L’esordio di quest’articolo può risultare, fin dal titolo, oscuro ai più. Che cos’è, infatti, quest’effetto giroscopico? Da dove salta fuori per complicarci ancora di più la comprensione del comportamento delle mtb? Ci mancava solo lui, come se non bastasse la miriade di formati ruota e tipologie di bici spuntate come funghi negli ultimi tempi!..

Voglio quindi subito tranquillizzarvi: i fenomeni giroscopici sono dei fenomeni fisici con cui, senza saperlo, abbiamo a che fare quotidianamente. Li sperimentiamo fin da bambini quando, giocando con la trottola, scopriamo con grande stupore che questa gira senza cadere, facendo delle curiose evoluzioni intorno al suo asse di rotazione. Successivamente, ne scopriamo l’utilità quando, vinta la paura, riusciamo a pedalare da soli sulla nostra biciclettina che, come per magia, non si rovescia su un fianco ma resta in posizione verticale, come se una mano invisibile la sostenesse.

Ecco, la bellezza della Fisica è proprio quella di aiutarci a capire ciò che non riusciamo  a vedere, ma sperimentiamo che esiste.

Ai fini della nostra analisi, l’effetto giroscopico è quel fenomeno fisico che, quando una ruota gira, si oppone all’inclinazione del suo asse di rotazione. E’ il motivo per cui una bicicletta, durante il moto, si mantiene in equilibrio verticale (perchè l’effetto giroscopico impedisce che le ruote, e quindi i relativi assi di rotazione, si inclinino rovesciandosi su un fianco).

Bene, in questo nuovo articolo vedremo insieme i risultati dell’analisi della stabilità/agilità di diverse tipologie di biciclette che utilizzano i vari formati ruota sul mercato; stabilità/agilità determinata proprio dall’effetto giroscopico agente su ciascuno specifico tipo di ruota.

Sappiamo bene che, ad esempio, 26” e 29” si distinguono, tra le altre cose, per essere le prime più agili e le seconde più stabili. A quanto è pari però questa differenza? Come influenza il comportamento della mtb nel concreto? Quali sono le conseguenze nelle situazioni classiche quali gli urti contro gli ostacoli, i cambi repentini di traiettoria, il recupero dell’assetto dopo una sbandata, le pieghe in curva e tutte le varie azioni dinamiche necessarie durante la guida?

In questa nuova analisi daremo, ancora una volta, i numeri, e quindi quantificheremo con esattezza le differenze di comportamento tra le diverse tipologie di biciclette (26”, 27”, 29”, fat, bdc, etc.).

Cominciamo allora innanzitutto a spiegare in cosa consista l’effetto giroscopico. Prestate molta attenzione alla sua definizione, perché sarà determinante per comprendere gli effetti su una bicicletta. Va detto che i fenomeni giroscopici costituiscono un settore piuttosto complesso della Fisica, non intuitivo e per questo motivo sorprendente nelle sue conseguenze. Chiaramente, su queste pagine ometteremo la sua dimostrazione, alla portata solo di chi abbia una formazione specifica di alto livello.

Partiamo con la caratteristica fondamentale dei fenomeni giroscopici: questi riguardano tutti i corpi che compiono un moto di rotazione intorno a un asse, e si manifestano quando si cerca di far ruotare a sua volta quest’asse di rotazione. Nel caso specifico che interessa noi, ovvero la ruota della bicicletta che gira intorno al proprio asse di rotazione (ovvero intorno al  mozzo), quando si sterza la ruota si ha la comparsa di un effetto giroscopico. Infatti, quando sterziamo, l’asse intorno a cui la ruota gira (che coincide con l’asse del mozzo) è sottoposto a una rotazione.

Da quanto detto si capisce che invece, se la ruota non sta compiendo un moto di rotazione (ovvero, banalmente, è ferma), sterzando non si genera alcun fenomeno giroscopico. Allo stesso modo si ha che, all’aumentare della velocità cui gira la ruota, aumenta l’effetto giroscopico (e quindi più la bici va veloce e maggiore è quest’effetto).

Una prima conseguenza di quanto scritto sopra è ciò che sperimenta ciascuno dal momento in cui impara ad andare in bicicletta, ovvero: più si va veloci e più la bici è stabile. Questo significa che l’effetto giroscopico consiste in una resistenza che le ruote oppongono al rovesciarsi  su un fianco.

Spiegato così, l’effetto giroscopico agente sulle ruote della bicicletta sembrerebbe un fenomeno fisico semplice e lineare che limita le sue conseguenze al “tenere in piedi” la bicicletta. In realtà la situazione è decisamente più complessa, influenza i comportamenti dinamici e dev’essere studiata con estrema accuratezza da chi progetta biciclette.

