Gli articoli

In questa pagina proponiamo articoli scritti da Martino e Stefano Caranti per la rivista Bicitech.

In un nostro precedente articolo (Bicitech, Settembre 2007 – Le parole di Bicitech: F come Freno) avevamo mostrato come un ciclista che si muove a circa 40 km/h ed azioni l'impianto frenante della sua bicicletta possa fermarsi in circa 10m dissipando durante l'azione di frenata circa 2 kW di potenza.

Questo a patto che il suo impianto frenante sia in grado di trasferire agli altri organi interessati all'azione di frenata la potenza necessaria perché questo avvenga.

Ora, se non vi sono dubbi che questo si verifichi in molti ed efficienti modi nelle mountain-bike, vi sono invece numerosi dubbi e questioni aperte riguardo le biciclette da corsa. Molti sostengono che le biciclette da corsa non frenino a sufficienza alle velocità raggiunte durante l'utilizzo.

Questa percezione, per la verità misurabile e verificabile facilmente, ha dato luogo nel tempo a numerose idee per il miglioramento dell'impianto frenante specificatamente nelle biciclette da corsa. Sono stati proposti freni meccanici di vario genere, dai tiraggi centrali ai cantilever, freni idraulici, freni integrati nell'interno delle forcelle...

La necessità di innovare i freni delle bici da corsa si è scontrata nel tempo con problematiche di contenimento dei pesi, di aerodinamica, di efficienza ma soprattutto – va detto con sincerità - di estetica (fattore che nelle altre categorie di biciclette passa spesso in un piano secondario). Il risultato è che la quasi totalità dei freni ancora oggi utilizzati sono a tiraggio laterale con ben poche modifiche funzionali rispetto ai freni degli anni '80 del secolo scorso (Fig.01). E con prestazioni non ancora soddisfacenti per molti.

Recentemente alcune soluzioni cominciano timidamente ad apparire, forse in modo più convincente. E' il caso di alcune scelte di particolari freni a disco (Fig.02) magari con sistemi di raffreddamento evoluti e dischi multipli paralleli (questo evita asimmetrie nell'azione di frenata oltre a disperdere meglio il calore prodotto). Oppure di soluzioni idrauliche integrate all'interno della forcella (Fig.03), fatto quest'ultimo non totalmente nuovo ma sempre di fascino anche per un discorso estetico. Va segnalato che la soluzione idraulica si scontra a volte con la complessità di una leva cambio integrata a manubrio che non permette scelte troppo audaci...

Dopo anni di innovazione continua sui cerchi (sia come profili che come materiali) è necessario ora trovare il bandolo della matassa dei sistemi frenanti per le biciclette da corsa: freni più potenti sono ora necessari per aumentare la sicurezza in molti percorsi.

Nel 1990 la rivista Bicycle Guide, all'epoca un'autorità in materia (almeno per il mercato americano), pubblicò un servizio di Grant Petersen che metteva in evidenza come delle molte misure verificate sulla bicicletta una in particolare non rivestisse ancora importanza a livello progettuale. Ancora in un articolo del 1991 l'autore notava che “alcune pedaliere risultano troppo larghe, ponendo i piedi troppo distanti tra loro [...]. Abbiamo misurato la distanza all'esterno delle pedaliere, in corrispondenza del centro del foro pedale e l'abbiamo chiamata 'Q'.” In pratica Petersen, subito ripreso (in modo acritico) da molte pubblicazioni italiane, iniziò a misurare la distanza tra i pedali (Fig.1). Questa distanza (espressa normalmente in mm) può essere facilmente misurata, in modo preciso, rimuovendo una pedivella, ruotandola in modo che entrambe le pedivelle risultino orientate nello stesso verso, quindi misurando l'esterno delle stesse in corrispondenza del centro del foro pedale. Se non si dispongono di attrezzi e ci si accontenta di un valore meno preciso, si può anche misurare la distanza tra l'esterno della pedivella e l'esterno del tubo piantone da entrambe le parti e poi sommare il diametro (se circolare) del tubo stesso.

