Per completare la nostra analisi e poter ottimizzare il comportamento della nostra mountain bike, è importante conoscere bene alcuni temi, che vediamo di affrontare qui di seguito.
Urti contro gli ostacoli
Quando con la nostra mtb urtiamo contro un ostacolo (come la classica pietra sporgente che centriamo mentre corriamo in discesa), accade che l’energia cinetica posseduta da bici+biker si scarica in parte nel punto d’impatto pietra-copertone (“in parte”, perchè l’impatto non è quello di un frontale contro un muro, ma la direzione della forza di compressione pneumatico/pietra forma un angolo, fortunatamente piuttosto grande, con la direzione della velocità). L’energia cinetica si trasforma in lavoro di compressione, schiacciando lo pneumatico e determinando un affondamento che dipende sia dalla velocità della mtb che dalla pressione della gomma. Quanto maggiore è la pressione della gomma, tanto maggiore è la sua capacità di assorbire l’energia cinetica, evitando che l’ostacolo urtato affondi nel copertone fino a pizzicare il cerchio. Se poi l’ostacolo dovesse arrivare a toccare il cerchio, una maggior pressione di gonfiaggio farà si che una buona parte dell’energia cinetica sia comunque dissipata nella deformazione dello pneumatico, attenuando l’urto e diminuendo la forza con cui lo pneumatico viene pressato tra pietra e cerchio, riducendo le probabilità di “pizzicare”.
Vale la pena però sottolineare una cosa: nell’affondamento dello pneumatico in seguito a un urto, l’energia cinetica viene assorbita secondo un andamento non lineare ma logartmico. Questo, in parole povere, significa che nella fase iniziale dello schiacciamento lo pneumatico oppone poca resistenza, e quindi la sua compressione assorbe poca energia. Man mano che l’affondamento prosegue, il copertone oppone sempre maggiore resistenza alla deformazione, assorbendo via via una quantità sempre maggiore di energia cinetica. Questo significa che l’ultima fase dell’affondamento è quella che assorbe più energia cinetica. Bene, se allora supponiamo che con una pressione di 2,4bar il nostro pneumatico sia in grado di assorbire un urto arrivando a sfiorare il cerchio ma evitando la pizzicatura, con una diminuzione anche piccola di pressione (ad esempio scendendo da 2,4 a 2,2 bar) l’urto contro il cerchio ci sarebbe, e sarebbe ben più forte di quanto il lieve abbassamento di pressione lascerebbe supporre. In questo caso, infatti, è come se venisse a mancare l’assorbimento di energia cinetica dell’ultimo tratto di compressione a 2,4bar (l’ultimo tratto che, come detto, assorbe più energia cinetica). Pertanto, a 2,2bar l’ostacolo potrebbe arrivare a impattare contro il cerchio con una carica di energia ancora molto elevata, e a quel punto… ecco fatto il danno!
Quanto visto vi è utile a comprendere quanto sia importante scegliere la pressione giusta per evitare danni. Danni alla camera, ma anche al copertone e, nei casi peggiori, al cerchio.
Per quanto riguarda la tipologia di pneumatici utilizzati (“camera” o “tubeless”), come sappiamo bene, la camera d’aria è più vulnerabile alle pizzicature di quanto non lo sia il copertone, e la sua assenza negli pneumatici “tubeless” aumenta la resistenza di questi agli urti. Tuttavia, se è vero che un forte urto contro un ostacolo squarcia la camera d’aria, è altrettanto vero che un urto della stessa entità subito da un “tubeless”, pur non portando questo a rottura (perlomeno nella maggior parte dei casi), ne può provocare comunque una lesione che può propagarsi (tanto più rapidamente quanto maggiore è la sua entità) fino a giungere a rottura. Questo significa che, se è vero che il “tubeless” è sicuramente la soluzione più efficiente in gara (possibilmente avendo l’accortezza di sostituire il copertone a fine gara, in caso di urto di forte intensità), per l’uso escursionistico la camera d’aria continua a mantenere il pregio della semplicità delle eventuali riparazioni (caratteristica non trascurabile, poi chiaramente ciascuno valuta la miglior soluzione per lui). Del resto, utilizzando le pressioni “giuste”, pizzicare contro un ostacolo è un evento fortunatamente poco frequente e l’eventuale sostituzione di una camera sarebbe un’operazione estremamente agevole durante un’escursione.
Altra cosa da non trascurare è il fatto che il copertone con camera, in caso di urto, beneficia della presenza appunto della camera d’aria, che fa da cuscinetto proteggendo il copertone. La gomma della camera infatti, deformandosi nello schiacciamento, assorbe una parte dell’energia cinetica al posto del copertone, diminuendo le possibilità che questo venga inciso. Quando invece non è presente la camera, ovvero nei tubeless, in caso di urto lo pneumatico viene compresso tra cerchio e ostacolo senza la gomma della camera d’aria a fare da smorzatore, ed è molto più esposto al danneggiamento.
