Dal motore a scoppio alla F1, tesina

«Ho trovato uomini che indubbiamente amavano come me l'automobile

Ma forse non ne ho trovati altri con la mia ostinazione, animati da questa passione dominante nella vita che a me ha tolto il tempo e il gusto per quasi ogni altra cosa. Io non ho alcun diverso interesse dalla macchina da corsa.»

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Enzo Ferrari

Imprenditore, ingegnere ed ex pilota automobilistico

(Modena, 18 febbraio 1898 – Modena, 14 agosto 1988)

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Liceo San Vincenzo De Paoli

Esame di maturità 2015

Rambaldi Matteo 1

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In questa tesina parlerò della mia passione: l'automobile, di come si è evoluta la sua fabbricazione volendo porre l'attenzione sul ruolo fondamentale che ha avuto nel progresso della società.

Tutto è cominciato dalla caparbietà e dalla passione per la fisica e la matematica di un insegnante di fisica originario di Pietrasanta, Padre Eugenio Barsanti, che con l'ingegnere idraulico di Lucca, Felice Matteucci svilupparono e realizzarono il primo motore a scoppio.

Il motore a scoppio modificato, migliorato, rimpicciolito, adattato, perfezionato, ancora oggi, romba con lo stesso principio su possenti e velocissime automobili; quel motore sulla terra, nel cielo e sul mare a tutte le latitudini con i mezzi più disparati, nei continenti, nelle grandi officine e nei laboratori, ha rivoluzionato il mondo, ha diminuito le distanze, ha alleggerito le fatiche ed ha cambiato i rapporti tra l'uomo e la natura, ha segnato profondamente nel bene e nel male la società contemporanea ed ha impegnato l'umanità a cercare modelli di sviluppo sempre più efficienti e compatibili.

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Indice

• Il motore a scoppio: la scintilla che ha rivoluzionato il mondo. Pag. 7
• Come funziona il motore a scoppio. Pag. 8
• Daimler e Benz: i pionieri dell'automobile. Pag. 12
• Dietro una grande auto… c'è sempre una grande donna. Pag. 13
• La seconda rivoluzione industriale. Pag. 14
• Il taylorismo. Pag. 16
• Il fordismo. Pag. 17
• Modesta come un asino, utile come le scarpe. Pag. 18
• Si può avere un'auto di qualsiasi colore, purché sia nera. Pag. 19
• La civilizzazione dell'automobile. Pag. 20
• Nuovi carburanti per la salvaguardia dell'ambiente. Pag. 22
• La velocità è l'estasi che la rivoluzione industriale ha regalato all'uomo. Pag. 26
• Un fisico bestiale. Pag. 27

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Il motore a scoppio: la scintilla che ha rivoluzionato il mondo

Il motore a scoppio è il figlio della macchina a vapore, nasce in Italia nel 1853 durante la seconda rivoluzione industriale ma solo verso i primi anni del '900 iniziamo a vedere le prime automobili in produzione.

Il motore a scoppio, una delle invenzioni più fragorose e fondamentali dell'umanità, è nato nel silenzio di un convento. I suoi padri sono stati Eugenio Barsanti di Pietrasanta, professore di fisica, matematica e filosofia presso il collegio di San Giovannino di Firenze, e Felice Matteucci, un tecnico idraulico che nello stesso convento aiutava il religioso a preparare le sue esperienze di fisica.

Barsanti e Matteucci avevano intuito che il gas illuminante* sarebbe potuto essere sostituito da altri carburanti liquidi, come il petrolio e la benzina, precisarono inoltre che il loro motore poteva essere usato per la trazione di carrozze, anticipando così l'idea dell'automobile.

Il motore a scoppio fu poi perfezionato nel 1860-1861 dai francesi Jean-Jacques Lenoir e Alphonse Beau de Rochas, che inventò il ciclo a 4 tempi e ne fornì un'attenta descrizione teorica. Ma erano ancora lontani dal rappresentare un propulsore affidabile.

Venne infatti drasticamente migliorato e trasformato in un prodotto industriale dal tedesco Nikolaus Otto, da cui il nome di ciclo Otto.

Nel 1876, Otto realizzò il primo motore a scoppio a quattro tempi (aspirazione, compressione, scoppio e scarico), base per tutti i successivi sviluppi in questo campo.

La prima costruzione in serie su scala industriale venne però intrapresa solo nel 1877 dall'ingegnere tedesco Nikolaus August Otto, nella sua officina a Deutz presso Colonia.

Sarà poi Daimler a sviluppare un motore a scoppio leggero e potente, in grado di essere applicato sulle automobili.