Normalmente un buon criterio progettuale è quello di minimizzare questa distanza. Ora in generale è evidente (pur se con qualche eccezione) che una pedaliera con tre corone avrà un fattore Q più elevato di una a corona singola (per dare qualche numero: con tre corone si può arrivare anche a 178mm, con un sistema a corona singola anche a 104mm). Un po' meno evidente è il fatto che normalmente pedivelle forgiate a caldo abbiano un fattore Q più elevato di quelle forgiate a freddo. Spesso poi le pedivelle delle biciclette economiche, stampate o colate, hanno i massimi fattori Q in circolazione.

La distanza tra i piedi durante l'azione di corsa o camminata è, oltre ad un fattore personale, un parametro che tendiamo a conservare naturalmente durante i nostri movimenti, mentre su una bicicletta questo valore viene subìto dal ciclista in base al mezzo meccanico che si utilizza.

Rimandando ad altre pubblicazioni l'impatto biomeccanico di questo fattore, allargando il fattore Q vedremo la pedalata divenire scomposta in quanto il pedale si discosta sempre più dalla verticale della nostra anca e quindi la trasmissione di potenza attraverso la nostra gamba non avviene più in asse verticale. La gamba non risulta più diritta e quindi sottoponiamo la nostra anca, il nostro ginocchio ed in generale la nostra articolazione ad un movimento sempre più innaturale. Tecnicamente, generiamo un momento in tutte le nostre articolazioni che, al crescere della potenza trasmessa, diviene un fattore rilevante nell'insorgenza di situazioni patologiche e comunque una perdita di potenza nell'azione di pedalata.

Tutto ciò premesso, come fare per ridurre il fattore Q sulla nostra bicicletta? Vi sono due interventi che possiamo considerare, agire cioè sul movimento centrale o sulla pedaliera (Fig.3). Normalmente le pedaliere per MTB risultano almeno 20mm più larghe delle corrispondenti per biciclette da strada; i movimenti centrali vengono poi forniti (anche qui con alcune eccezioni) tra i 100 ed i 120mm di larghezza . Scegliendo ora il numero di corone che intendiamo utilizzare è evidente che andiamo ad impattare sul nostro fattore Q. La scelta di movimento centrale, corone e pedivelle deve essere poi ragionata sul profilo del carro posteriore del telaio. Non dimentichiamo che il fattore Q è importante ma la rigidità torsionale del carro posteriore è cruciale nel trasmettere con elevata efficienza il moto di pedalata alla ruota posteriore.

Esistono anche movimenti centrali differenti da quelli “tradizionali”, con sistemi che chiudono i cuscinetti, tra loro molto ravvicinati (fino a 60mm), e perni ultracorti (quindi più leggeri e resistenti di quelli tradizionali). Occorre anche in questo caso prestare attenzione a non esagerare: a volte cuscinetti troppo ravvicinati prendono facilmente gioco riducendo la vita del cuscinetto stesso.

Un'ultima considerazione riguarda poi la lunghezza delle pedivelle. Non sempre, infatti, le pedivelle sono diritte (cioè non sempre il fattore Q non cambia al crescere della lunghezza della pedivella, Fig.2) ed è qui che una seria analisi biomeccanica del ciclista e del suo mezzo meccanico diviene essenziale. Ed è su questo che, dagli anni '90 ad oggi, si è concentrata l'innovazione dei componenti e delle soluzioni per i diversi settori della bicicletta, specializzandosi e differenziandosi sempre più per offrire a ciascuno un ventaglio di scelte ampio. Sul quale scegliere con attenzione, facendosi consigliare dai professionisti che, dietro un banco di vendita, affrontano questi dettagli ogni giorno.

I Gradienti di pendenza (meglio noti come salite – o discese -) interferiscono come tutti sanno con la normale progressione del ciclista.

