STORIA DELLA BICICLETTA

La bicicletta (spesso abbreviata in bici) è un veicolo azionato dalla forza muscolare degli arti inferiori e costituito da un telaio cui sono vincolate due ruote allineate, dotato di un sistema meccanico per la trasmissione della potenza alla ruota motrice. Dal punto di vista tecnico e normativo, in Italia la bicicletta rientra nella più ampia categoria dei velocipedi. La bicicletta nasce in Francia nel 1791, anno in cui Mède de Sivrac progetta e costruisce il suo “celerifero“. Nel 1817, un quarto di secolo più tardi, Karl Drais inventò la sua Laufmachine (in tedesco, macchina da corsa) che fu chiamata dalla stampa “draisina“. Nel 1861 Ernest Michaux montò su una draisina i primi pedali fissandoli al perno della ruota anteriore. Il termine bicicletta nacque in Francia verso la fine degli anni 1860 e rimpiazzò il termine velocipede dal modello della High Bicycle in poi. Il biciclo fu molto in voga fino agli anni ottanta del XIX secolo. Il sistema della trasmissione del moto generato dai pedali fu oggetto di grandi studi fino a quando, prima della fine del secolo, il problema della trasmissione del moto è risolto collegando i pedali ad una ruota dentata connessa ad una catena; questa soluzione tecnica consente di ridurre la dimensione della ruota anteriore. Nel 1884 John K. Starley realizzò a Coventry la prima Safety Bicycle (“bicicletta di sicurezza“) denominata “Rover” e destinata a ottenere un enorme successo commerciale: antesignana delle moderne bici, aveva ruote di dimensioni uguali e trasmissione a catena sulla ruota posteriore. In seguito ci furono altri progressi tecnologici. Nel 1888 Dunlop montò su un triciclo il primo pneumatico a camera d’aria. Nei primi anni del novecento ci fu lo sviluppo delle prime competizioni sportive come il Tour de France (1903) e nel 1909 il primo Giro d’Italia.

Struttura e componenti

Nel corso della sua lunga storia furono molti i tentativi di introdurre variazioni nella struttura della bicicletta, sia per migliorarne l’efficienza alla luce dei progressi scientifici, della biomeccanica in particolare, sia per esperimenti di design, ma nonostante ciò la struttura generale della bicicletta può ormai essere considerata cristallizzata e si trova sostanzialmente immutata in tutti i suoi numerosi tipi.

Parti della bicicletta
  • Telaio: è l’elemento portante, tipicamente a geometria triangolare in quanto più rigido e resistente alle deformazioni, su cui sono agganciate due ruote che ne consentono il rotolamento sul piano o terreno d’appoggio. In particolare il carro posteriore del telaio regge la ruota posteriore a cui il conducente impartisce il movimento con la pedalata attraverso il sistema di trasmissione. Sul telaio trovano alloggiamento tutte le altre numerose componenti che consentono il funzionamento del mezzo. In genere sono regolabili l’altezza del manubrio, della sella e l’avanzamento/arretramento della sella. Queste componenti possono essere raggruppate in una serie di sistemi che assolvono ciascuno una specifica funzione. Solitamente il tubo superiore del telaio, nella versione della bici femminile, assume una forma ricurva rivolta verso il basso al fine di agevolare la salita indossando gonne o tubini.
  • Sterzo: costituito dalla forcella che regge la ruota anteriore collegata mediante il canotto o pipa inclinato in avanti al manubrio, consente di variare la direzione della ruota anteriore rispetto all’asse longitudinale del mezzo per eseguire le curve. La forcella funge da punto di aggancio della ruota anteriore e la sua geometria, ovvero l’insieme delle principali misure (lunghezze e angoli) che definiscono una particolare configurazione, ha una grande influenza sulla guidabilità dell’intero mezzo.
  • Ruote: sono dotate di raggi dal mozzo al cerchione per conferire loro il vincolo con il mozzo o asse della ruota ed in numero e spessore tale da ottenere una rigidità in grado di opporsi alle deformazioni da sollecitazioni meccaniche del terreno e la torsione per effetto della rotazione dell’asse stesso. Completano le ruote le camere d’aria o tubolari e il copertone montati sul cerchione. Per ridurre l’attrito delle parti in movimento vengono utilizzati cuscinetti a sfere: sul mozzo delle ruote sono realizzati avvitando sui perni dei supporti a forma di cono con la superficie concava, su cui scorrono le sfere, trattenute in apposite cavità realizzate nel mozzo. I cuscinetti sono presenti anche nel movimento centrale, nei pedali, nello sterzo, nel meccanismo di ruota libera. Sulla ruota posteriore è normalmente montato un meccanismo di ruota libera, che permette alla ruota posteriore di girare nel solo senso di marcia indipendentemente dal movimento dei pedali, quando a questi non venga impressa una forza, consentendo alla bicicletta di avanzare per inerzia. Alcune biciclette montano invece il cosiddetto scatto fisso, inizialmente caratteristico delle bici da pista senza freni e senza cambio usate nei velodromi, ma che ultimamente trova sempre maggiore diffusione anche per l’uso su strada.
  • Sellino: il conducente viaggia normalmente in posizione seduta su un sellino di forma approssimativamente triangolare, posta leggermente arretrata rispetto alla verticale del movimento centrale e collegata al telaio mediante un tubo detto reggisella o canotto della sella che scorrendo all’interno del piantone consente la regolazione dell’altezza della sella. Da questa posizione gode di una ottima visuale sull’ambiente circostante e sull’eventuale traffico.