Il progresso del motore a scoppio è stato fin dall'inizio collegato strettamente a quello della tecnologia, della metallurgia, della chimica e della meccanica di precisione. Dagli ultimi decenni del XIX secolo in poi, questa dipendenza è diventata ancora più profonda, e il ritmo dell'evoluzione motoristica ha incominciato ad essere scandita sempre più marcatamente da quello del progresso tecnologico.

Nel 1885 Gottlieb Daimler e Karl Benz realizzano contemporaneamente ed indipendentemente il primo motore a combustione interna per autotrazione: nasceva l'automobile e venivano via via realizzati motori più leggeri e potenti.

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* Il gas illuminante, costituito da un insieme di gas quali idrogeno, monossido di carbonio e metano, fu ottenuto nei primi dell'800 riscaldando il carbon fossile in assenza di aria. Esso infatti è ricco di metano e quando viene bruciato fornisce 20.5 kJ per litro, da cui deriva il nome gas di città.

Il gas illuminante era utilizzato prevalentemente per l'illuminazione pubblica dei centri urbani.

L'ultima fase evolutiva del motore a scoppio mette in evidenza l'opera e l'ingegno di un altro tecnico tedesco, l'ingegner Rudolf Diesel.

Nel 1893 Diesel ebbe l'idea di utilizzare la fortissima compressione dei gas per costruire un motore di nuovo genere. Quattro anni dopo, quel motore era una palpitante e rivoluzionaria realtà. A differenza di tutti i motori a scoppio fino a quel momento conosciuti, nei quali l'accensione della miscela veniva innescata da una scintilla elettrica, il motore Diesel la otteneva per semplice compressione.

Il motore Diesel dimostrò subito un rendimento assai superiore a tutti gli altri motori a scoppio.

Come funziona il motore a scoppio?

Il motore a scoppio è un dispositivo in grado di trasformare l'energia termica, derivante dai combustibili, in energia meccanica.

In realtà il motore a scoppio ha bisogno di essere messo in moto da un agente esterno, le prime macchine disponevano di una manovella che usciva dal cofano (vedi Ford mod. T); questo permetteva di accendere il motore manualmente, oggi invece tutte le macchine presentano un motorino elettrico che all'accensione del veicolo mette in moto il motore.

Quando il motore è acceso è in grado di autosostenersi, facendo in modo di ripetere ciclicamente le trasformazioni fondamentali, fornendo così l'energia meccanica richiesta dalla macchina.

Per fare questo il motore è composto da un cilindro entro il quale scorre un pistone che è collegato a una biella che trasforma il moto rettilineo del pistone nel moto circolare dell'albero a motore.

Nella parte superiore del cilindro si trovano:

• La camera di combustione dove ci sono un iniettore (per il motore diesel) o la candela (per il motore benzina), dispositivo elettrico inserito nella testa di ognuno dei cilindri atto a generare una scintilla che avvii la combustione della carica.
• Le valvole d'aspirazione che servono per immettere la miscela di combustibile nel cilindro impedendo che la miscela stessa ritorni indietro, e quelle di scarico che fanno evacuare il gas combusto dal cilindro.

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Il punto morto superiore (PMS) è il punto più alto in cui il pistone può arrivare, mentre quello più basso si chiama punto morto inferiore (PMI).

Analizziamo meglio il motore a scoppio alimentato a benzina. Possiamo partire dall'istante in cui il pistone è salito fino al suo massimo (PMS) e sta per scendere: se ora le valvole restassero chiuse, il pistone scendendo farebbe espandere quel poco gas presente, e così continuando non si produrrebbe energia.

Il ciclo di lavoro del motore a scoppio comprende la serie delle trasformazioni che subisce il fluido operante nel momento in cui viene immerso nel cilindro fino quando non esce.

Nel ciclo Otto e Diesel, dei motori a quattro tempi avvengono principalmente quattro trasformazioni fondamentali: aspirazione, compressione, scoppio, espansione e scarico.

1. Aspirazione: la prima cosa che deve succedere nel motore è quella di far entrare nel cilindro l'aria e la benzina, cioè la fonte d'energia del motore. Per fare questo è necessario che, mentre il pistone scende dal PMS al PMI, la valvola resti completamente aperta immettendo così nel cilindro nuova miscela.

2. Compressione: appena il pistone raggiunge il PMI, il pistone ricomincia a salire comprimendo la miscela di aria e benzina, mentre la valvola nel frattempo si è richiusa. Il pistone comprime tutto il volume della miscela nella piccola parte rimasta, il rapporto di compressione tra il volume finale e quello iniziale è intorno a 1:10.