E’ stato stimato che un gradiente in salita del 4% (cioè un metro in verticale ogni 25 in orizzontale) eserciti sul ciclista un rallentamento sino anche al 75% della sua velocità.

Per fare un confronto, un camminatore che (a parità di potenza applicata) si muovesse lungo lo stesso gradiente di pendenza subirebbe un rallentamento di circa il 50%.

Ovvio quindi che il ciclista risenta in modo maggiore del camminatore dell’incremento in pendenza.

D’altro canto, però, nel momento di affrontare una discesa il ciclista viene aiutato molto più del camminatore e questa può essere una prima seppure semplice spiegazione del perché la bicicletta è così diffusa anche in paesi con pendenze rilevanti.

Quando un ciclista o un pedone procedono in salita devono sollevare il loro peso applicando cioè una forza addizionale a quella che è richiesta al solo procedere in piano.

La potenza aggiuntiva richiesta da un ciclista (diciamo con peso totale di 800N) che procede a 40 km/h (11,1m/s) lungo una salita del 5% (e che intenda mantenere la stessa velocità) risulta pari a 444W. Se a questa si aggiunge la potenza per vincere la resistenza aerodinamica e l’attrito del mezzo si raggiungono facilmente potenze necessarie a procedere dell’ordine di 700-800W.

Queste potenze non possono essere applicate a lungo! Test realizzati ormai molti anni orsono presso il Dartmouth College hanno dimostrato che un simile livello di potenza può essere mantenuto, in ciclisti professionisti, per non oltre due minuti.

I ciclisti non competitivi hanno l’opzione, nelle salite più ripide, tra pedalare e scendere e spingere il loro mezzo. Alcuni sostengono che questo consente di cambiare l’azione della muscolatura. Tuttavia molti ciclisti preferiscono utilizzare rapporti estremamente corti ma continuare a pedalare.

La scelta tra le due opzioni è spesso motivo di discussione tra gli utilizzatori ed occorre fare uso di alcuni dati disponibili in letteratura per dimostrare che energicamente è più conveniente restare in sella.

Nell’uso quotidiano della bicicletta possiamo assumere che l’utente normalmente applichi sui pedali una potenza di circa 75W.

Diciamo che lungo il percorso l’utente incontri una salita con pendenza del 15%.

Dati disponibili in letteratura [1] ci dicono che il ciclista, applicando una potenza di 75W ottiene un’efficienza metabolica complessiva pari a circa il 21%.

Il ciclista dovrà “sollevare” però il suo mezzo, diciamo 130N, in aggiunta al peso corporeo (diciamo 700N), quindi l’efficienza si riduce a circa il 17,5% (trascurando a queste velocità ridotte sia la resistenza aerodinamica sia gli attriti).

Altri riferimenti di letteratura [2] ci permettono di conoscere il consumo di ossigeno di camminatori lungo vari gradienti di pendenza a varie velocità. Ad una velocità di circa 2 km/h, con pendenze del 15%, risulta un’efficienza metabolica complessiva pari al 15%.

Non piccole invece sono le differenze che si riscontrano nel consumo energetico per persona nei vari modi di spostamento umano (riportati nella tabella seguente): tabella esplicativa di per sé e che dimostra, se occorresse ulteriore prova, della convenienza anche energetica a restare in sella (non solo in salita…).

	Velocità	Consumo Energetico per persona
	km/h	kcal/km
Bicicletta+Ciclista	6	8,4
	16	15,6
	24	24,4
Pedone	6	55,3
	16	68,3
Nuotatore	2	269,6
Cavaliere+Cavallo	16	245,4
Motorino+Guidatore	32	88,3
Autovettura+5persone	48	120,5
	96	183
Autovettura+1persona	48	539
	96	820

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Il prodotto che non c'è

Un lucchetto al movimento centrale

 Martino e Stefano Caranti –

L'idea di proteggere le biciclette dal furto non si può certo brevettare. Però tra le tante soluzioni per proteggere la bicicletta alcune risultano particolarmente ingegnose, altre sofisticate dal punto di vista tecnologico: in questo caso abbiamo scelto una soluzione certamente risolutiva, anche se crediamo complessa dal punto di vista applicativo.