Vediamo adesso a quali valori di pressione e di velocità della mtb si rischia di pizzicare. Abbiamo visto come, per fondi stradali in buone condizioni, la miglior resistenza al rotolamento la si ottenga con pressioni di 2bar all’anteriore e 2,4bar alla posteriore (per bici+biker=85kg). Tracciati come questi sono quelli che consentono di raggiungere le velocità più elevate in discesa, situazione in cui è più alto il rischio di “pizzicare”. Bene, se utilizzassimo una forcella rigida e impattassimo un ostacolo alto circa 4cm, la formula matematica che “modellizza” il fenomeno fisico dell’urto mi dice che, a una velocità intorno ai 40km/h, l’ostacolo affonderebbe nel copertone a una profondità tale da “sfiorare” il cerchio. Aumentando la velocità, l’ostacolo riuscirebbe ad affondare abbastanza da colpire il cerchio, scaricandovi contro un’energia cinetica tanto maggiore quanto più aumenta la velocità. Con un aumento di 2-3km/h rispetto alla “velocità limite”, il colpo sarebbe di lieve entità e non in grado di squarciare la camera d’aria (perché la gran parte dell’energia cinetica era già stata assorbita dallo pneumatico), ma per velocità superiori la rottura della camera d’aria sarebbe inevitabile. Capite bene che, se si usasse un “tubeless”, su di esso arriverebbe la stessa botta in grado di affettare la camera; nella maggior parte dei casi il colpo non riuscirebbe a squarciare il copertone, ma la botta sarebbe comunque notevole e potrebbe lesionarlo.
Se invece di utilizzare una forcella rigida, la nostra mtb sarà dotata di forcella ammortizzata (come nella maggior parte dei casi), nell’urto una parte dell’energia cinetica verrà assorbita da lei. Tuttavia non confondete il fatto che la forcella ammortizzata assorba i colpi evitandoci di sentirli al manubrio, con ciò che invece “sente” lo pneumatico nell’impatto con l’ostacolo. E’ vero che una parte dell’energia cinetica viene assorbita dalla forcella, ma la restante energia si scarica ancora sullo penumatico. Certo, l’affondamento è minore, però il rischio di pizzicature è comunque presente e richiede di tarare al meglio la forcella per minimizzarlo. Quindi la taratura della forcella è un’operazione da svolgere con molta cura. Andrebbe effettuata calcolando l’affondamento del sistema pneumatico+forcella al variare della loro costante elastica. La costante elastica viene regolata, negli pneumatici, variando la pressione e, nella forcella, agendo sui parametri di regolazione (che possono essere differenti a seconda delle tipologie di forcelle). E’ chiaro che una regolazione precisa richiede di affidarsi a professionalità specifiche (qui nel nostro laboratorio lo facciamo, perché è una materia che fa parte delle mie competenze professionali), ma in ogni caso ci si può arrangiare anche “in casa”, facendo delle prove e aiutandosi con l’esperienza (la propria o quella di qualche amico).
Copertura con camera o tubeless hanno resistenze al rotolamento differenti?
Va detto che l’argomento che viene solitamente utilizzato per “dimostrare” la migliore scorrevolezza dei tubeless è, scientificamente parlando, una sciocchezza. La spiegazione che viene data è che la camera d’aria, quando lo pneumatico si deforma a contatto col suolo, scorre su di esso generando attrito e quindi perdite di energia. Per comprendere quanto sia concettualmente fuorviante questa spiegazione, pensate a come sono strutturate le sospensioni a balestra (quelle un tempo usate, ad esempio, sui vecchi camion). Sono costituite da dei fogli d’acciaio sovrapposti, che all’occorrenza flettono. L’elasticità di questo sistema è garantita proprio dal fatto che l’acciaio è suddiviso in più fogli, che flettendo sono liberi di effettuare dei leggeri scorrimenti l’uno sull’altro. Se invece la balestra fosse costituita da un unico elemento, spesso quanto il totale dei fogli sovrapposti, avrebbe una elasticità molto inferiore. In questo caso, infatti, per deformarsi sarebbero necessari degli spostamenti a livello molecolare, che richiedono una forza enormemente superiore rispetto a quella d’attrito che agisce tra i fogli di balestra. La possibilità che i fogli possano scorrere l’uno sull’altro serve proprio a diminuire la resistenza alla flessione delle balestre, e non ad aumentarla!
