Premessa: Questa pagina è semplicemente un messaggio di posta elettronica che avevo scritto ad alcuni amici motociclisti, in cui cercavo di rendere più chiaro quello che spesso si legge in innumerevoli articoli tecnici, per carità tecnicamente corretti, ma che spesso presuppongono nozioni che, invece, la maggior parte dei motociclisti non ha (giustamente). Scusateci tanto, è un difetto tipico di noi ingegneri ;-) Ora, uno dei miei amici (uno solo, lo ammetto), mi ha detto che finalmente ora ha capito, e che se avessi pubblicato su internet il messaggio, ampliandolo con esempi, analisi di motori in commercio, eccetera, avrei fatto un favore al mondo (leggi: tre o quattro persone). Io, purtroppo, non seguo molto da vicino l'evoluzione della tecnica motociclistica, quindi mi limito a mettere in linea la mia spiegazione; non intendo appropriarmi di nozioni non mie, quindi vi metto i riferimenti agli articoli da cui ho tratto spunto.
Tutto prese l'avvio da un articolo pubblicato su Motocorse, che spiega le problematiche delle vibrazioni nei motori motociclistici. In pratica, il punto fondamentale e poco intuitivo è: se prendi un peso e lo fai girare, quello vibra come una ruota sbilanciata. Se però prendi un arnese complicato come un albero motore attaccato ad una biella attaccata ad un pistone, quello vibra come MOLTE ruote sbilanciate, che ruotano tutte intorno allo stesso asse a diverse velocità. In prima approssimazione pui rappresentare questo oggetto come quattro ruote, due che girano alla stessa velocità dell'albero ma in sensi opposti (primo ordine), due che girano sempre in sensi opposti ma a velocità doppia (secondo ordine). Quelle che girano alla stessa velocità dell'albero sono quelle concordi, quelle in senso opposto discordi. Già in quattro faranno un bel po' di confusione; pensate poi che in realtà ce ne sono anche altre...
Ora, se vuoi eliminare le vibrazioni dovresti mettere un peso per equilibrare ciascuna di queste ruote; in realtà devi però mettere prima le ruote, visto che non ci sono veramente ma sono virtuali. Anzi, a dir la verità una già c'è: è l'albero motore, basta metterci quindi un peso da qualche parte. Per le altre tre non ci sono santi, devi mettere altri tre ruote, ovvero controalberi di equilibratura. Oppure ne metti uno solo, e te ne freghi delle vibrazioni del secondo ordine. Oppure non ne metti nessuno, e ti tieni tutte le vibrazioni. Fine del discorso per il motore monocilindrico.
Immagina ora di mettere due pistoni uno attaccato all'altro, con l'asse in comune. Visto che puoi ruotarli uno rispetto all'altro come vuoi, già che ci sei cercherai di metterli in modo da annullare l'effetto delle vibrazioni di uno con l'altro, e per quello che rimane eventualmente metterai un controalbero di equilibratura ma almeno te ne sei risparmiati altri uno o due. Ci sono due angoli con cui giocare: quello tra i cilindri stessi (in linea, contrapposti, a 90°, ecc.) e quello dei gomiti dell'albero, ossia lo sfasamento tra i due. Se non si tiene conto del discorso vibrazioni, verrebbe naturale disporre i gomiti dell'albero in modo che gli scoppi nei cilindri siano equidistanti: ad esempio in un bicilindrico in linea a quattro tempi, i due cilindri potrebbero marciare esattamente in parallelo; ad un giro scoppia il primo, all'altro il secondo. Putroppo, però, quando passi alle vibrazioni, in molti casi accoppiare due cilindri in modo che gli scoppi siano equidistanti è molto simile ad accoppiarli con angoli qualsiasi: ottieni quattro dischi squilibrati che ballano la samba.
Ripensiamo allora alle vibrazioni. Abbiamo detto che ci sono due angoli da scegliere, quello tra un cilindro e l'altro e quello tra i gomiti dell'albero. La differenza è che se ruoti fra loro i cilindri, ruoti TUTTI i pesi dei 4 dischi della stessa quantità; se invece ruoti la manovella, per ogni "peso" la rotazione si moltiplica per la sua velocità: p.es. 90° di rotazione=90° per il primo ordine, 180° per il 2° e così via. Così, se prendi due cilindri identici e li unisci ruotandoli di 180° (manovelle comprese) ottieni un boxer. E' chiaro che, ovunque si trovino i pesi che causano lo sbilanciamento di un cilindro, quelli dell'altro si trovano sempre diametralmente opposti; il boxer è quindi un motore naturalmente equilibrato, e non ha bisogno di alcun controalbero. Se invece accoppi due cilindri in linea con gomiti a 180 gradi (cioè le manovelle sono a 180° tra loro), avrai i pesi del 1° ordine in posizioni diametralmente opposte (il primo cilindro è sfasato di 180° rispetto al secondo), mentre quello del secondo ordine saranno nella stessa posizione (le "ruote" del primo cilindro, girando a velocità doppia, saranno sfasate di 360° rispetto al secondo, quindi nella stessa posizione). Le vibrazioni del primo ordine si annullano, quelle del secondo si raddoppiano. Se metti i due cilindri sempre in linea ma sfasati di 90° avrai che i pesi del secondo ordine si trovano a 180°, quindi si equilibrano; spariscono le vibrazioni del secondo ordine, ti rimangono quelle del primo che, per quanto detto sopra, puoi equilibrare usando un solo albero controrotante, che peraltro gira a velocità uguale all'albero e non doppia (=meno attrito, meno sforzi, meno usura). Se aggiungi cilindri puoi cercare di migliorare ancora la situazione. Un motore a 4 cilindri in linea annulla le vibrazioni sia del 1° sia del 2° ordine (le coppie a 180° elidono le vibrazioni del 1° ordine, le coppie a 90° elidono quelle del 2°). Se i cilindri sono meno di 4, devi tenerti una delle vibrazioni, eventualmente tenendola sotto controllo con un controalbero. E gli scoppi? Con i due cilindri in linea o a V, a questo punto non saranno più equidistanti; quindi rumore particolare, interazioni mutuamente diverse tra i cilindri quando finiscono nello stesso scarico, necessità di un volano più grosso (perchè il tempo che passa tra uno scoppio e l'altro è più lungo).
A voler complicare ulteriormente il discorso, aggiungiamoci infine che finora abbiamo parlato di due ordini, ma in realtà esistono vibrazioni anche del terzo, del quarto, del quinto ordine e così via; ma sono sempre più deboli, e a frequenze molto elevate, quindi via via più facilmente bloccabili con un semplice supporto in gomma. Su un sei cilindri ad esempio si annullano anche quelle del terzo; su un otto cilindri anche quelle del quarto e così via.