La fisica della bicicletta

Meccanica

La bicicletta è una macchina che trasforma l’energia muscolare in energia cinetica: durante il movimento della pedalata viene infatti applicata sui pedali una coppia di forze che vengono trasferite e amplificate, a mezzo delle pedivelle che fungono da leva, al movimento centrale. Così facendo si genera una rotazione dell’asse del movimento centrale: questo, una volta in movimento, con dei vincoli meccanici trasferisce il momento risultante alla corona anteriore che la trasferisce alla catena. La catena applica una coppia di forze ai rapporti posteriori, mettendoli in rotazione. Gli ingranaggi, essendo vincolati alla ruota posteriore, producono il movimento di rotolamento o avanzamento sul terreno di appoggio. L’energia è trasferita infine a tutto il telaio e alla ruota anteriore attraverso dei vincoli meccanici, come per esempio la forcella anteriore.

La bici ha un rendimento maggiore della corsa a piedi perché, a livello logico-meccanico, è intrinsecamente una leva costituita dal movimento della pedivella (il braccio della leva), a cui è agganciato il pedale, attorno al perno del cosiddetto movimento centrale della pedalata. A differenza della corsa, dove parte dell’energia meccanica è spesa per vincere la forza di gravità, nella bicicletta gran parte del movimento è trasmesso in avanti in maniera molto più efficiente. Il coefficiente di attrito volvente dinamico del movimento rotativo delle ruote sul terreno porta ad una dissipazione di energia più bassa di quella che avviene durante la corsa, dove agisce l’attrito dinamico radente, a cui si aggiunge la possibilità di assumere una posizione più aerodinamica. Tuttavia questi vantaggi, per concretizzarsi in una superiorità della bici rispetto alla corsa, necessitano di una “strada”, ossia di un terreno con determinate prerogative di liscezza e “sinuosità”.[6]

L’equilibrio

« Le persone sono come le biciclette: riescono a mantenere l’equilibrio solo se continuano a muoversi »
(Albert Einstein)

La bici si (auto)stabilizza, controbilanciando la componente della gravità, grazie all’angolo di inclinazione del vincolo della ruota rispetto alla perpendicolare (rispetto al suolo) (la proiezione dello sterzo sul terreno (avancorsa) deve deve risultare più avanti rispetto al centro della ruota), alla distribuzione del peso delle parti anteriori che sono poste più in avanti rispetto all’asse sterzante e alla precessione dell’effetto giroscopico della ruota anteriore che tende a farla sterzare in maggior grado, facendo così intervenire i due fattori precedenti (avancorsa e distribuzione dei pesi delle parti anteriori); affinché quest’ultimo effetto sia sufficiente ad instaurare il regime di (auto)equilibrio della bicicletta, occorre che si generi un adeguato momento angolare, ossia che la velocità di rotazione della ruota anteriore sia superiore ad un valore minimo Una ricerca ha mostrato che dilettanti e ciclisti esperti mantengono l’equilibrio in maniera diversa quando sono in bici.

