Dove va la tua energia?
Abbiamo descritto la bicicletta come una macchina e, in termini scientifici, è proprio così: un dispositivo che può ingrandire la forza (rendendo più facile andare in salita) o la velocità. È anche una macchina nel senso che converte l’energia da una forma (qualsiasi cosa tu abbia mangiato) in un’altra (l’energia cinetica che il tuo corpo e la tua bicicletta hanno mentre sfrecciano). Ora probabilmente hai sentito parlare di una legge della fisica chiamata conservazione dell’energia, che dice che non puoi creare energia dal nulla o farla sparire senza lasciare traccia: tutto quello che puoi fare è convertirla da una a un’altra. Quindi dove va a finire l’energia che usi nel ciclismo? In termini scientifici, diciamo che va a “fare lavoro”, ma cosa significa in pratica?
Il ciclismo a volte può sembrare un lavoro duro, soprattutto se si va in salita. Se stai andando in salita, devi lavorare contro la forza di gravità. Se stai andando veloce, stai lavorando contro la forza di resistenza dell’aria (resistenza) che spinge contro il tuo corpo. A volte ci sono dei dossi nella strada che devi superare; questo richiede più forza e usa anche energia (i dossi riducono la tua energia cinetica riducendo la tua velocità).
Foto: Le biciclette funzionano così bene con il corpo umano perché sfruttano la potenza dei nostri grandi e potenti muscoli delle gambe. Le biciclette reclinate (quelle che si usano da sdraiati) possono sembrare ultramoderne e un po’ strane, ma risalgono ad almeno 100 anni fa. Sono più veloci delle biciclette convenzionali perché i loro corridori adottano una postura molto più aerodinamica, simile a un tubo, che riduce al minimo la resistenza. Dal momento che i pedali sono più alti da terra, le pedivelle possono essere più lunghe, quindi si ottiene più leva, i muscoli possono fare alta potenza per più tempo, e farlo in modo più efficiente. Foto di Robin Hillyer-Miles per gentile concessione della US Navy.
Ma se stai andando in salita o in discesa, veloce o lento, su una strada liscia o accidentata, c’è un altro tipo di lavoro che devi sempre fare semplicemente per far girare le ruote. Quando una ruota poggia sul terreno, sostenendo un carico come un ciclista su una bicicletta, il pneumatico che la avvolge è schiacciato in alcuni punti e gonfiato in altri. Mentre si pedala, diverse parti del pneumatico si schiacciano e si gonfiano a turno e la gomma di cui sono fatti viene tirata e spinta in tutte le direzioni. schiacciare ripetutamente un pneumatico in questo modo è un po’ come impastare il pane: ci vuole energia e questa energia è ciò che conosciamo come resistenza al rotolamento. Più carico metti sul pneumatico (più sei pesante o più stai portando), più alta è la resistenza al rotolamento. Circa l’80-90 per cento della resistenza al rotolamento è causata dalla deformazione del pneumatico stesso, mentre il resto proviene dalla resistenza all’aria del pneumatico e dal modo in cui scivola contro il terreno.
Per una bicicletta da corsa che viaggia veloce, circa l’80 per cento del lavoro che il ciclista fa andrà a superare la resistenza all’aria, mentre il resto sarà usato per combattere la resistenza al rotolamento; per un mountain biker che va molto più lentamente su un terreno accidentato, l’80 per cento della loro energia va nella resistenza al rotolamento e solo il 20 per cento è perso in resistenza. Ci sono anche piccole perdite per attrito in cose come la catena e gli ingranaggi, ma, comunque e qualunque cosa tu stia guidando, finché è ragionevolmente ben mantenuto, l’energia persa in questo modo di solito non vale la pena preoccuparsi.
Carto: Le mountain bike lente sprecano la maggior parte dell’energia attraverso la resistenza al rotolamento; le bici da corsa più veloci sprecano di più attraverso la resistenza dell’aria.