Bene, nel caso della camera d’aria, vale lo stesso identico principio: se la camera d’aria fosse un tutt’uno col copertone, per deformarla sarebbe necessaria una forza ben maggiore rispetto a quella necessaria per i suoi piccolissimi scorrimenti. Appurato quindi che il sistema con camera agevola la deformazione, nel tubeless abbiamo che la camera è sostituita da uno strato di liquido antiforatura distribuito sulla superficie interna del copertone. Facendo i calcoli si determina che camera e liquido hanno un’incidenza pressoché analoga ai fini dell’attrito volvente (sono simili sia il peso che l’inerzia che si oppongono allo spostamento quando lo pneumatico si deforma), e pertanto sotto questo profilo le due tipologie di pneumatici sono assolutamente equivalenti. In definitiva, se uno stesso copertone viene utilizzato con camera o tubeless, la sua resistenza al rotolamento è la stessa. Se però, come spesso accade, si dovesse utilizzare un copertone più “massiccio” per l‘utilizzo “tubeless”, per compensare l’assenza della camera con un maggior spessore della copertura, la resistenza al rotolamento sarebbe superiore (e torna ancora utile quanto visto con l’esempio delle sospensioni a balestra: il maggior spessore del tubeless sarebbe un tutt’uno col resto del copertone, e avrebbe maggior resistenza rispetto alla camera d’aria, che invece può scorrere rispetto alla copertura).
Differenze nella resistenza al rotolamento tra 26”, 27” e 29”
A suo tempo, avevamo dedicato un articolo al confronto velocità/potenza tra i tre formati di ruote. Quel che ne era risultato è che la minore resistenza al rotolamento, al crescere del formato, è bilanciata dalla minore resistenza aerodinamica delle 26”, con addirittura un leggero vantaggio per queste ultime al crescere della velocità oltre i 22-23km/h (smentendo quindi il luogo comune che vorrebbe le 29” avvantaggiate o, come si sente dire utilizzando in modo decisamente improprio la definizione, “abbiano maggiore trazione”).
Ci chiediamo però come stiano le cose quando consideriamo un fondo stradale con irregolarità più o meno marcate. Anche in questo caso, una “leggenda” in leggero contrasto con le leggi della fisica afferma che: “una 29” supera più facilmente gli ostacoli, perché avendo ruote più grandi l’angolo d’impatto è più piccolo rispetto a quello di una 26” ”. Quest’affermazione è ancora una volta errata, in quanto è solo una verità parziale che ignora il modo in cui si genera la resistenza dovuta a un ostacolo. Infatti, non tiene conto che una ruota più grande, come si vede in figura, impatta su un ostacolo a una distanza maggiore rispetto a quanto accade a una ruota più piccola.
Questo fatto, che penalizza una 29” aumentando il momento resistente per superare l’ostacolo, compensa il vantaggio dovuto al fatto che una 29” ha un angolo d’impatto più piccolo rispetto a una 26”. Il risultato è che, davanti a un ostacolo, la resistenza incontrata da 29” e 26” è pressoché la stessa, come infatti si determina calcolando le azioni dinamiche agenti sui due formati di ruote (questi calcoli presuppongono la conoscenza di formule e principi fisici alla portata di uno studente delle scuole superiori; non occorre una laurea, e quindi sarebbe bene quindi che, chi reda gli articoli “tecnici” su riviste e forum, ripassasse la materia prima di divulgare false informazioni).
Ciò che differenzia 26” e 29” sono invece l’agilità e la stabilità, con la prima a vantaggio delle 26” e la seconda a vantaggio delle 29”. Ma questo non c’entra niente con “maggior trazione”, “effetto scala sugli ostacoli” e altre teorie fantasiose. Agilità e stabilità sono determinate da un fenomeno fisico noto come effetto giroscopico, cui magari più avanti dedicheremo un articolo (trattandosi di un argomento interessantissimo), ma che per il momento non entra nell’attuale discorso neanche marginalmente.
CONCLUSIONI
Con quest’ultimo articolo concludiamo la nostra “chiacchierata tecnica” dedicata alla resistenza al rotolamento degli pneumatici. Questa forza resistente è una delle tre azioni che contrastano l’avanzamento della bicicletta, contro cui dobbiamo faticare sui pedali. Le altre due sono la resistenza aerodinamica e, in salita, la forza di gravità. Se sull’aerodinamica possiamo fare qualcosa assumendo una posizione di guida bassa (nella quale sono avvantaggiate le 26” rispetto a 29” e trail-bike), sulla forza di gravità abbiamo ben poco da fare, se non prendercela con Newton che l’ha scoperta.
Ecco quindi che l’attrito volvente, responsabile della resistenza al rotolamento, è la grandezza fisica su cui possiamo agire con più efficacia, ottenendo miglioramenti in grado di fare decisamente la differenza.
In questa trattazione abbiamo visto come, utilizzando i valori di pressione “giusti”, sia possibile ottenere un alleggerimento della fatica sui pedali a due cifre percentuali. Del resto, più di una volta vi sarà capitato di vedere dei biker ancora inesperti meravigliarsi per la scorrevolezza della bici appena comprata, a loro dire nettamente superiore rispetto alla vecchia bici. In realtà il negoziante aveva semplicemente avuto l’accortezza di gonfiare le gomme alla giusta pressione, con i conseguenti ovvi benefici.
Bene, questa lunghissima chiacchierata su “pneumatici e dintorni” finisce qui, e adesso non mi resta che augurarvi di divertirvi sui vostri amati bolidi!
Buon divertimento
Stefano Tuveri
BI(KE)PLANI - In volo tra Sardegna e resto del mondo conosciuto (e non) 