Fondamenti dei trasporti

Approccio sistemico

L’approccio riduzionista porta alla creazione di progetti, volti allo scopo di risolvere i problemi, in cui spesso prevale la sostenibilità parziale.

• Necessità di isolare l’oggetto del progetto
• Limitare al minimo le relazioni con l’esterno
• Circoscrivere il problema e l’analisi
• Dimensionare e progettare solo l’oggetto

L’approccio sistemico consente, tramite la conoscenza delle relazioni fra componenti, di trasformare il problema in opportunità.

• Allargare la visione dell’oggetto all’oggetto e il suo intorno
• Non trascurare alcun elemento
• Considerare gli effetti e le interazioni anche su aspetti considerati marginali
• Non escludere a priori
• Escludere a posteriori

L’approccio sistemico è un metodo adeguato di pensare ai progetti complessi, contrariamente al metodo riduzionista che richiede l’analisi su elementi isolati dal contesto e si radica nella convinzione di determinare il “progetto generale” attraverso la somma di contributi disgiunti e settoriali. L’approccio sistemico richiede la valutazione del rendimento di ogni singola componente, di come essa collabora ed interagisce con le altre per il raggiungimento dell’obiettivo in misura del suo rendimento.

Le dieci regole dell’approccio sistemico

1. Il sistema deve avere un obiettivo, funzionare per gli scopi per i quali è stato definito. È necessario verificarne bene la sua definizione, i suoi vincoli, le sue caratteristiche generali. È importante definire “cosa” un sistema deve fare, piuttosto che “come”.
2. Il sistema richiede sempre un’azione retroattiva di controllo, per verificarne il corretto funzionamento.
3. Nella descrizione di un sistema, è importante conservare le diversità che emergono dall’analisi; non è necessario perseguire un approccio unificatore, che standardizzi per le diversità. La sua complessità e le sue differenze arricchiscono l’analisi.
4. Nella rappresentazione della realtà è bene conservare tutti i vincoli, evitando eccessive semplificazioni che, pur producendo analisi “definite” e di facile trattazione, risulterebbero inutili agli scopi prefissati. Potrebbe risultare corretto accettare informazioni imperfette e dati non esaustivi che, incorporati, consentano di costruire una rappresentazione idonea del fenomeno.
5. Il sistema deve poter essere flessibile, rivelare i cambiamenti riscontrati ed a questi adattarsi, o comunque farne uso. Non è necessario interiorizzare tutti i cambiamenti incontrati: attraverso la fase di scelta alcuni di questi potranno essere acquisiti totalmente, altri in parte e altri scartati.
6. Il sistema deve essere in grado di modificarsi dinamicamente attraverso processi continui di unioni di sottoinsiemi diversi fra loro, che danno origine ad un nuovo sistema con un livello superiore di organizzazione. La combinazione di più sistemi produce nuova conoscenza solo se in presenza di complessità: la presenza di componenti in antitesi crea diversità, per cui esse non vanno rimosse.
7. Il sistema deve possedere uno stato di stabilità “globale”. Uno dei momenti più importanti è quello della definizione del giusto livello di stabilità: se il livello è troppo locale il sistema risulta poco flessibile, mentre un livello troppo elevato rende vana qualsiasi possibilità di modifica dinamica.
8. La struttura del sistema deve essere analizzata in dettaglio, prestando attenzione alla localizzazione delle diverse componenti.
9. È necessario dotare il sistema di una buona rete di comunicazione fra componenti e verso l’ambiente esterno, attraverso l’analisi dei flussi informativi, degli ingressi/uscite del sistema, degli ostacoli, dei conflitti presenti e di quelli possibili, delle eventuali funzioni di trasferimento. Va sottolineato come la variabile “tempo” assuma un’elevata valenza: spesso l’informazione ha validità solo se recapitata entro determinati limiti temporali: oltre perde di significato; ciò impone nuovi vincoli al sistema.
10. Ciascuna singola componente del sistema può autonomamente rispondere a singole sollecitazioni provenienti dall’interno del sistema senza necessariamente doversi sempre rapportare sempre al sistema globale di livello superiore.

