Lo pneumatico (detto anche copertone o, colloquialmente, gomma) è l'elemento morbido e gonfiabile (tecnicamente definito cerchiatura elastica) delle ruote di molti veicoli moderni, che permette maggiore aderenza al terreno (strada) e miglior comfort di viaggio, rispetto alle ruote senza pneumatico (ruote in legno, cingoli, ecc). Consiste in un involucro inestensibile ma deformabile realizzato in mescola, al cui interno alloggia una camera d'aria oppure direttamente l'aria in pressione (se di tipo tubeless, senza camera d'aria). Integrata con la camera d'aria, oppure annessa e collegata al cerchione (nei tubeless), c'è sempre una valvola di ritegno che ne impedisce l'uscita ma non l'entrata, da cui è possibile gonfiare lo pneumatico di aria compressa o di azoto o altro gas 'desiderato' (es: CO2).
Il principio del pneumatico risale al brevetto del 1845 di R. W. Thomson, ma venne realizzato dal veterinario scozzese J. B. Dunlop che nel 1888 produsse le ruote per il triciclo del figlio, con copertoni e camere d’aria. Venne poi migliorato e munito di battistrada dal 1904; il disegno del battistrada, assieme al peso complessivo del veicolo e al tipo di fondo stradale, determina la forza di attrito.
Storia Lo pneumatico moderno equipaggia oggi la maggior parte dei mezzi di trasporto destinati a un uso su strada ed è prodotto in molteplici tipi e misure adatte a equipaggiare dalla bicicletta all'autovettura, dall'autocarro al trattore agricolo per non dimenticare, in campo aeronautico, l'adozione nei carrelli d'atterraggio.
Sono da considerare anche gli usi sportivi nelle varie competizioni motoristiche dove lo studio alla ricerca delle migliori prestazioni porta alla costruzione di pneumatici con mescole molto differenziate e alla scoperta di soluzioni tecniche applicabili al settore commerciale.
Struttura
Lo pneumatico è costituito da diverse parti che possono essere riassunte in:
Battistrada È l'elemento a contatto con l'asfalto, assicura la trazione del mezzo, resiste all'usura e protegge la carcassa, viene prodotto con la gomma (in passato naturale, ora sintetica (generalmente SBR) o gomma naturale di guayule per trasmettere e ricevere gli attriti radenti e volventi che si generano con il movimento) di diverso tipo a seconda del tipo d'impiego.
La larghezza del battistrada influisce in vari modi a seconda del tipo di pneumatico: Motociclistico, a maggiore larghezza corrisponde una maggiore capacità di tenuta, ma una minore velocità di cambio direzione e una minore tenuta su fondi bagnati; Automobilistico, a maggiore larghezza corrisponde una maggiore capacità di tenuta, ma una minore velocità di sterzata, diminuzione della velocità massima e di cambio direzione e una minore tenuta su fondi bagnati.
Pacco cintura e cintura radiale Strati multipli di corde o fili d'acciaio (materiale più usato), nylon, poliestere o rayon (in disuso) interposte tra la carcassa e il battistrada, che aumentano la resistenza dello pneumatico, stabilizzano il battistrada garantendo protezione contro urti e forature e garantendo una migliore distribuzione delle forze sull'impronta laterale del battistrada e quindi anche una maggiore impronta a terra, questi fili sono disposti nella cintura con un'angolazione ridotta di 15-25° e incrociati tra loro, oppure sono disposti con un'angolazione di 0° rispetto alla mediana dello pneumatico ed eventualmente presentano anche altre cinture a diverse angolazioni per la distribuzione delle forze, in quest'ultimo caso il pacco cintura può essere sostituito da una "cintura radiale" caratterizzata da un filo metallico o da tanti fili senza giunture disposti sempre a 0°.Questo elemento non è usato su tutti gli pneumatici con carcassa a tele incrociate, i quali se provvisti di queste cinture prendono il nome di cinturato, ma è una consuetudine per quelli con una carcassa a tele radiali.