Si tratta in pratica di bloccare (o disaccoppiare) il movimento centrale. Va da sé che una bicicletta, se non si riesce a pedalare, non risulta al ladro né utile né facile da rivendere e questo è ciò che probabilmente ha spinto l'olandese Johannes Schoonerneijer a chiedere il rilascio di un brevetto europeo per una sua innovazione (EP 2082950 del 29 Luglio 2009).

L'idea in sé, diciamolo subito, non è nuova. Già nel 1902 l'americano Morgan chiede il rilascio di un brevetto americano per un sistema che consente di bloccare il movimento centrale di una bicicletta. Eppure l'applicazione dell'inventore olandese ha il suo fascino e la sua ragione di esistere.

In pratica, l'invenzione si basa sull'introduzione, (Fig. 1) all'interno del tubo piantone della bicicletta, di un meccanismo bloccante, coassiale al tubo, con una terminazione in grado di andare meccanicamente ad interagire con il perno del movimento centrale.

L'altra estremità del meccanismo può essere libera, bloccata meccanicamente al tubo oppure ospitare un congegno di attivazione elettrico oppure ancora venire bloccato dalla compressione del tubo reggisella.

Il meccanismo (Fig.2), una volta inserito nel tubo piantone, possiede una forcella terminale (5) in grado di andare ad abbracciare il (o inserirsi nel) perno del movimento centrale ed essere poi sbloccato (con un sistema a molla) una volta che il sistema antifurto è stato aperto.

La Fig.3 mostra nel dettaglio come sia possibile attivare il sistema antifurto, semplicemente attivando il meccanismo e quindi ruotando la pedaliera sino a quando la posizione di blocco non permette il raggiungimento del fermo meccanico.

Ovviamente una volta che il fermo è stato attivato risulta impossibile l'azione di pedalata, quindi la bicicletta, anche se rimossa dal punto di stazionamento, risulta inutilizzabile.

Ora, che il sistema abbia qualche controindicazione può risultare anche evidente per chi non accetterebbe mai di inserire un oggetto "estraneo" all'interno del proprio telaio. Ma forse questa è anche una peculiarità interessante della soluzione, alla quale non è difficile pensare in chiave migliorativa, partendo comunque dal presupporto che, senza movimento centrale, la bicicletta perde il suo funzionamento abituale.

Che questo basti a disorientare un ladro?

Martino e Stefano Caranti

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S come Sella

 Martino e Stefano Caranti –

Circa vent'anni fa avemmo la possibilità di visitare la Velo Corp. nell'isola di Taiwan, una delle allora emergenti aziende produttrici di selle in Asia. Incontrando il management erano sorpresi – forse sospettosi – che dei giornalisti italiani si interessassero ai metodi produttivi ed alle innovazioni di una azienda taiwanese quando l'Italia è la patria dichiarata delle selle per bicicletta da decenni. Ricordiamo bene che si aprirono al dialogo quando capirono che ci interessava la tecnologia della sella, non tanto i loro segreti produttivi. Fu un dialogo molto utile. Negli ultimi vent'anni i brevetti sulle selle per bicicletta si sono moltiplicati, a dimostrazione del fatto che la ricerca, su quella che potrebbe apparire una semplice appendice ad un mezzo meccanico, è continuata senza sosta (e, a quanto sembra, va intensificandosi).

Concettualmente la sella si compone semplicemente di alcuni componenti di base ben visibili. Anzitutto il "telaio", ovvero quel gruppo di elementi metallici (7 mm di diametro) o in fibre composite, normalmente a disposizione triangolare, che sostiene la struttura della sella con un punto d'appoggio anteriore e, normalmente, due posteriori.

