I Mezzi di Trasporto
1 INTRODUZIONE
Trasporto pubblico Sistema di mezzi di trasporto messi a disposizione per il trasferimento di persone o merci, gratuitamente o, nella maggior parte dei casi, dietro pagamento di un biglietto di viaggio.
L'aggettivo "pubblico" indica che i mezzi di trasporto, tra cui aerei, imbarcazioni, treni (vedi Ferrovia), autobus e automobili, rimangono a disposizione, di solito a orari prefissati, indipendentemente dal fatto che appartengano a un privato, come può accadere nel caso di un taxi o di un autobus di linea, oppure a un'impresa pubblica, ad esempio a un'azienda municipalizzata di trasporti
2 NASCITA E SVILUPPO DEI TRASPORTI PUBBLICI
Le forme moderne di trasporto pubblico ebbero origine nel periodo della rivoluzione industriale, nella seconda metà del XIX secolo: questa, oltre a fornire le tecnologie per la messa a punto di efficienti mezzi per il trasporto di merci e passeggeri, rivoluzionò la vita sociale e creò esigenze nuove, tra cui quella di un adeguato servizio di trasporto; tale necessità nacque ad esempio per gli operai e i minatori, spesso impiegati a notevoli distanze dal luogo di residenza.
L'invenzione della macchina a vapore, utilizzata come motore di locomotive e imbarcazioni, giovò molto allo sviluppo dei trasporti: furono costruite le prime ferrovie e lungo i fiumi furono adottati i vaporetti.
Nelle aree urbane, che il processo di industrializzazione stava rendendo sempre più vaste e popolate, cominciarono a circolare veicoli trainati da cavalli, gli omnibus (in latino, "per tutti"); questi si affiancarono alle esistenti carrozze pubbliche, che svolgevano le funzioni dei moderni taxi.
Il primo omnibus moderno fu quello di George Shillibeer, in circolazione a Londra a partire dal 1829, ma già nel 1662 Blaise Pascal aveva introdotto una vettura molto simile a Parigi.
Nel 1842, a New York, il francese Loubat realizzò la prima linea di "tram a cavalli" composta da vetture simili a un omnibus ma circolanti su rotaie predisposte lungo un percorso fisso. La macchina a vapore venne adottata anche per alcune forme di trasporto urbano, in particolare per nuove linee tramviarie.
Nel 1863 fu realizzata a Londra la prima linea ferroviaria metropolitana sotterranea, tra le stazioni di Paddington e Farringdon, ancora in funzione sull'odierna Circle Line.
Dopo il 1880 la disponibilità di energia elettrica e il perfezionamento di motori elettrici portò al progetto di tram, e in seguito anche di filobus, alimentati mediante linee elettriche aeree per mezzo di un trolley.
Dopo il 1910 lo sviluppo dei motori a scoppio e diesel consentì di disporre di autobus per i trasporti urbani ed extraurbani.
Oggi sulle strade cittadine i mezzi pubblici sono in diretta concorrenza con le auto private e quindi in generale risentono dei problemi del traffico, tranne nei casi in cui godono di corsie riservate.
In generale, le grandi città dispongono di una o più linee sotterranee di metropolitana, indispensabili per garantire tempi di percorrenza stabili, indipendenti dall'intensità del traffico urbano. I treni della metropolitana sono in grado di viaggiare, nelle ore di punta, a una distanza di un paio di minuti l'uno dall'altro, trasportando fino a 80.000 passeggeri all'ora. Le linee di metropolitana in galleria sono oggi molto costose da realizzare sia con scavi a cielo aperto, che bloccano l'intera zona dei lavori, sia con tecniche di scavo in sotterraneo; per questo motivo sono spesso affiancate o sostituite dalle cosiddette "metropolitane leggere" che corrono all'aperto come tram a più vetture su linee isolate dal traffico.
Le metropolitane formano l'ossatura dei trasporti pubblici urbani e si collegano, in stazioni di interscambio, con le linee extraurbane, con le ferrovie destinate al traffico dei pendolari e con le fermate di tram e autobus che compiono percorsi brevi servendo tutte le zone della città. Le linee di metropolitana più moderne sono ormai quasi completamente automatizzate e su alcune linee, in particolare a Londra e a Parigi, i treni viaggiano senza personale a bordo.