Fianco o spalla
Protegge le tele dagli agenti atmosferici e chimici e inoltre si oppone alla flessione a cui è sottoposto durante l'impiego.
L'altezza della spalla è la distanza tra il manto stradale e il cerchione; questa caratteristica permette la deformazione del profilo dello pneumatico, migliorando l'assorbimento di urti (causati, per esempio, da fondi irregolari), smorzando l'effetto delle masse non sospese e riducendo l'intervento delle sospensioni/ammortizzatori; a una maggiore altezza della spalla corrisponde una minore reattività in fase di sterzata e una minore stabilità in appoggio su fondi duri e regolari, come le strade; causa di ciò è la minore velocità di virata (rotazione in gradi al secondo).
Carcassa o tela Consente la trasmissione di tutte le forze di carico tra la ruota e il terreno come quelle che si sprigionano durante la frenata e nelle manovre di sterzatura, inoltre garantisce la resistenza alla pressione di gonfiaggio e successivamente di esercizio durante tutte le manovre. Questo elemento è composto principalmente da fili di Nylon affiancati (tela) che possono essere di diverso spessore e conferire una maggiore resistenza o scorrevolezza, infatti con l'aumento della sezione dei fili e di conseguenza una loro diminuzione di fili per pollice (TPI: Threads Per Inch o EPI: Ends Per Inch) si aumenta la resistenza e rigidezza della carcassa, ma diminuendone la scorrevolezza, questi valori di TPI variano da 20 a 320 a seconda dell'impiego.
Diagonale o a tele incrociate o bias: le tele si estendono in diagonale da un tallone all'altro dello pneumatico formando un angolo di 30-40° con la linea mediana dello pneumatico stesso, dove ogni tela o strato successivo di filo va in direzione opposta e quindi incrociandosi. Cinturato o bias belted: si tratta di una carcassa diagonale provvista del pacco cintura, la quale conferisce caratteristiche analoghe agli pneumatici radiali. Radiali: le tele si estendono da un tallone all'altro con un angolo di 90° con l'asse mediano dello pneumatico.
Nervatura fascio o cerchietti Sono fasce d'acciaio poste nel tallone, accomodano lo pneumatico sul cerchione e lo mantengono in posizione, evitando un suo eventuale sfilamento.
Riempimento generalmente è costituito da gomma ed è posto nella zona del tallone e del fianco per consentire un passaggio graduale dalla zona rigida del tallone a quella flessibile del fianco.
Rivestimento interno strato di gomma inserito all'interno degli pneumatici tubeless, studiato appositamente per evitare perdite d'aria.
Tallone o incavo del tallone strato di tela gommata che impedisce l'usura provocata dallo sfregamento del tallone contro il bordo del cerchio e che garantisce l'attrito necessario per evitarne la rotazione sullo stesso
Tipologie Gli pneumatici si dividono in diverse categorie:
Con camera d'aria (tube type): lo pneumatico si sostiene grazie all'utilizzo di una camera d'aria che rimanendo gonfia permette allo pneumatico di mantenere la sua forma e assorbire parte delle asperità del terreno, permettendo l'uso anche su cerchi non più perfettamente rotondi o con piccoli difetti, inoltre se abbinati a cerchioni muniti di fermacopertone è possibile usare pressioni d'esercizio più basse. Senza camera d'aria (tubeless): se tali coperture sono abbinate ad un cerchione per tali pneumatici, funge anche da camera d'aria e si autosostiene in quanto riesce a mantenere l'aria intrappolata tra pneumatico e cerchione, tale accoppiamento deve essere mantenuto per tutto il ciclo di funzionamento e generalmente non tollera deformazioni del cerchione o suoi difetti. Tubolare: pneumatico specifico per biciclette, dove lo pneumatico ha una struttura intermedia tra la camera d'aria e uno pneuamtico tubeless