3. Scoppio: tornati al punto morto superiore, la benzina e l'aria sono al massimo della compressione e si trovano in un piccolo spazio intorno alla candela. La candela produce una scintilla che fa in modo che la miscela esploda, generando una pressione che va a spingere il pistone verso il basso. Questa fase viene anche chiamata fase utile in quanto la pressione che viene fatta sul pistone viene trasferita all'albero motore dalla biella, grazie a questo le ruote della macchina sono in grado di muoversi.

4. Espansione e scarico: dopo lo scoppio il pistone per via della pressione si trova nel PMI. A questo punto l'esplosione ha terminato tutta la sua energia e il pistone è pronto a risalire. Inizia così la fase di scarico, quella in cui i gas combusti devono essere espulsi per portare il motore alle condizioni iniziali. Per fare questo si apre la valvola di scarico e così il pistone nella sua risalita fa in modo che i gas escano dirigendosi poi verso la marmitta. Tutti i gas sono ora espulsi e il cilindro è pronto a ospitare una nuova miscela per cominciare un nuovo ciclo.

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I quattro tempi del motore a scoppio

I motori a ciclo Otto (alimentati a benzina) e a ciclo Diesel (alimentati a Diesel) presentano molte similitudini, in quanto essi sono due motori a combustione interna, quindi termici.

Entrambi utilizzano combustibili fossili, entrambi trasformano l'energia termica in energia cinetica grazie al pistone ed alla biella. Hanno anche le stesse fasi, aspirazione, compressione, scoppio, espansione e scarico, ma proprio all'interno di esse il motore diesel si differenzia da quello a benzina.

Per analizzare meglio le differenze, dobbiamo come prima partire da quando il pistone si trova nel PMS, da dove prende il via la prima fase:

1. Aspirazione: il pistone dal PMS comincia a scendere verso il PMI, durante la discesa la valvola si apre per far in modo che possa entrare l'aria.

2. Compressione: una volta arrivato al punto morto inferiore, la valvola si chiude ed esso comincia la risalita comprimendo l'aria all'interno del cilindro.

3. Scoppio: l'aria compressa raggiunge una temperatura elevata, e quando l'iniettore spruzza il diesel polverizzato, questo subito crea una combustione, facendo espandere la miscela e costringendo il pistone a scendere nuovamente.

4. Scarico: il pistone arrivato al PMI deve ora risalire, la valvola di scarico si apre e i gas combusti hanno modo di uscire, per arrivare alla marmitta.

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Il motore diesel come vediamo innesca spontaneamente la sua combustione, non ha quindi bisogno di agenti meccanici esterni che producano una scintilla. Proprio per questa ragione il motore diesel deve essere in grado di creare molta più pressione sull'aria di quanto non faccia un motore a benzina, per fare in modo che la sua temperatura sia molto più alta e che permetta l'esplosione nel momento dell'iniezione del diesel.

Giocano a favore di questo motore la facilità di guida e il basso costo del diesel, però il motore a benzina ha minori costi di produzione e prestazioni più elevate.

Ma noi come facciamo a calcolare le prestazioni del motore?

Le prestazioni di una macchina dipendono completamente dal lavoro che produce il motore.

Il termine lavoro, in fisica, ha un significato preciso, si parla di lavoro quando si applica una forza ad un oggetto che si sposta nella direzione della forza.

Più intensa è la forza, quindi, più è grande lo spostamento e maggiore è il lavoro.

Ma che relazione ci può essere tra il calore ed il lavoro?

Quando il motore è nella fase di scoppio produce calore, quindi il motore trasforma il calore in energia cinetica trasformandola in lavoro cioè il movimento delle ruote. Per spiegare questo processo dobbiamo ricorrere al primo principio della termodinamica che dice:

In ogni sistema termodinamico, la variazione dell'energia interna è uguale alla differenza del calore assorbito e ceduto e del lavoro compiuto dal sistema.

ΔL = Q − L. (1)

Sappiamo che nella fase utile, lo scoppio, produce lavoro che viene poi utilizzato nelle fasi successive. Si chiama lavoro utile quello che arriva alle ruote e gli permette di muoversi, ed è lavoro espresso come la differenza tra il guadagnato meno quello perso:

Lguadagnato − Lspeso = Lutile (2a)

Per il calore vale la stessa cosa del lavoro:

Qass − Qced = Qutile (2b)

A questo punto, nell'equazione (1) sostituisco l'eq. (2a) e (2b), ottengo la relazione cercata:

0 = −Lutile + Qutile; Lutile = Qutile = Qass − Qced (3)

→

In conclusione:

Il lavoro utile di un motore è esattamente uguale al calore utile, cioè al calore assorbito (Qass) meno quello disperso (Qced).

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Daimler e Benz: i pionieri dell'automobile