La Fluidodinamica è stata materia fondamentale nell’indirizzo di studi che scelsi a suo tempo in ingegneria meccanica, e su cui proseguii l’attività di ricerca dopo la laurea. E’ una disciplina che mi ha sempre affascinato e cui ho dedicato parecchio tempo ed entusiasmo, per cui è per me particolarmente piacevole applicarla all’ambito ciclistico.
Di solito, come primo esempio di azione di tipo fluidodinamico, si considera la portanza, ovvero quella forza che si sviluppa sull’ala di un velivolo e gli consente di stare in aria. Ma è tutta una questione di fluidodinamica anche l’effetto che prende il pallone da calcio, assumendo una traiettoria curvilinea a causa della spinta trasversale dovuta alla differenza di pressione agente sulle due semisfere, differenza generata dalla rotazione del pallone. E sempre restando in ambito calcistico, se si colpisce il pallone da sotto, come si fa nei lanci lunghi quando lo si vuole mettere sui piedi del compagno di squadra, questo controruota e permane per più tempo in aria, a parità di velocità, rispetto al colpirlo di collo pieno; il perché, anche in questo caso, ce lo spiega la fluidodinamica (le cui azioni in questo caso generano una forza diretta verso l’alto, che contrasta la forza di gravità e consente al pallone di permanere più tempo in aria).
Approfittiamo di questa parentesi calcistica, per spiegare un altro argomento molto importante: perché il pallone possa “viaggiare” con traiettorie regolari, è fondamentale il modo in cui è strutturata la sua superficie. I vecchi palloni di cuoio, con i solchi per le cuciture, e soprattutto la superficie rugosa, generavano nell’aria intorno ad essi un moto turbolento indotto, ovvero generavano volutamente delle perdite di entità prevedibile e soprattutto uniformi, in modo da avere un comportamento fluidodinamico regolare. E’ lo stesso metodo utilizzato per le palline da golf, che grazie alla rugosità superficiale minimizzano le perdite e hanno traiettorie lunghe e regolari, impossibili se fossero state lisce (non so se ricordate quando, nel Tour di alcuni anni fa, il team Sky indossò nella crono a squadre delle magliette che, nella parte alta del braccio, avevano delle protuberanze simili proprio a quelle delle palline da golf; lo scopo era esattamente quello di minimizzare le perdite aerodinamiche in quel punto critico che è la “giunzione” braccio-spalla). I nuovi palloni in materiale sintetico, hanno invece superfici più lisce che offrono meno resistenza all’aria, e questo in teoria dovrebbe diminuire le perdite energetiche grazie al flusso laminare (che ha linee di flusso regolari, a differenza del flusso turbolento che genera dei vortici); tuttavia, nella realtà, superfici del genere fanno si che le azioni dinamiche agenti su di esse siano meno regolari, a causa dei distacchi della vena fluida (ovvero distacco del flusso dalla superficie lungo cui scorre, che è sempre in agguato nei flussi laminari e genera perdite talmente elevate da poter provocare uno stallo) che imprimono imprevedibili sollecitazioni asimmetriche (e conseguenti cambi di traiettoria) sul pallone (in quanto generano delle forze improvvise e soprattutto non prevedibili, in corrispondenza di dove è avvenuto il distacco di vena e quindi la perdita di energia). Giusto per capirci, è una gran figata attribuire ad Andrea Pirlo il merito della zigzagante traiettoria della sua “maledetta”, ma in realtà quella imprevedibile castagna era determinata dalla superficie del pallone e non dal suo (pur meraviglioso) piede (e sarebbe stata impossibile coi vecchi palloni di cuoio). Chiaramente, tutto questo è stato voluto per mettere in difficoltà i portieri ed aumentare il numero dei gol. Prima dell’avvento delle pay tv, il pubblico calcistico era costituito da appassionati, spesso sportivi o ex, disposti a dedicare un’intera domenica per andare a vedere la propria squadra allo stadio, spesso con chilometri di camminata seguiti da ore trascorse sugli spalti, che ci fosse il sole o la pioggia. Era gente che, anche in uno zero a zero senza tiri in porta, sapeva apprezzare uno stop da campione o un dribbling fulminante, e tornava a casa comunque contenta. Oggi invece il pubblico è costituito in larghissima parte da “sportivi” da divano, convinti di capire di calcio perché guardano centottanta partite al mese, ma che non hanno idea di che sapore abbia il te caldo tra il primo e il secondo tempo, negli spogliatoi di un polveroso campo di periferia ormai lontano come quell’inverno dei tuoi tredici anni. Per saziare la bulimia calcistica di questa gente, devi far finire le partite con almeno dodici gol, e chi se ne frega se in campo ci sono tanti robottini che si muovono telecomandati dagli schemini del mister post-sacchiano di turno, e mediamente hanno lacune tecniche che trent’anni fa non vedevi nemmeno in serie D. E così ecco arrivare prima lo Jabulani Adidas, quella specie di Supertele usato ai mondiali in Sud Africa. Poi però, siccome il suo zigzagare era davvero indecente anche per i divano-boys, si era posto qualche aggiustamento (basta confrontare la superficie dello Jabulani con quella dell’attuale pallone ufficiale della serie A), ma le traiettorie irregolari sono ormai diventate parte fondamentale del calcio (volutamente indotte, come detto, dalla geometria data alla superficie del pallone).
Ebbene si, anche questa è Fluidodinamica (credo si sia “leggermente” notato che il mio sport non è il ciclismo ma il calcio…), ma torniamo alle nostre bici, e vediamo come l’aerodinamica ne determini il comportamento.
Come tutto ciò che è inerente la Fisica, anche in questo caso lo studio di un fenomeno necessita di una fase teorica e di una sperimentale. A tal proposito, val la pena aprire una piccola parentesi: la parte sperimentale non ha lo scopo di contraddire quella teorica nei principi applicati, dato che le leggi della Fisica sono universali e non cambiano, che si parli di ruote di mountain bike o di centrali nucleari. La parte sperimentale serve invece a verificare se, nella trattazione teorica dell’argomento, si è trascurato/omesso qualche aspetto che è invece coinvolto nel fenomeno allo studio (oppure non è stato materialmente possibile prevederlo, come capita in fenomeni particolarmente complessi come appunto quelli fluidodinamici ma anche, per citare un esempio comprensibile a tutti, nella resistenza dei materiali, dove le irregolarità presenti nella struttura atomica/molecolare, e stimabili solo con criterio statistico per via sperimentale, determinano dei valori di resistenza ben al di sotto di quelli calcolabili per via teorica tenendo “semplicemente” conto dei legami molecolari).
Questa puntualizzazione è importante perché, se in situazioni semplici è di fatto impossibile che ci siano discrepanze tra studio teorico e sperimentale, in situazioni complesse spesso lo studio teorico è di fatto impossibilitato a conoscere tutte le azioni in gioco. Da questo punto di vista, i fenomeni fluidodinamici sono tra i più difficili da teorizzare, e non possono prescindere dall’analisi sperimentale. Infatti, se è vero che conosciamo esattamente quali tipi di azioni agiscano ad esempio quando un profilo alare si muove nell’aria, e quali leggi della Fisica li sovrintendano, è di fatto impossibile conoscerne l’aspetto quantitativo per sola via teorica. I fluidi infatti son dei gran bricconi, tu gli disegni un profilo aerodinamico convinto di realizzare un moto laminare che minimizzi le perdite, e invece zac, si inventano un distacco di vena che lo manda in stallo. Insomma, coi fluidi è indispensabile, per non prendere cantonate ciclopiche, basarsi sull’analisi sperimentale di ciò che vogliamo conoscere.
Chiaramente, questo non significa che lo studio teorico perda d’importanza, tutt’altro! Si partirà comunque con uno studio teorico, seguirà quindi una fase sperimentale, e succesivamente dai risultati ottenuti si otterranno delle formule teoriche che consentiranno di dare valenza generale a quanto sperimentato per situazioni specifiche. Giusto per fare un esempio, negli anni ’30 la Germania dedicò un’ingente quantità di risorse allo studio dei profili alari, raggiungendo un livello di conoscenze che la pose al vertice mondiale nel settore aeronautico (la missione lunare pose lì, inconsapevolmente, le sue basi). Si trattava di studi costosissimi, e uno dei risultati fu un catalogo di profili alari cui venivano associate, per ciascuna geometria, le caratteristiche aerodinamiche. Da decenni, quegli studi sono un punto di riferimento per le progettazioni aeronautiche, e consentono di determinare anche per sola via teorica le caratteristiche di qualunque profilo alare. Infatti, anche un profilo alare con geometria non presente in quel catalogo, avrà comunque una “forma” intermedia tra quelle di due profili alari “adiacenti” che vennero studiati sperimentalmente e quindi dalle caratteristiche note. In questo modo, poichè il gran numero di profili studiati consente di elaborare delle interpolazioni che permettono di prevedere il comportamento fluidodinamico di qualunque profilo al variare della sua geometria, si possono progettare dei profili alari prevedendone il comportamento già in via teorica. L’ulteriore fase sperimentale che ne segue, serve per ottimizzare e conoscere con estrema precisione il comportamento di quello specifico profilo, ma gli scostamenti rispetto a quanto previsto per via teorica sono comunque minimi (laddove, se invece non si fossero avuti questi profili alari di riferimento, e ci si fosse dovuti basare esclusivamente su uno studio teorico, alla successiva verifica nella galleria del vento si sarebbero di norma avuti scostamenti notevoli da quanto teorizzato).
Bene, vi starete chiedendo perché abbia “perso” così tanto tempo a parlarvi di profili alari e studi effettuati peraltro in un’epoca nefasta della nostra storia. Perché quel metodo di lavoro è quello che deve essere adottato in qualunque situazione che preveda uno studio di tipo fluidodinamico. Quindi, questo criterio è quello che deve essere adottato anche quando si progetta una bicicletta.
I più “antichi” frequentatori di queste pagine, così come quelli che hanno avuto la pazienza di leggere praticamente tutto quanto pubblicato nel corso degli anni, sanno che uno dei primi articoli che comparve su queste pagine fu il confronto tra le tipologie di biciclette più diffuse, ovvero 26”, 29” e bdc. In quel confronto, pesava in modo determinante un elemento che esulava dai soliti termini di confronto tra biciclette, che in particolare per 26” e 29” si sono ormai fossilizzati sul diverso diametro delle ruote. Quell’elemento “nuovo” era proprio il comportamento aerodinamico delle biciclette, che ha un’influenza decisiva nelle loro prestazioni, ma che per essere trattato richiede una competenza profonda (oddio, non che l’attrito volvente degli pneumatici non ne richieda altrettanta, ma nel loro caso è più facile sparare quattro luoghi comuni e tenere lezioni di scienza e di vita da dietro un bancone o da un’imbarazzante rubrica “tecnica” online).
Quell’articolo di confronto era stato uno dei primi articoli tecnici che pubblicai su queste pagine. Era stato quindi impostato per essere il più semplice possibile, in modo che fosse comprensibile a tutti, anche tenendo conto che al tempo non erano ancora stati pubblicati altri articoli tecnici “di supporto”, che consentissero anche ai non addetti ai lavori di acquisire perlomeno i concetti per poter comprendere argomenti abbastanza complessi.
E’ però arrivato il momento di ritornare su quei temi, con una trattazione più articolata (ma, promesso, comprensibile a tutti). Quell’articolo, che nel frattempo è diventato il più letto tra tutti quelli presenti sul sito, aveva infatti come scopo quello di mostrare quanto peso avesse la componente aerodinamica nel comportamento della bicicletta. Si poneva quindi un obiettivo qualitativo, ovvero far acquisire un concetto, mentre il confronto quantitativo (ovvero con le cifre in gioco) si limitava a considerare il rapporto tra potenza e velocità per i tre tipi di bici, pedalate da un generico biker di taglia media (peraltro, i risultati non cambiano in modo significativo per biker di taglie differenti, ma questo lo vedremo nel seguito).
Ora, siccome quell’articolo è il più letto tra tutti, mi aspetto che anche il suo seguito sia di un qualche interesse per voi che frequentate questo spazio, e quindi… seguitiamo!
Stefano Tuveri
(ingegnere e progettista/collaudatore meccanico)
BI(KE)PLANI - In volo tra Sardegna e resto del mondo conosciuto (e non) 