In un precedente articolo avevamo visto come le geometrie dei telai delle mountain bike siano rimaste di fatto identiche dalle origini ad oggi. Il motivo è piuttosto semplice, e consiste nel fatto che gli ingegneri contemporanei, così come quelli di cento anni fa, hanno uno spazio di manovra strettissimo, vincolato dalle leggi della fisica e, nello specifico, da quelle dei fenomeni giroscopici. La conseguenza è che le biciclette di qualunque epoca devono rispettare rigorosamente le geometrie imposte da quelle leggi, con uno spazio di manovra limitatissimo che consente variazioni dell’angolo di sterzo non superiori ai 2-3 gradi. Variazioni minime, buone per far dire al sistema del marketing che ci son state “radicali variazioni della geometria”, ma che in realtà sono di fatto ininfluenti nel comportamento dinamico di una bicicletta. Tant’è che, prendendo in esame ad esempio l’angolo di sterzo adottato sulle mtb negli ultimi vent’anni, abbiamo assistito a un “ping-pong” che lo ha visto oscillare tra 69° e 71°, accompagnando ogni passaggio con slogan promozionali che sottolineavano “epocali miglioramenti” (per poi ritornare un paio d’anni dopo al vecchio angolo di sterzo, chiaramente nuovamente definito come “epocale miglioramento” dagli spot del momento).

La realtà è che il comportamento dinamico di una bicicletta è, letteralmente, dettato dai fenomeni giroscopici. Sono pertanto le geometrie a doversi adeguare a questi fenomeni, dato che il viceversa è impossibile (non essendo possibile modificare le leggi della Fisica).

Vi faccio subito un esempio che vi aiuterà a capire cosa si intende col fatto che sono i fenomeni giroscopici a comandare. Vi siete mai chiesti perché, anche nelle biciclette da passeggio più comode e destinate a semplici passeggiate per le vie del paese, l’asse di sterzo non sia verticale ma abbia sempre una certa inclinazione? Si potrebbe pensare che questo accada perché in questo modo l’avantreno riesce ad affrontare meglio eventuali urti contro ostacoli, ma non è questo il motivo.

L’asse sterzo DEVE avere sempre un’inclinazione all’indietro rispetto alla verticale perché, a causa dell’effetto giroscopico, la ruota sterzando non si limita a ruotare intorno all’asse di sterzo, ma è sottoposta anche a una spinta che agisce per inclinarla verso l’esterno, e se l’asse sterzo fosse verticale non riusciremmo a controbilanciare questa spinta e finiremmo a terra senza scampo. Questo fatto può apparire assurdo e inspiegabile, ma è un dato di fatto che una bicicletta con asse sterzo verticale è inguidabile, e il motivo risiede, manco a dirlo, nei fenomeni giroscopici di cui ci stiamo  occupando.

Questo esempio ci consente di fare un importante passo avanti nella comprensione dell’effetto giroscopico, in questo caso agente sulla ruota anteriore della bicicletta, che è quella che consente di sterzare.

Prestate molta attenzione a quanto vi dico di seguito, perché è di fondamentale importanza: l’effetto giroscopico fa si  che, quando io tramite il manubrio applico sulla ruota un’azione (ovvero una coppia di forze) per farla ruotare, la coppia sterzante non agisce intorno all’asse dello sterzo (come ci sembrerebbe ovvio), ma intorno a un altro asse, inclinato in avanti di un certo numero di gradi rispetto ad esso. Questo è pertanto il motivo principale per cui l’asse dello sterzo di qualunque bicicletta è inclinato.

In futuro vi prometto che analizzeremo insieme questo fondamentale aspetto del comportamento della bicicletta, vedendo come l’angolo di sterzo, l’avancorsa e il rake determinino la cinematica dell’avantreno. Per ora accontentatevi di sapere che, grazie all’asse di sterzo inclinato,  la ruota anteriore, sterzando, si inclina anche verso l’interno (prendete la vostra bici e sterzate tenendo il telaio verticale; vi accorgerete da soli di cosa sto parlando), e la scelta opportuna dei tre parametri che ho elencato consente che ciò avvenga garantendo la migliore guidabilità possibile (equilibrando la spinta verso l’esterno dovuta all’effetto giroscopico). Le modifiche di questi tre parametri determinano le modifiche dello stile di guida, richiedendo di utilizzare in maniera diversa gli spostamenti del corpo. Per capire ciò di cui si parla, provate a guidare senza mani due biciclette che abbiano differenti angoli di sterzo, e vi accorgerete come dovrete utilizzare diversamente, sulle due bici, gli spostamenti del vostro corpo per sterzare. Tutto questo però non c’entra niente con stabilità/agilità di una bicicletta, si tratta solo di bici da guidare in modo diverso, ma agili (e stabili) in egual maniera.

E’ poi importante sottolineare un altro aspetto. L’inclinazione dell’asse intorno a cui l’effetto giroscopico genera la coppia sterzante non è fissa, ma varia a seconda del valore di tre importanti parametri che sono: la velocità della bicicletta, l’angolo di cui si sterza la ruota e la rapidità con cui avviene questa sterzata. Ciò significa quindi che, per velocità basse, la coppia sterzante generata dall’effetto giroscopico ha direzione quasi coincidente con l’asse di sterzo; per velocità alte, l’asse intorno a cui l’effetto giroscopico vorrebbe far sterzare la ruota sarà via via sempre più inclinato in avanti, e l’abilità dei progettisti fin dagli albori della bicicletta è stata proprio quella di scegliere un angolo di sterzo che tenga conto di questi fenomeni e sia in grado di controbilanciarli.

L’immagine che segue spiega meglio di tante parole quanto descritto.

Alla luce di tutto questo, si capisce come l’angolo di sterzo abbia dei margini di scelta ristrettissimi. Non per niente, come ricordato sopra, le “rivoluzionarie” variazioni delle geometrie degli ultimi vent’anni nelle mtb da xc hanno oscillato in un vai e vieni tra 69° e 71°, strettamente vincolate a mantenersi all’interno di questo intervallo perché altrimenti qualunque mtb sarebbe inguidabile (ovviamente poi sulle bdc, ma anche sulle mtb da dh o da enduro, l’angolo di sterzo e le altre geometrie sono diverse, ma sempre con strettissimi margini di variazione; si tratta infatti di mezzi destinati a diverso utilizzo, alle cui geometrie si chiede, riducendo il discorso ai minimi termini, di fare “altro”).

Facciamo adesso giusto un accenno, non essendo l’obiettivo della nostra analisi, a cosa comporti un asse sterzo inclinato di 69° o 71°. Un asse più inclinato non incide su stabilità e agilità, come erroneamente e superficialmente affermano molte recensioni “tecniche”. Incide invece sulla sensibilità della bicicletta agli spostamenti del corpo. Ad esempio, passando da 71° a 69° di angolo di sterzo (ovvero a un asse sterzo più inclinato), se si sterza senza inclinare il corpo la mtb da 69° oppone maggiore resistenza di quella da 71° (e potrebbe apparirci meno agile), ma se si inclina il corpo la mtb da 69° invece diventa più sensibile agli spostamenti del corpo (e quindi del baricentro) rispetto a quella da 71° (e stavolta ci apparirebbe più agile, proprio grazie alla forcella più inclinata, che fa si che lo spostamento del nostro baricentro determini una coppia sterzante maggiore). Quindi, sulle due mtb da 71° e 69° il differente angolo di sterzo non cambia le loro caratteristiche di stabilità e agilità (che sono determinate, ribadiamolo, dall’effetto giroscopico che dipende esclusivamente da diametro e massa delle ruote, e non dalle geometrie del telaio), ma cambia il modo in cui devono essere guidate (2° di differenza sono poca roba, per cui anche le differenze di guida sono piccole, ma comunque costituiscono un parametro di cui tener conto quando scegliamo la mtb più adatta a noi). A seconda delle proprie esigenze/capacità di guida, si può preferire una mtb più o meno sensibile agli spostamenti del corpo, ma raccontare che con dei “magheggi geometrici” si possa migliorare l’agilità, tra l’altro senza peggiorare la stabilità, è un argomento buono per gli spot commerciali, ma dal punto di vista scientifico è una palese sciocchezza.

Bene, chiusa parentesi, torniamo ai nostri fenomeni giroscopici. Abbiamo capito che la loro presenza rende indispensabile inclinare all’indietro l’asse di sterzo, e questo può bastarci per avere un’idea di cosa combinino questi fenomeni fisici sulla nostra bici. Approfondire l’argomento è particolarmente affascinante, ma richiede conoscenze specifiche addirittura superiori a quelle di livello universitario (i fenomeni giroscopici, da soli, sono in grado di riempire i tre anni di studio/ricerca di un corso di dottorato, lasciando ancora praterie di situazioni inesplorate) e quindi non è opportuno proseguire con ulteriori approfondimenti su queste pagine, perché sarebbero di impossibile comprensione per quasi tutti i lettori e quindi assolutamente inutili.

Concludo quindi invitandovi alla lettura del nuovo articolo della serie “Diamo i numeri”, dove applichiamo quanto abbiamo appena visto e che trovate qui: DIAMO I NUMERI (9) – EFFETTO GIROSCOPICO E CONFRONTO STABILITA’/AGILITA’ TRA MTB 26″, 29″ E FAT-BIKE

Stefano Tuveri

(ingegnere e progettista/collaudatore meccanico)