Autobus, filobus e tram completano il sistema di trasporti pubblici urbani, affiancato dai taxi e dai minibus. I collegamenti pubblici tra le diverse città sono garantiti dagli aerei (vedi Aviazione civile), dai treni e dagli autobus extraurbani
4 COMPONENTI PRINCIPALI
Le parti di un’auto a benzina. I principali impianti di un’automobile sono il gruppo motore, l’apparato propulsore, il sistema di supporto e quello di comando. Il gruppo motore comprende motore, combustibile e i sottoimpianti elettrico, di scarico, di lubrificazione e refrigerante. L’apparato propulsore è costituito dagli impianti di trasmissione e di guida, inclusi frizione, differenziale e albero motore. Sospensioni, ammortizzatori, ruote e pneumatici fanno parte del sistema di supporto. Sterzo e freni infine sono gli elementi principali del sistema di controllo, mediante il quale si effettua la guida dell’auto.
Gli elementi che compongono un'automobile (esclusa la carrozzeria) sono l'apparato propulsore, gli organi di trasmissione, il treno di rotolamento e il sistema di guida. Nelle automobili del passato e in tutti gli autoveicoli pesanti le varie parti sono fissate a un telaio rigido, o struttura portante, e costituiscono il cosiddetto autotelaio, sul quale è montata la carrozzeria. Nella maggior parte delle automobili moderne, mancanti di telaio e dette "a carrozzeria (o a scocca) portante", tutte le parti sono fissate alla carrozzeria stessa, che in genere è rinforzata da traverse d'acciaio nella parte inferiore (pianale).
5 Apparato propulsore
L'apparato propulsore comprende il motore e l'impianto di alimentazione del combustibile, il carburatore, l'impianto di accensione, il sistema di lubrificazione e di raffreddamento e il motorino di avviamento.
6 Motore
La quasi totalità delle automobili adotta motori a combustione interna, fra i quali prevalgono i motori alternativi a ciclo Otto e a ciclo diesel. A partire dai primi anni Settanta sono state prodotte anche automobili con motori rotativi. Tutti i motori per automobili sono alimentati da una miscela carburante-comburente, dove il comburente è sempre l'ossigeno atmosferico, mentre il carburante dipende dal ciclo impiegato; può essere liquido (benzina, oppure una miscela di alcol e benzina) o gassoso (GPL, oppure metano) nei motori a ciclo Otto, mentre è sempre gasolio nei motori diesel.
Il classico motore alternativo (detto anche motore a pistoni) a quattro tempi richiede quattro corse alternate del pistone, due discendenti e due ascendenti, per compiere le quattro fasi del ciclo termodinamico. La prima corsa discendente (fase di aspirazione) crea nel cilindro una depressione che provoca l'aspirazione della miscela carburante-comburente, che viene quindi compressa durante la prima corsa ascendente (fase di compressione). La seconda corsa discendente (fase di combustione ed espansione) è determinata dalla spinta che il pistone riceve dalla massa dei gas ad alta temperatura in espansione, prodotti dalla combustione della miscela; la seconda corsa ascendente (fase di scarico) consente infine l'evacuazione dei gas combusti.
Le valvole di ammissione e di scarico presenti alla sommità del cilindro regolano l'aspirazione della miscela e l'espulsione dei gas residui. Al termine dell'espansione la pressione dei gas di combustione raggiunge valori compresi fra 2,8 e 3,5 kg per cm2. Questi gas escono quindi dal cilindro con violenza quasi esplosiva quando la valvola di scarico si apre improvvisamente; dopo essere passati attraverso il collettore di scarico, i gas vengono immessi nel silenziatore, dove si espandono prima di essere rilasciati nell'atmosfera.
La continuità di erogazione della potenza e la maggiore fluidità di azione del motore a quattro tempi si sono ottenute grazie allo sviluppo del motore a quattro cilindri, sincronizzati in modo che uno di essi sia sempre in fase attiva (cioè nella fase di combustione ed espansione). Un ulteriore aumento di potenza e di fluidità si ottiene con i motori a 6, 8, 10, 12 e 16 cilindri, disposti su una sola fila (motori in linea) o su due file convergenti (motori a V).
Nei primi anni Settanta una casa automobilistica giapponese avviò la produzione di un'automobile propulsa dal motore Wankel, un motore volumetrico rotativo inventato dal tedesco Felix Wankel nei primi anni Cinquanta. Questo tipo di motore, nel quale l'elemento mobile è costituito da un rotore con moto rotatorio continuo, anziché da un pistone con moto rettilineo alternativo, può risultare fino a tre volte più leggero rispetto ai motori tradizionali, poiché richiede un numero inferiore di candele di accensione, di fasce elastiche e di parti mobili.