Lo "scafo" è l'elemento elastico che fornisce la forma alla sella: realizzato nei materiali più svariati (dalle leghe metalliche più pregiate – sì anche con elettrodeposizioni in oro a volte – sino al PET) deve sostenere le sollecitazioni derivanti dal peso del ciclista ed al tempo stesso garantire un livello di confort ottimale. Per questo non è raro l'inserimento di elastomeri tra "scafo" e "telaio" per assorbire alcune vibrazioni.

La "copertura" dello scafo (spesso integrata da imbottiture in "gel") è l'elemento grafico chiave della sella ma deve al tempo stesso essere impermeabile, traspirante, non sdrucciolevole. Inevitabile che storicamente si sia utilizzato pellame di elevata qualità per la copertura (chi non ricorda le mitiche selle di un tempo, da ingrassare prima dell'utilizzo?) anche se recentemente sono stati tentati esperimenti con materiali di sintesi vari (comprese varie fibre aramidiche, dal risultato non proprio eccezionale).

Le selle per bicicletta sono balzate agli onori della cronaca alla fine del secolo scorso per via delle ricerche riguardanti disfunzioni erettili nei ciclisti maschi ed ematomi genitali nei ciclisti femmine. Si è visto infatti che la posizione del ciclista su una sella a scafo continuo, chiuso e rigido provoca una compressione della regione perineale che, per via di un ridotto afflusso di sangue, potrebbe generare disfunzioni negli apparati genitali.

Per questo motivo, da almeno un decennio, tutte le selle moderne sono progettate in modo da evitare riduzioni all'afflusso di sangue alla regione perineale: o tramite uno sdoppiamento dello scafo, con l'inserimento di un "vuoto" centrale (meglio), o tramite il riempimento della parte centrale con una imbottitura particolarmente morbida (soluzione che genera una sella più stretta ma che di norma protegge meno le parti genitali).

Sulla posizione della sella si sono aperte discussioni da tempo immemore che non è possibile qui sintetizzare: ogni specialista che si rispetti sa quale è l'altezza giusta per un ciclista ed eventualmente se consigliare una leggera inclinazione. Va detto che anche atleti come Bernard Hinault o Greg Lemond hanno formulato le loro osservazioni su come calcolare l'altezza della sella data la lunghezza della gamba del ciclista: essendo considerazioni valide solo per le bici da corsa ed essendo tra loro differenti, riteniamo che vadano utilizzate solo da addetti ai lavori in grado di adattarle al singolo caso.

Una raccomandazione però riteniamo di poterla dare riguardo al posizionamento della sella: evitare cioè di avanzare o arretrare il telaio sui bracci di sostegno del tubo reggisella: la sella va centrata in modo tale che l'angolo di pedalata (determinato dal tubo piantone) non venga modificato artificialmente. Se pare una considerazione banale, ci scusiamo con i lettori: è la più frequente causa tra i ciclisti di dolori articolari.

Martino e Stefano Caranti

Ingegnere chimico, pubblicista, è autore di numerose pubblicazioni e libri. Consulente sui temi relativi a piste e percorsi ciclabili, sicurezza stradale e tecnica della bicicletta, fa parte del Collegio delle Guide Alpine dell’Emilia-Romagna e del gruppo tecnico della FIAB.

E’ stato tra i primi utilizzatori di mountain-bike in Italia; primo presidente del Monte Sole Bike Group di Bologna è oggi presidente del Team Due Ruote Bologna nonché membro del Direttivo UISP di Bologna. E’ titolare dei punti vendita Due Ruote di Bologna e provincia.

[1] Dickenson – The efficiency of bicycle pedalling as affected by speed and load, Journal of Physiology 67 (1969) – p.242-245

[2] McDonald – Statistical studies of recorded energy expenditures of man. II. Expenditures on walking related to age, weight, sex, height, speed and gradient, Nutrition Abstracts and Reviews 31 (1961) p.739-762.