NPT non-pneumatic tires, pneumatici che non richiedono aria (non-pneumatici): Pieni, sono degli pneumatici che invece d'essere gonfiati ad aria sono riempiti di plastica o si auto-sostengono dato che hanno una struttura piena. Sono stati usati su trattori degli anni '30-'50, sono usati sulle macchine operatrici, come ad esempio i carrelli elevatori, così come su pattini a rotelle e via dicendo. Autoportante, si tratta di uno pneumatico pieno, ma provvisto di particolari fori, che ne conferiscono una maggiore flessibilità e assorbimento delle imperfezioni, viene utilizzato su alcuni mezzi d'opera al posto di quelli pieni. Una derivazione di questi pneumatici sono i TWEEL, i quali non hanno ancora un'applicazione civile. TWEEL, la copertura esterna fatta di gomma costituisce anche l'elemento che mantiene il battistrada alla giusta rigidità ma senza l'ausilio dell'aria; questo si ottiene grazie ai collegamenti a raggi di poliuretano flessibile che vengono utilizzati per supportare e agganciare il battistrada al mozzo, svolgendo anche la funzione di ammortizzazione come nello pneumatico tradizionale; questa copertura è stata ideata nel 2005, ma non è ancora stata commercializzata. La prima applicazione è avvenuta con la NASA, laddove il Rover Lunare utilizza tali ruote.Successivamente venne presentato l'UPTIS (Unique Puncture-proof Tire System), evoluzione dei TWEEL, da cui si differenzino per la capacità di supportare velocità alte, come nell'uso della mobilità extraurbana.
Caratteristiche Gli pneumatici hanno determinate caratteristiche, influenzate da determinati valori, alcune molto importanti per definire il comportamento dello pneumatico, come:
Pressione, una maggiore pressione corrisponde a una durezza maggiore dello pneumatico; questo valore deve essere regolato in base alla massa del veicolo, al tipo di strada da percorrere e allo pneumatico in uso, inoltre incide anche sulla resistenza di rotolamento dello pneumatico, dove una maggiore pressione corrisponde ad una minore resistenza. Una pressione relativamente elevata è adatta a mezzi pesanti, a strade lisce e dure e a pneumatici a spalla bassa (come i tubolari delle biciclette da corsa).Questo parametro va regolato anche a seconda del periodo climatico e del tipo d'impiego a cui viene sottoposto, difatti l'aria che vi è contenuta tende a espandersi all'aumentare del suo riscaldamento e innalzare di conseguenza la pressione di gonfiaggio; le condizioni che più portano ad aumentare la temperatura dell'aria ivi contenuta sono l'impiego sportivo e le alte temperature climatiche (che portano a innalzare di conseguenza anche quella dell'asfalto); per questo in tali situazioni si adotta una pressione di gonfiaggio più bassa rispetto al normale, mentre nel periodo freddo e con un impiego non stressante per lo pneumatico si adotta una pressione più alta.In ambito agricolo o d'impiego fuoristrada, quindi in caso di terreni cedevoli, morbidi o viscidi si utilizza una pressione molto bassa in modo da massimizzare l'impronta a terra e ridurre la pressione al suolo e il suo compattamento, migliorando anche la trazione del mezzo, anche se tale situazione operativa può favorire lo stallonamento dello pneumatico dal cerchione, esistono anche sistemi atti ad automatizzare o rendere più agevole la gestione della pressione al cambio di situazione operativa, come il "central tire inflation system (CTIS)". Circonferenza della ruota, un valore maggiore corrisponde a un minore effetto delle irregolarità del terreno, determinato da un passaggio più morbido da un livello a un altro. Direzione di rotolamento, gli pneumatici possono essere disegnati in modo da dovere essere utilizzati in un unico verso di rotazione, oppure avere un disegno che permetta un montaggio indifferenziato.