Esempi di approccio con il modo di pensare sistemico

Alcuni esempi di approccio con il modo di pensare sistemico sono:

• Città per poli: la gran parte delle città nate attorno ad un fulcro centrale di prevalenti attività commerciali sono entrate in crisi nel tempo, a causa dell’elevata densità del traffico. Nasce la necessità di coniugare obiettivi di riequilibrio urbano attraverso il decongestionamento delle aree centrali a favore di quelle periferiche, per le quali risulta necessario realizzare un sistema di accesso basato su un sistema di trasporto a bassa densità di domanda.
• Il termine “produzione snella” identifica una filosofia industriale ispirata al Toyota Production System, che mira a minimizzare gli sprechi fino ad annullarli. Fu coniato da alcuni studiosi americani ad indicare l’innovativa iniziativa manageriale di una casa automobilistica giapponese che progettò il sistema di produzione e commercializzazione di autoveicoli oggi più diffuso al mondo: il modello Toyota.

Produzione artigianale e produzione di massa

La storia dell’automobile iniziò verso la fine del XIX secolo, con sistemi di produzione artigianale, utilizzando e riconvertendo alcune officine meccaniche che eseguivano lavorazioni relative ad altre macchine utensili. Le caratteristiche della produzione artigianale sono:

• Ridotto numero di unità prodotte
• Elevato impiego di manodopera
• Bassa specializzazione della manodopera e delle macchine utensili
• Scarsa precisione nella produzione dei vari componenti in base ai modelli progettuali
• Elevati costi di produzione

Negli anni ’20 alla produzione artigianale si sostituì la produzione di massa, il cui sistema era fondato su:

• Elevato numero di unità prodotte
• Elevata specializzazione della manodopera e delle macchine utensili
• Bassa qualità dei prodotti
• Costi di produzione relativamente bassi

Fra il 1950 e il 60 alcuni studiosi giapponesi misero a punto il sistema di produzione snella, ispirata al TPS. Il Toyota Production System è un metodo di organizzazione alternativa alla produzione di massa, ovvero alla produzione in serie su larga scala, secondo le logiche della catena di montaggio di Henry Ford.

I presupposti di un nuovo sistema di produzione e management sembravano quelli di dover diversificare la produzione con un elevato numero di modelli, in quantità ridotte, attraverso un processo di produzione che tenesse conto della ridotta disponibilità di capitali e delle esigenze dei lavoratori. Le soluzioni adottate per perseguire l’obiettivo furono:

• Il posto di lavoro assicurato a vita
• La carriera segnata da scatti di anzianità
• I premi di produzione legati all’attività dell’azienda

Nella produzione di massa la produzione e l’assemblaggio dei componenti sono gestiti dalla Casa Madre. I fornitori diretti della Casa Madre si definiscono di prima fascia, mentre i fornitori dei fornitori di prima fascia si definiscono di seconda fascia. La Casa Madre aveva la tendenza ad accumulare grosse scorte di componenti, per cui quando una partita risultava difettosa significava perdere una grossa quantità di componenti. Questo sistema di gestione degli approvvigionamenti era inefficiente poiché:

• Non esisteva alcun tipo di rapporto di cooperazione tra i tecnici progettisti della casa madre ed i tecnici della produzione delle aziende fornitrici, le quali tendevano a fornire componenti di scarsa qualità
• Non esistendo feedback era difficile migliorare la qualità dei componenti
• Le grosse scorte nei magazzini della Casa Madre assorbivano grossi costi e condannavano questa ad una produzione rigida

Nella produzione snella il sottosistema di approvvigionamento venne così articolato:

• I tecnici della progettazione della Casa Madre e quelli della progettazione e produzione delle aziende di prima e seconda fascia cooperano alla realizzazione dei componenti
• Vengono eliminati i grandi magazzini di scorte e si introduce il concetto di Just in Time, secondo il quale gli approvvigionamenti di componenti avvengono all’occorrenza

Il progetto M.A.I.A.