Di quanta energia stiamo effettivamente parlando qui? Nel Tour de France, secondo un’affascinante analisi di Training Peaks, i corridori migliori hanno una media di circa 300-400 watt di potenza, che è tanto quanto 3-4 vecchie lampade da 100 watt o circa il 15 per cento della potenza necessaria per azionare un bollitore elettrico.Per confronto, è possibile generare circa 10 watt con un generatore di elettricità a manovella, anche se non è possibile utilizzare uno di quelli per molto tempo senza stancarsi. Cosa ci dice questo? È molto più facile generare grandi quantità di energia per lunghi periodi di tempo usando i grandi muscoli delle gambe che usando le mani e le braccia. Ecco perché le biciclette sono così intelligenti: fanno buon uso dei muscoli più potenti del nostro corpo.
Come funziona il telaio di una bicicletta
Supponendo che un adulto pesi 60-80kg (130-180lb), il telaio di una bicicletta deve essere abbastanza robusto se non deve rompersi o piegarsi appena il ciclista sale a bordo. Le biciclette ordinarie hanno telai fatti di acciaio tubolare forte ed economico (letteralmente, tubi d’acciaio cavi che non contengono altro che aria) o leghe più leggere a base di acciaio o alluminio. le biciclette da corsa sono più probabilmente fatte di compositi in fibra di carbonio, che sono più costosi ma più forti, più leggeri e inossidabili: Il telaio ad A invertito della bicicletta è una struttura incredibilmente forte che aiuta a distribuire il peso tra le ruote anteriori e posteriori.aiuta a piegarsi in avanti o anche a stare in piedi quando si va in salita in modo da poter applicare la massima forza sui pedali e mantenere l’equilibrio.
Si potrebbe pensare che un telaio di bicicletta fatto di tubi di alluminio sia molto più debole di uno fatto di acciaio, ma solo se i tubi sono simili nelle dimensioni.In pratica, ogni bicicletta deve essere abbastanza forte da sostenere il peso del ciclista e i carichi che probabilmente sperimenterà durante diversi tipi di manipolazione, quindi una bicicletta in alluminio userebbe tubi di diametro maggiore e/o pareti più spesse di una bicicletta fatta con tubi in acciaio.
Il telaio non ti sostiene semplicemente: la sua forma triangolare (spesso due triangoli uniti a formare un diamante) è attentamente progettata per distribuire il tuo peso. Anche se la sella è posizionata molto più vicino alla ruota posteriore, ti pieghi in avanti per tenere il manubrio. I manubri angolati nel telaio sono progettati per dividere il tuo peso più o meno uniformemente tra la ruota anteriore e quella posteriore. Se ci pensi, questo è davvero importante. Se tutto il tuo peso agisse sulla ruota posteriore, e provassi a pedalare in salita, ti ribalteresti all’indietro; allo stesso modo, se ci fosse troppo peso sulla ruota anteriore, andresti a testa in giù ogni volta che vai in discesa!
I telai non sono progettati per essere rigidi al 100%: questo renderebbe la corsa molto meno confortevole. Praticamente tutti i telai delle biciclette si flettono e si piegano un po’ in modo da assorbire alcuni degli shock della guida, anche se altri fattori (come la sella e le gomme) hanno molto più effetto sul comfort di guida. Vale anche la pena ricordare che il corpo umano è di per sé un sistema di sospensione notevolmente efficiente; guidando una mountain bike lungo un sentiero accidentato, ti renderai molto rapidamente conto di come le tue braccia possano funzionare come ammortizzatori! Infatti, può essere abbastanza istruttivo vedere il corpo come un’estensione (o complemento) del telaio di base della bicicletta, bilanciato sopra di esso.
Come funzionano le ruote della bicicletta
Foto: Come la ruota di un’automobile, la ruota di una bicicletta è un moltiplicatore di velocità. I pedali e gli ingranaggi fanno girare l’asse al centro. L’asse gira solo per una breve distanza, ma la leva della ruota fa sì che il cerchio esterno giri molto di più nello stesso tempo. Ecco come una ruota ti aiuta ad andare più veloce.