7 Accensione
La miscela aria-benzina aspirata nel cilindro viene compressa dal pistone in corsa ascendente; per effetto dell'aumento di pressione, essa subisce un aumento di temperatura che agevola l'accensione e accelera la combustione. L'accensione della miscela viene innescata da un arco elettrico (comunemente detto scintilla) che scocca fra gli elettrodi della candela di accensione sporgenti dalla parte superiore (testa) del cilindro.
Il tipo di accensione più comune è quello a bobina e spinterogeno, in cui l'alta tensione (10.000-15.000 V) necessaria per produrre l'arco elettrico proviene da un trasformatore (bobina di accensione); quest'ultimo è alimentato da un generatore di corrente a bassa tensione (12 V o, più raramente, 24 V) azionato dal motore stesso dell'automobile. La bobina di accensione è costituita da due avvolgimenti che condividono il nucleo ferromagnetico; il primario è percorso da corrente a bassa tensione, mentre il secondario è isolato dal primario e sovrapposto a questo: quando un elemento meccanico mobile (ruttore) interrompe il flusso di corrente a bassa tensione nel primario, nel secondario (dotato di un numero di spire maggiore del primario) si genera per induzione una corrente ad alta tensione, che fa scoccare l'arco elettrico fra gli elettrodi della candela. Nei normali motori pluricilindrici, un dispositivo meccanico detto distributore, ma più noto come spinterogeno, provvede a collegare nella sequenza corretta le candele dei vari cilindri. I vari dispositivi meccanici inseriti nel sistema di accensione sono comandati dal motore stesso, mediante il meccanismo di distribuzione, costituito da trasmissioni a ingranaggi o a cinghia, alberi a camme ecc.
Il sistema di accensione comprende anche il motorino d'avviamento e la batteria di accumulatori. Il primo serve per azionare a freddo i pistoni e avviare il ciclo termodinamico. La batteria di accumulatori, inserita in parallelo con il circuito primario, ha la funzione di fornire corrente al motorino di avviamento, oltre che di alimentare, a motore fermo, le varie utenze elettriche come la fanaleria esterna, l'illuminazione interna, il tergicristalli, l'impianto di condizionamento ecc. Una volta che il motore è in funzione, il generatore di corrente, azionato dal motore stesso, fornisce tutta la corrente necessaria ai vari impianti, compreso il sistema di accensione vero e proprio, e ricarica costantemente la batteria.
8 Lubrificazione e raffreddamento
Data l'elevata temperatura di esercizio, la lubrificazione continua delle parti in movimento del motore è di importanza fondamentale. Nel sistema più comune, detto a circolazione forzata, una pompa aspira l'olio da un serbatoio (coppa) situato sotto il basamento del motore e lo spruzza continuamente sui vari organi da lubrificare: perni di banco dell'albero motore, perni di biella, pareti del cilindro e spinotto del pistone.
Al momento dello "scoppio", cioè della combustione esplosiva della miscela, la temperatura all'interno del cilindro è molto più elevata del punto di fusione della ghisa. Poiché si verificano almeno duemila scoppi al minuto, la parete del cilindro diventa talmente calda che nella fase di espansione il pistone vi si incollerebbe, nonostante l'azione anche parzialmente refrigerante dell'olio di lubrificazione. I cilindri vengono perciò costantemente raffreddati da un flusso d'acqua che circola velocemente all'interno della testa e del basamento. Nella stagione fredda, all'acqua viene aggiunto un liquido antigelo, cioè un liquido a punto di congelamento molto basso come l'alcol etilico o metilico o, più comunemente, glicole etilenico.
Per impedire l'eccessivo riscaldamento dell'acqua, che altrimenti raggiungerebbe in brevissimo tempo la temperatura di ebollizione, nell'impianto di raffreddamento del motore è inserito un radiatore. Questo dispositivo è posto in genere nella parte anteriore dell'automobile ed è costituito da una serie di piccoli tubi comunicanti, che vengono percorsi dall'acqua calda proveniente dal motore e sono raffreddati esternamente dal flusso d'aria originato dal movimento stesso dell'automobile. Con il motore in azione, ma con l'automobile ferma o in moto a bassa velocità, e quindi senza o con insufficiente corrente d'aria naturale, entra in funzione una ventola comandata da un termostato che rileva la temperatura dell'acqua.