• Il progetto M.A.I.A.: l’Istituto per la Ricerca Scientifica e Tecnologia opera nel campo dell’intelligenza artificiale, e ha come compito principale quello di realizzare sistemi intelligenti per le applicazioni industriali. Una recente e significativa esperienza è rappresentata dal progetto “Modello Avanzato di Intelligenza Artificiale”, che rappresenta un esempio di progettazione e realizzazione di un nuovo sistema, nato con un approccio di tipo sistemico.

Questo progetto è finalizzato alla gestione automatica di biblioteche e si inserisce fra i programmi di sviluppo dell’intelligenza artificiale. MAIA è un sistema intelligente costituito dai seguenti sottoinsiemi:

• Un portinaio automatico (concierge), che interagisce con i visitatori, rispondendo alle loro domande sul ruolo, la struttura e gli obiettivi dell’IRST
• Una biblioteca elettronica, che gestisce i prestiti e le restituzioni dei libri e che riesce a riconoscere sia i libri che gli utenti
• Una famiglia di robot mobili, aventi diversi compiti, capaci di muoversi autonomamente nei corridoi dell’IRST

Il sistema MAIA si compone di un sottoinsieme di gestione (costituito da solutori e procedure che, attraverso una rete di calcolatori interagenti fra loro, permette di governare le attività dei tre bracci operativi) e di tre bracci:

• Concierge automatico: è un sottosistema costituito da un terminale, localizzato all’ingresso dell’istituto, dotato di telecamera, microfono e altoparlante. Interagisce con i visitatori, li riconosce ed impara a riconoscere le loro necessità; inoltre interagisce con gli altri bracci del sistema, con l’ausilio di un robot, il visitatore in qualunque punto dell’istituto.
• Bibliotecaria elettronica: è un sottoinsieme articolare che ha il compito di gestire la biblioteca dell’istituto. Riconosce i lettori e comunica con loro, riconosce le copertine dei libri e gestisce le informazioni utili all’attività in biblioteca. Come la concierge, anche la bibliotecaria elettronica interagisce con gli altri bracci del sistema.
• I robot: questo braccio è costituito da un robot principale multifunzionale ed altri piccoli robot che hanno i compiti di sorvegliare, esplorare e sperimentare metodi di navigazione.

Meccanica della locomozione

La meccanica della locomozione studia le caratteristiche del moto di un veicolo. Esistono differenti sistemi di propulsione, quali:

• Ruota motrice, sfruttando il fenomeno dell’aderenza generata dal contatto ruota-via, consente il moto ordinario su strade e ferrovie
• Sistema a reazione indiretta (elica), permette il moto di aero-mobili
• Sistemi a reazione diretta, consente il moto di aero-mobili mediante la spinta fornita dall’emissione di gas ad alta velocità

Le condizioni di moto regolare sono descritte dall’equazione generale del moto.

In ogni mezzo si possono individuare due ordini di forze:

1. Forze attive o di trazione (T), dirette lungo la traiettoria del veicolo
2. Forze passive o resistenze (R), dirette lungo la traiettoria del veicolo ma in senso contrario − = Velocità di marcia. Massa equivalente

NB: la massa equivalente del veicolo è maggiore della massa semplice in quanto tiene anche conto delle masse rotanti.

Dall’equazione generale del moto è possibile derivare le equazioni che descrivono le diverse fasi del moto di un veicolo: > → >0.

1. Avviamento = → = 0 → = 0 → =
2. Regime = 0 → − = → = −/
3. Lancio ⁄ = 0 → −( + ) = → = − ( + )
4. Frenatura

Ruota motrice, attrito e aderenza

I sistemi caratterizzati da un sistema di propulsione a ruota motrice, sfruttano l’aderenza naturale del contatto organo di rotolamento – via per consentire l’avanzamento del veicolo mediante la trasmissione al terreno delle forze attive T e del peso P del veicolo.