Se hai letto il nostro articolo su come funzionano le ruote, saprai che una ruota e l’asse su cui gira è un esempio di ciò che gli scienziati chiamano una macchina semplice: moltiplica la forza o la velocità a seconda di come la giri. Le ruote delle biciclette sono tipicamente più di 50cm (20 pollici) di diametro, che è più piccolo della maggior parte delle ruote delle automobili. Più alte sono le ruote, più theymultiply la vostra velocità quando li girate all’asse. Ecco perché le biciclette da corsa hanno le ruote più alte (in genere circa 70 cm o 27,5 pollici di diametro).
Le ruote alla fine sostengono tutto il tuo peso, ma in un modo molto interessante: se le ruote fossero solide, sarebbero schiacciate (compresse) quando ti siedi sul sellino e spingerebbero verso l’alto per sostenerti. Tuttavia, le ruote della maggior parte delle biciclette sono in realtà formate da un robusto mozzo, un cerchio sottile, e circa 24 raggi ad alta tensione. Le biciclette hanno ruote a raggi, piuttosto che ruote di metallo solido, per renderle robuste e leggere, e per ridurre la resistenza (alcuni ciclisti usano raggi piatti “a lama” o di forma ovale, invece di quelli tradizionali arrotondati, nel tentativo di ridurre la resistenza ancora di più).
Non è solo il numero di raggi che è importante ma il modo in cui sono collegati tra il cerchio e il suo mozzo. Come i fili di una tela di ragno, o le corde penzolanti di un ponte sospeso, una ruota di bicicletta è in tensione – i raggi sono tirati stretti. Poiché i raggi si incrociano dal cerchio al lato opposto del mozzo, la ruota non è così piatta e fragile come appare, ma in realtà una struttura tridimensionale incredibilmente forte. Quando ti siedi su una bicicletta, il tuo peso preme sui mozzi, che tendono alcuni raggi un po’ di più e altri un po’ di meno. Se pesi 60kg (130lb), ci sono circa 30kg (130lb) che spingono verso il basso su ogni ruota (senza includere il peso proprio della bicicletta), e i raggi sono ciò che impedisce alle ruote di deformarsi.
Foto: Nonostante le apparenze, una ruota di bicicletta non è né piatta né debole. Il mozzo è molto più largo del pneumatico, i raggi sono in tensione e si incrociano, unendosi al mozzo in modo tangente. Tutto questo crea una struttura tridimensionale rigida che può resistere alla torsione, alla deformazione e alla piegatura. Foto di David Danals per gentile concessione della US Navy.
Siccome ogni ruota ha un paio di dozzine di raggi, si potrebbe pensare che ogni raggio debba sostenere solo una frazione del peso totale – forse solo 1-2kg (2.2-4.4lb), se ci sono 30 raggi, cosa che può fare facilmente. In realtà, i raggi sopportano il peso in modo non uniforme: i pochi raggi che sono vicini alla verticale sopportano molto più carico degli altri. (C’è ancora un po’ di dibattito tra gli scienziati della bicicletta su come il carico sia effettivamente sopportato, e se sia meglio pensare a una bicicletta che pende dai raggi in alto o che spinge su quelli in basso). Mentre la ruota ruota ruota, gli altri raggi si avvicinano alla verticale e cominciano a prendere una parte maggiore della sollecitazione. Il carico su ogni raggio sale e scende drammaticamente durante ogni rotazione della ruota così, alla fine, dopo molte migliaia di cicli di sollecitazioni e sforzi ripetuti, durante i quali ogni raggio si allunga e si rilassa in rapida alternanza, uno dei raggi (o la sua connessione alla ruota o al mozzo) è probabile che ceda per fatica del metallo. Questo aumenta istantaneamente e drammaticamente il carico sui raggi rimanenti, rendendo più probabile il loro cedimento, e causando una sorta di effetto “domino” che fa piegare la ruota.
Come funzionano gli ingranaggi della bicicletta
Foto: Un ingranaggio è una coppia di ruote con denti che si incastrano per aumentare la potenza o la velocità.In una bicicletta, la coppia di ingranaggi non è guidata direttamente ma collegata da una catena. Ad un’estremità, la catena è permanentemente legata intorno alla ruota principale (tra i pedali). All’altra estremità, si sposta tra una serie di ruote dentate più grandi o più piccole quando si cambia marcia.