I consumi energetici

L’immagine rappresenta le varie componenti della potenza necessaria per far avanzare una bicicletta a velocità crescente lungo una pendenza del 5%. In blu è rappresentata la potenza impiegata per vincere la resistenza dell’aria, in giallo quella per salire lungo il piano inclinato, in rosso quella per vincere la resistenza al rotolamento e in verde quella necessaria per accelerare.

L’energia necessaria per far avanzare la bicicletta (fino ai 10–15 km/h), su strada piana e in assenza di vento, è prevalentemente quella necessaria a vincere gli attriti meccanici. Alla velocità di circa 18–20 km/h la resistenza aerodinamica, che cresce col quadrato della velocità, non è più trascurabile rispetto agli attriti e diventa di gran lunga preponderante al crescere della velocità. A influenzare la velocità ci sono vari fattori come la condizione del fondo stradale, la sezione dei copertoni, la resistenza aerodinamica, ecc. In generale con il diminuire della sezione delle coperture diminuisce la resistenza e a parità di potenza aumenta la velocità.

La pressione delle coperture ha grande importanza: solitamente le coperture riportano la pressione consigliata di gonfiaggio, al di sotto della quale le prestazione decadono e la copertura si rovina. Il vento favorevole o sfavorevole, per quanto flebile, influenza notevolmente le prestazioni. Analogamente è importante la superficie frontale del ciclista che è causa della resistenza aerodinamica per attrito con l’aria. La posizione tenuta da chi va in bicicletta influenza molto la resistenza aerodinamica, così come anche la presenza di cavi per i freni e altro. I ciclisti cercano infatti la postura corretta, così come il più possibile la scia di chi li precede per mantenere la velocità desiderata con il minimo sforzo.

La postura del ciclista a velocità superiori ai 20–25 km/h comincia ad essere molto importante. La postura meno efficiente è quella a busto eretto che si assume sulle “biciclette olandesi”; in quelle da corsa, con le mani sull’impugnatura bassa, si offre meno superficie alla resistenza dell’aria, e ancora meno nelle biciclette reclinate o recumbent.

La larghezza degli pneumatici è un fattore importante a seconda del tipo di terreno e velocità. Se usati su strada asfaltata e velocità elevate (sopra i 20–25 km/h) gli pneumatici stretti tipici delle biciclette da corsa offrono un minor attrito volvente, quindi hanno prestazioni migliori. Su asfalti rovinati sono preferibili pneumatici più larghi tipici delle biciclette da città perché garantiscono un ammortizzamento migliore delle asperità dell’asfalto. Su terreni terrosi e accidentati si utilizzano pneumatici larghi dotati di tasselli più o meno pronunciati (tacchetti), in modo da evitare lo slittamento della gomma. Per percorsi misti, strade asfaltate e fuoristrada, si utilizzano pneumatici larghi, con le dentature disposte solo lateralmente, in modo da avere minore resistenza in città e garantire la tenuta in piega su terreni terrosi, argillosi, ecc.

L’andamento che massimizza la percorrenza, a parità di energia spesa, è quando la velocità è costante. Velocità tipiche, indicative e soggettive, sono 15–25 km/h in pianura. Velocità superiori a 30 km/h cominciano a diventare impegnative se sostenute per più di qualche minuto. Velocità dai 35 ai 50 km/h sono tipiche dei gruppi di ciclisti anche amatoriali quando sono in gruppo e si alternano alla testa del gruppo, con picchi di 65 km/h. Velocità superiori ai 50 km/h sono tipiche di professionisti, soprattutto se non si sta correndo in gruppo. Su strada piana possono essere raggiunte dai professionisti velocità di circa 60–65 km/h fino a 75 km/h in volata. In discesa si possono superare i 100 km/h. Scendere sotto una certa velocità minima è difficile perché l’equilibrio e la stabilità dell’andatura diventano precari.