone, punto morto superiore (PMS);

del in camera di scoppio si raggiungono elevatissime temperature e pressioni (trasformazione isocora);

• Espansione: in seguito all’esplosione della miscela, il pistone viene spinto verso il basso fino al PMI e la sua temperatura decresce

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attiva

notevolmente; questa è la fase del ciclo, l’unica durante la quale lavoro viene prodotto (trasformazione adiabatica);

• Valvole di

Uscita dei gas: il pistone si trova al PMI e l’apertura delle valvole di scarico ha come risultato la fuoriuscita di gran parte dei gas per depressione e il loro conseguente raffreddamento (trasformazione isocora);

• Scarico: il pistone opera l’ultima corsa ascendente, grazie alla quale vengono espulsi i rimanenti gas combusti, e termina il ciclo (trasformazione isobara).

Nonostante le fasi del motore siano sei, esso viene chiamato comunque motore a quattro tempi perché vengono prese in considerazione solo quelle dove il pistone compie un movimento all’interno del cilindro.

In questa rappresentazione le ultime due fasi, la quinta e la sesta fase (Uscita dei gas ed Scarico), vengono rappresentate come una fase sola, visto che si compiono quasi simultaneamente.

Ciclo Otto

Il ciclo Otto è il ciclo di funzionamento dei motori a quattro tempi alimentati a benzina o gas, come metano o GPL. Fu inventato da Nikolas Gustav Otto nel 1878 e applicato alla prima automobile nel 1886 da Gottlieb Daimler e Karl Benz. Esso era composto da un cilindro disposto orizzontalmente e da un carburatore che garantiva l’alimentazione. Le fasi che compie il motore a ciclo Otto sono quelle riportate in precedenza. Dal punto di vista termodinamico, le fasi del motore si possono rappresentare in questo grafico pressione-volume.

Questo grafico rappresenta il ciclo Otto ideale. In realtà i motori moderni non riescono ad ottenere solo del “lavoro” positivo, perche in realtà le fasi di aspirazione e scarico non sono delle vere e proprie trasformazioni isocore, a causa delle pressioni negative che si creano nella prima fase, e a causa dell’ innalzamento dovuto allo scarico dei gas mediante l’ apposita valvola. In questo grafico invece viene rappresentato il ciclo Otto di un motore benzina aspirato. Si può vedere come con la prima e l’ultima fase si viene a creare un lavoro negativo.

Per ridurre gli effetti di questo problema le case automobilistiche hanno dotato le auto di un turbocompressore (come la Volkswagen nei motori TSI, dove l’iniezione della benzina nel cilindro avviene in maniera diretta), creando cosi un lavoro positivo, aumentando rendimento e prestazioni e riducendo notevolmente i consumi. Inoltre i passaggi tra le fasi non sono netti come nel ciclo ideale, ma bensì formano delle curve, visibili nel grafico: ciò è dato dal fatto che le fasi, anche se vengono distinte, sono comunque successive tra di loro e il tempo per passare da una fase all’altra è infinitesimo (basti pensare che un motore BMW impiega 0,00012 secondi per iniettare la benzina nel cilindro).

Ciclo Diesel

Il motore diesel, inventato nel 1893 dall’ingegnere tedesco Rudolf Diesel, differisce dal tradizionale motore a ciclo Otto per diversi aspetti: il gasolio, combustibile utilizzato per il funzionamento è il che presenta proprietà antidetonanti decisamente maggiori rispetto alle benzine, e viene iniettato direttamente all’interno della camera di combustione, attraverso iniettori elettronici che polverizzano il combustibile in minutissime gocce. L’altra grande differenza con i motori a benzina risiede nel metodo utilizzato per provocare l’accensione della miscela, che non prevede l’utilizzo della candela: la combustione viene provocata attraverso l’incremento della compressione durante la seconda fase, che porta ad un aumento di temperatura tale da innescare la reazione senza l’ausilio della scintilla.