Una tipica bicicletta ha qualcosa da tre a trenta diversi ingranaggi-ruote con denti, collegati dalla catena, che rendono la macchina più veloce (andando lungo il rettilineo) o più facile da pedalare (in salita). Ruote più grandi aiutano anche ad andare più veloce sul rettilineo, ma sono un grande svantaggio quando si tratta di colline. questo è uno dei motivi per cui le mountain bike e BMX hanno ruote più piccole di biciclette da corsa. Non sono solo gli ingranaggi di una bicicletta che aiutano a ingrandire la potenza della pedalata quando si va in salita: i pedali sono fissati alla ruota del cambio principale da un paio di pedivelle: due brevi leve che ingrandiscono anche la forza che si può esercitare con le gambe.
Gli ingranaggi possono fare un’incredibile differenza nella velocità. Su una tipica bicicletta da corsa, per esempio, il rapporto di trasmissione (il numero di denti sulla ruota del pedale diviso per il numero di denti sulla ruota posteriore) potrebbe essere fino a 5:1, quindi un singolo giro dei pedali ti spinge a circa 10 metri lungo la strada. Supponendo che tu possa muovere le gambe solo così velocemente, puoi vedere che le marce ti fanno effettivamente andare più velocemente aiutandoti ad andare più lontano per ogni giro dei pedali.
Leggi di più nel nostro articolo principale sulle marce.
Artwork: Biciclette prima degli ingranaggi: Le prime biciclette come queste (conosciute come “Penny Farthings” o “High Wheels”) avevano un’enorme ruota anteriore, che moltiplicava efficacemente la tua velocità e rendeva possibile andare molto veloce sul rettilineo.Non c’erano marce: la ruota anteriore girava una volta ogni volta che le tue gambe spingevano su e giù sulle pedivelle (pedali).Andare in discesa era piuttosto complicato (a meno che tu non togliessi i piedi dalle pedivelle) e andare in salita era praticamente impossibile!Dettaglio di un dipinto originale, 1887 circa di Henry “Hy” Sandham, per gentile concessione della US Library of Congress.
Come funzionano i freni della bicicletta
Foto: Freni a cerchio: Le ganasce di gomma (blocchi) dei freni di questa bicicletta stringono il cerchio di metallo della ruota per rallentare. Quando si perde velocità, si perde energia. Dove va a finire l’energia? Si trasforma in calore: i ceppi dei freni possono diventare incredibilmente caldi!
Non importa quanto vai veloce, arriva un momento in cui devi fermarti. I freni su una bicicletta funzionano usando l’attrito (la forza di sfregamento tra due cose che scivolano l’una sull’altra mentre si toccano). Anche se alcune biciclette ora hanno freni a disco (simili a quelli che usano le auto), con dischi freno separati attaccati alle ruote, molti usano ancora i tradizionali freni a cerchio con pinza e ganasce.
Quando si premono le leve dei freni, un paio di gommini (a volte chiamati ceppi) si agganciano al cerchio metallico interno delle ruote anteriori e posteriori. Quando le ganasce sfregano strettamente contro le ruote, trasformano la tua energia cinetica (l’energia che hai perché stai andando avanti) in calore, il che ha l’effetto di rallentarti. c’è di più su questo nel nostro articolo principale sui freni.
Freni a disco contro i freni a disco
I freni a cerchio azionati da pinze spingono sul bordo esterno della ruota dove gira più velocemente ma con meno forza. Questo significa che hanno bisogno di relativamente poca forza frenante per rallentare le ruote (quindi possono essere piccoli e leggeri), anche se devi comunque premere forte, e devi applicare quella forza più a lungo per portare te stesso e la tua bici all’arresto. Un grande svantaggio dei freni a cerchio è che sono completamente esposti alla pioggia dall’alto e dal lato e agli spruzzi delle ruote; se le ganasce dei freni e le ruote sono bagnate e fangose, c’è una notevole lubrificazione, l’attrito tra i freni e le ruote potrebbe essere fino a dieci volte inferiore a quello in condizioni di asciutto (secondo Bicycling Science di David Gordon Wilson), e la distanza di arresto sarà molto maggiore.