• Attrito: presuppone un movimento di strisciamento tra le superfici a contatto
• Aderenza: è nullo ogni strisciamento o slittamento tra le superfici. Nella trazione stradale si distingue in:
  • Aderenza longitudinale: interessa le ruote motrici o frenanti. Il limite di aderenza longitudinale è il valore massimo della forza (forza attiva tangenziale), oltre il quale la ruota inizia a slittare e vengono meno le condizioni d’aderenza: = Il limite è
  • Aderenza trasversale: interessa tutte le ruote soggette al peso P e ad una forza diretta ortogonalmente al senso del moto. Si definisce il limite d’aderenza trasversale e coefficiente d’aderenza trasversale il valore massimo della forza oltre il quale la ruota inizia a slittare lateralmente: =

Nella trazione ferroviaria, l’aderenza riguarda la trasmissione della forza longitudinale (le forze trasversali vengono trasmesse dalla ruota alla rotaia mediante un coefficiente d’aderenza = apposito organo di guida). Il limite di aderenza peso del veicolo rappresenta la massima forza tangenziale che la ruota può trasmettere alla via in condizioni di rotolamento. Affinché ci sia aderenza dovrà risultare che: <

Nella trazione ferroviaria (ruota in acciaio) un’eventuale riduzione dell’aderenza potrebbe influire negativamente riducendo lo sforzo di trazione o quello frenante.

Nei veicoli stradali (pneumatico in gomma) se venisse meno l’aderenza longitudinale verrebbe gravemente compromessa la direzionalità del veicolo.

Resistenze al moto

Le resistenze sono le forze che un mezzo deve vincere per muoversi nel rispetto delle caratteristiche predefinite di velocità e accelerazione. Si dividono in:

• Resistenze ordinarie, presenti in tutte le fasi del moto e predominanti nel moto rettilineo uniforme in piano;
• Resistenze accidentali, dovute alle caratteristiche plano-altimetriche del tracciato, si presentano in condizioni di moto diverse dalle precedenti;

Resistenze ordinarie (Ro): [] = + + 1 2 = resistenza di rotolamento dovuta all’attrito volvente tra ruota e superficie di contatto. Nel caso stradale aumenta all’aumentare della velocità, mentre diminuisce al crescere della pressione di gonfiaggio: −5 3[15 ] [/] ⁄( + = + 3 ∙ 10 − 50) ( > 50 ℎ )1 2.

Nel caso ferroviario è molto modesta: [/] ≈ 2,01 = resistenza d’attrito tra perno e cuscinetto (strada) o tra boccole e fuselli (ferrovia). Nel caso stradale solitamente viene inglobata nella resistenza al rotolamento, ed è di modesta entità, mentre nel caso ferroviario assume una discreta importanza e deve essere calcolata separatamente.

= Resistenza aerodinamica dovuta al mezzo (aria) in cui si muove il veicolo che si oppone applicando una resistenza che dipende da:

• Sovrappressione che si genera sulla parte anteriore
• Attrito lungo le pareti laterali (quasi trascurabile nei veicoli stradali)
• Depressione sulla parte posteriore provocata dai moti turbolenti

Questa resistenza è funzione della forma e delle dimensioni del veicolo, della velocità del veicolo e della massa volumica e viscosità dell’aria.

Coefficiente di forma del veicolo 2 ⁄ [] = 2 3 ] Massa volumica dell’aria[/

Resistenze accidentali (Ra): [] = + + = resistenza d’inerzia: un corpo si oppone alla variazione di velocità con una forza pari al prodotto della massa del corpo stesso per l’accelerazione: = ().

Dove: ⁄ = massa del veicolo, kg/ = accelerazione di gravità 10%, = resistenza di pendenza; nei tracciati stradali le pendenze massime sono del mentre in quelli < 2,5%.

Ferroviari le pendenze massime sono molto più basse, generalmente. Si definisce pendenza critica il valore di pendenza per il quale, a motore inattivo, la marcia si mantiene isotachica senza bisogno di esercitare azione frenante. Mentre, si definisce pendenza nociva il valore di pendenza che richiede l’applicazione dei freni affinché la velocità si mantenga a un valore voluto.

= Resistenza dovuta alle curve. Durante la marcia in curva nasce un’ulteriore resistenza al moto a causa essenzialmente di:

1. Inerzia del veicolo che si oppone al cambiamento di direzione (funzione della velocità angolare): difatti il lavoro compiuto dalla resistenza addizionale in curva dovrà eguagliare l’energia da fornire al veicolo per la sua rotazione 2⁄ )( [] = 2.

Dove: 2[ ]∙ J = momento d’inerzia della mass