Nei motori raffreddati ad aria non c'è radiatore e il calore viene asportato in parte dall'aria naturale e in parte da una corrente d'aria forzata, prodotta da una ventola sempre in funzione.
9 Organi di trasmissione
La coppia motrice dell'albero a gomiti viene trasmessa, attraverso l'innesto a frizione, al cambio di velocità e da questo al differenziale che la ripartisce fra le due ruote motrici. Nelle automobili tradizionali, a motore anteriore e trazione posteriore, fra il cambio di velocità e il differenziale è interposto l'albero di trasmissione; questo è collegato ai due organi mediante giunti elastici che attutiscono le sollecitazioni meccaniche dovute alle variazioni di velocità. Nelle automobili "tutto avanti" o "tutto dietro" (cioè con motore e trazione anteriori o con motore e trazione posteriori), invece, cambio e differenziale fanno corpo unico e non è previsto l'albero di trasmissione.
10 Treno di rotolamento
Il treno di rotolamento, che comprende le sospensioni, gli stabilizzatori e le ruote, è costituito da due parti distinte, collegate al telaio (quando esiste) o con il pianale della carrozzeria: l'avantreno, o treno anteriore, e il retrotreno, o treno posteriore. Il collegamento è realizzato mediante un sistema di molle a balestra o, nelle automobili più moderne, per mezzo di molloni elicoidali che, con i semiassi, i bracci di controllo e di sostegno e gli ammortizzatori, costituiscono il sistema di sospensione delle ruote. In genere le quattro ruote hanno sospensioni indipendenti, in modo che ciascuna di esse possa variare il proprio piano senza influenzare in modo sensibile l'altra ruota della coppia. Gli stabilizzatori, o barre di torsione, sono costituiti da barre d'acciaio che collegano ciascuna coppia di ammortizzatori per ridurre il rollio e migliorare la tenuta di strada. Le ruote sono quasi sempre costituite da un disco metallico, imbullonato al mozzo, sul quale è montato il pneumatico con o senza camera d'aria (pneumatico tubeless). Mediante il fuso a snodo, il mozzo è collegato con il semiasse.
11 Organi di guida
La guida è controllata da un volante montato all'estremità superiore di un tubo (piantone dello sterzo) libero di ruotare all'interno di una colonna inclinata su cui si trovano i comandi dell'impianto elettrico e le levette delle luci, del tergicristallo ecc. L'altra estremità del piantone è collegata allo sterzo, che è costituito da un sistema di leve e tiranti azionato da un meccanismo a settore dentato e vite senza fine; questo meccanismo è contenuto nella scatola dello sterzo e collegato con i fusi a snodo delle ruote direttrici. Le automobili di grossa e media cilindrata sono dotate di servosterzo, cioè di un meccanismo idraulico impiegato come amplificatore di potenza per ridurre lo sforzo di guida.
I sistemi di frenatura sono due: uno azionato a mano, detto freno di emergenza e stazionamento, l'altro azionato a pedale, detto freno d'esercizio. Il freno a mano, a comando meccanico, agisce solo sulle ruote posteriori (raramente sull'albero motore), mentre il freno a pedale, a comando idraulico, agisce sulle quattro ruote, ma spesso con due circuiti indipende
nti. I freni delle ruote posteriori sono del tipo a tamburo con ceppi a espansione: due lastrine convesse di materiale ad alto coefficiente di attrito sono fissate a due ceppi che le premono contro la superficie interna, concava, di un tamburo d'acciaio solidale con la ruota. Quelli delle ruote anteriori, in passato anch'essi a tamburo, oggi sono quasi sempre del tipo a disco, molto più efficienti: due lastre piatte (note come pastiglie) dello stesso materiale ad alto coefficiente di attrito sono fissate internamente a due ganasce di una pinza, che serra un disco d'acciaio solidale con la ruota.
Negli anni Settanta, la carenza di petrolio e il consistente aumento dei prezzi dei carburanti stimolarono i costruttori di automobili a mettere a punto nuovi motori e a sviluppare tecnologie che permettessero un risparmio di carburante. Dai primi anni Ottanta i pesanti motori a benzina sono stati in parte sostituiti da motori a quattro cilindri a V (e anche a tre cilindri), spesso senza spinterogeno e senza carburatore, ma dotati di una centralina elettronica che comanda sia l'accensione che l'iniezione di carburante nei cilindri, con sensibile risparmio sui costi di esercizio. L'uso dell'elettronica nei progetti delle automobili, intrapresa in quel periodo, si è poi estesa al controllo dei cambi automatici, ai tachimetri digitali e ad apparecchiature che forniscono informazioni sullo stato di manutenzione e sulle situazioni di emergenza.
Grazie all'impiego di acciai leggeri, alluminio, magnesio e materie plastiche, i produttori hanno anche ridotto drasticamente i pesi e le dimensioni delle automobili, contribuendo a ridurre i consumi di carburante. La tecnologia della trazione anteriore, che consente di portare un numero più elevato di passeggeri o un volume di carico superiore all'interno di automobili più piccole, è stata ormai adottata in tutto il mondo al posto della tradizionale trazione posteriore.
13 Nuovi tipi di motore
I tentativi di sviluppare nuovi motori non hanno dato finora esiti convincenti. Il motore a turbina resta poco interessante a causa degli elevati costi di produzione e per la persistenza di problemi emersi successivamente, durante il suo sviluppo; il motore Stirling è stato ripreso in considerazione, ma resta affetto da difficoltà tecniche; il motore a vapore fu sperimentato sulle automobili negli anni Sessanta e Settanta, ma si dimostrò inattuabile; il motore Wankel, pur capace di alte prestazioni, è intrinsecamente meno efficiente dal punto di vista del consumo di carburante e ha quindi una produzione molto limitata.
Più promettente sembra il futuro dei motori diesel e di quelli elettrici. Alla fine degli anni Settanta, negli Stati Uniti, la General Motors produsse motori diesel a otto cilindri, ma a partire dagli anni Ottanta si sono sempre più diffusi motori a sei e a quattro cilindri a V, che hanno un'economia di esercizio fino al 25% superiore rispetto ai corrispondenti motori a ciclo Otto. L'avvento dei diesel turbocompressi ha risolto anche il problema della scarsa accelerazione, uno dei principali difetti di questo tipo di motore.
14 Motore elettrico e ibrido
Gli importanti progressi nella tecnologia delle batterie di accumulatori hanno consentito la produzione di automobili a motore elettrico capaci di velocità fino a 80 km/h, con un'autonomia anche superiore a 160 km. Il peso delle batterie trasportate dal veicolo e la necessità di frequenti ricariche pongono ancora problemi cui i costruttori non riescono a dare una soluzione soddisfacente.
Oggi però la maggior parte delle case automobilistiche si sta concentrando sul progetto di automobili elettriche ibride. Il HEV (hybrid electric vehicle), come viene comunemente chiamato negli Stati Uniti, dovrebbe essere l'automobile del 2000: è un'automobile elettrica, ma è munita anche di un piccolo motore a combustione interna e di un generatore elettrico, che carica le batterie del veicolo con continuità, o quando sono esaurite. Gli HEV dunque risolvono il problema della limitata autonomia fra due ricariche, tipica delle auto elettriche; sono particolarmente interessanti e convenienti perché possono essere utilizzati nel modo elettrico, economico e non inquinante, sui brevi percorsi cittadini e come automobili tradizionali per i lunghi viaggi. Un HEV può essere di due tipi: del tipo in serie se il generatore, azionato dal motore a combustione, carica le batterie, che a loro volta alimentano il motore elettrico, o in parallelo, se l'albero motore può venire azionato direttamente sia dal motore elettrico che da quello a combustione.
Negli Stati Uniti, le ricerche sugli HEV sono finanziate congiuntamente dal governo e dalle case costruttrici: Ford, General Motors e Chrysler stanno studiando ibridi sia in serie che in parallelo, per metterli in produzione, affermano, in un futuro non troppo lontano. In Giappone, la HINO Motors ha prodotto una dozzina di autobus HEV, nel quadro di un programma per eliminare le emissioni di particelle inquinanti caratteristiche dei motori diesel in fase di accelerazione: in questi veicoli è appunto il motore elettrico a sostituire il diesel durante le fasi critiche. Anche Volkswagen, Mitsubishi e Toyota stanno sviluppando HEV.
La prima automobile ibrida italiana, prodotta da Fiat Auto e in commercio dal maggio 1999, si chiama "Multipla". Era un'automobile monovolume di tipo compatto, a 6-7 posti, con motore ibrido del tipo parallelo e autonomia elettrica di due ore, pari a una percorrenza di 40 km in città. Le prime centinaia di unità prodotte sono state destinate esclusivamente a soggetti pubblici, operanti nelle aree urbane.