I freni a disco lavorano più vicino al mozzo, quindi hanno bisogno di applicare una maggiore forza frenante, il che può stressare le forcelle e i raggi, e sono entrambi più pesanti (il che può influenzare la maneggevolezza di una bicicletta) e meccanicamente più complessi, ma tendono ad essere più efficaci sul bagnato e in condizioni fangose.
Sfogliando i forum di biciclette online troverete opinioni molto diverse su quale tipo di freni sono migliori per diversi tipi di biciclette, terreni e condizioni atmosferiche. Ad alcuni piacciono i freni a disco perché rendono la bici più bella; ad altri piacciono i freni a cerchio perché sono così semplici e diretti.
Artwork: Freni a disco (semplificato). Quando si tira la leva del freno, un cavo o un tubo idraulico (giallo) aziona le pinze (blu) che spingono le pastiglie dei freni contro un disco chiamato rotore (rosso) attaccato alla ruota. Poiché le pinze sono attaccate a una delle forcelle (grigie), e la forza frenante deve passare attraverso i raggi (neri) per fermare la ruota, i freni a disco mettono molto più stress sulle forcelle e sui raggi rispetto ai freni a cerchio.
Come funzionano le gomme della bicicletta
L’attrito lavora anche a tuo vantaggio tra le gomme di gomma e la strada che percorri: ti dà una presa che rende la tua bici più facile da controllare, specialmente nei giorni di pioggia.
Come le gomme dell’auto, le gomme della bicicletta non sono fatte di gomma solida: hanno una camera d’aria interna riempita di aria compressa (spremuta). Questo significa che sono più leggeri e più elastico, che ti dà una guida molto più confortevole. Pneumatici, come sono conosciuti, sono stati brevettati nel 1888 da Scottishinventor John Boyd Dunlop.
Differenti tipi di biciclette hanno diversi tipi di pneumatici. biciclette da corsa hanno stretto, pneumatici lisci progettati per la massima velocità (anche se il loro profilo “sottile” dà loro maggiore resistenza al rotolamento), mentre le biciclette di montagna havefatter, pneumatici più robusti con battistrada più profondo, più gomma in contatto con la strada e migliore presa (anche se essendo più ampio creano più resistenza all’aria).
Perché l’abbigliamento conta
L’attrito è una grande cosa nei freni e nei pneumatici, ma è meno gradito in un’altra forma: come resistenza dell’aria che ti rallenta. Più veloce si va, più la resistenza diventa un problema. Ad alte velocità, correre in bicicletta può sembrare come nuotare nell’acqua: puoi davvero sentire l’aria che spinge contro di te e (come abbiamo già visto) usi circa l’80% della tua energia per superare la resistenza. Ora, una bicicletta è abbastanza sottile e aerodinamica, ma il corpo di un ciclista è molto più grasso e largo; in pratica, il corpo di un ciclista crea il doppio della resistenza della bicicletta. Ecco perché i ciclisti indossano abbigliamento in neoprene stretto e caschi a punta per snellirsi e minimizzare le perdite di energia.
Foto: Le biciclette da corsa hanno due serie di manubri. Foto di Ben A. Gonzales per gentile concessione della US Navy.
Potresti non averlo notato, ma anche i manubri di una bicicletta sono delle leve: i manubri più lunghi forniscono una leva che rende più facile far ruotare la ruota anteriore.Ma più largo è lo spazio tra le braccia, più resistenza all’aria si crea.Ecco perché le biciclette da corsa hanno due serie di manubri per aiutare il ciclista ad adottare la posizione migliore, più snella. Ci sono convenzionali, manubri esterni per lo sterzo e quelli interni per la tenuta sul rettilineo. La maggior parte dei ciclisti ora indossa il casco, sia per ragioni di sicurezza che per una migliore aerodinamica.
Le biciclette sono fisica in azione
Riassumiamo brevemente con un semplice diagramma che mostra tutti questi diversi pezzi di scienza del ciclo in azione:
