Partiamo quindi dall’obiettivo di questa nuova analisi: questa volta vedremo come varia la resistenza aerodinamica della bicicletta al variare di tutti gli elementi che la determinano, quindi la taglia del ciclista, la sua posizione in sella, l’assetto della bici, e in generale tutto ciò che ne determina la geometria.
Come visto nel caso dei profili alari, anche per la bicicletta esistono degli studi che forniscono le caratteristiche aerodinamiche relative a tutta una serie di geometrie di riferimento, grazie alle quali è possibile studiare, interpolandone i dati, qualunque sistema bici+biker. Chiaramente, se dovessimo poi partecipare ai mondiali su pista (dove le vittorie si giocano sull’ordine dei millesimi di secondo), sarebbe necessario un ulteriore passaggio alla galleria del vento per correggere le eventuali frazioni di punto percentuale di cui potrebbe discostarsi quanto ricavato per via teorica. Nel nostro caso, poiché una differenza dell’1% non modifica sostanzialmente le nostre conclusioni (e le nostre scelte progettuali), il passaggio conclusivo in galleria del vento è ovviamente escluso.
Per cominciare, e mostrare con un esempio pratico la “familiarità” esistente tra biciclette e profili alari, vi cito il caso della disposizione “a ventaglio” che i ciclisti su strada assumono in caso di vento laterale. Grazie a quel particolare tipo di allineamento assunto dai ciclisti, la velocità aumenta notevolmente, al punto che coloro che non riescono a entrare in un “ventaglio” subiscono dei distacchi notevoli. Vi siete mai chiesti perché ciò avvenga? La causa è anche stavolta di natura aerodinamica, ed è spiegata dalle leggi della fluidodinamica.
Infatti, i ciclisti che si dispongono affiancati e disposti obliqui rispetto alla direzione del vento, costituiscono a tutti gli effetti un profilo alare. L’inclinazione dell’ala dev’esser tale che il primo ciclista investito dal vento sia quello in posizione più avanzata. O, che è lo stesso, l’inclinazione dell’ “ala” dev’esser tale che il vento colpisca la sua parte posteriore.
Su un’ “ala” così disposta, si genera una portanza analoga a quella che tiene in aria un velivolo. Ma che cos’è la portanza? La portanza è quella spinta, ovvero forza, che viene generata grazie alla particolare geometria di un’ala. Da cosa viene originata? Dal fatto che la geometria dell’ala fa seguire al flusso una traiettoria che genera nella parte inferiore una pressione maggiore rispetto a quella agente sulla parte superiore, ma fermiamoci qui. Ne parleremo un’altra volta, per adesso accontentiamoci di sapere che la portanza, nel caso di un velivolo, è quella forza diretta verso l’alto (ma è più giusto dire “con una componente diretta verso l’alto”) checontrapponendosi alla forza peso lo tiene in aria.
E nel caso del ventaglio, in cosa consiste questa portanza? Consiste in una spinta in avanti che agisce sull’ “ala”, e quindi spinge ciascuno dei ciclisti che la compongono. In pratica, grazie al ventaglio, si può dire che i ciclisti che lo compongono volino, quasi letteralmente!
Avete visto? Ciclismo e Aeronautica sono molto più vicini di quanto si pensi. E in fondo, “Bi(ke)plani” sintetizza questo far parte di uno stesso cielo.
Bene, e a questo punto iniziamo ad analizzare la bicicletta, e in particolare i componenti coinvolti nella sua aerodinamica.
Il primo componente a impattare col flusso d’aria è ovviamente la ruota anteriore. La sua azione consiste nell’aprire letteralmente il flusso d’aria, che quindi viene orientato in modo da superare il resto della bicicletta, che di conseguenza avrà meno difficoltà a “immergersi” in esso.
Già da questa prima considerazione, ci rendiamo conto di come la resistenza aerodinamica non dipenda solo dalla componente della superficie che si oppone frontalmente al flusso d’aria (ovvero, la proiezione della superficie sul piano ortogonale al flusso), ma dipenda anche dalla posizione in cui questa superficie si trova e, come dovrebbe essere intuitivo, dalla sua forma.
L’espressione della resistenza aerodinamica è: R=½cr ρAv2
Vediamo rapidamente il significato di questi termini, perché ci consentiranno di capire meglio in cosa consista la resistenza aerodinamica. Quella indicata con “A” è la proiezione della superficie sul piano perpendicolare alla direzione del flusso. “cr ” invece è il coefficiente di resistenza aerodinamica. Il suo valore è strettamente legato alla geometria del profilo (intendendo come tale tutto ciò, che sia una ruota, un ciclista, una pala di turbina eolica o quant’altro, soggetto al flusso d’aria), e dipende da quanto questo è in grado di farsi “scivolare” addosso il flusso generando maggiori o minori perdite di energia.
Seguite bene adesso questo passaggio, perché è fondamentale: la resistenza aerodinamica che si oppone al flusso dipende dalla superficie frontale “A” del profilo aerodinamico, ma anche dalla aerodinamicità della sua “forma”. Vediamo di spiegarci: supponiamo di avere una superficie rettangolare esposta al vento, e che questa abbia dimensione 50x50cm2 e sia inclinata di 30° rispetto alla direzione del flusso d’aria. Si avrà allora che la sua proiezione sul piano ortogonale al flusso d’aria (ovvero quella che chiamiamo “superficie frontale”) avrà ancora base di 50cm, ma altezza di 25cm (perché 50*sen(30°)=25). Il fatto che si disponga inclinata di 30° rispetto al flusso d’aria, agevola il suo scorrere lungo di essa, e questo determinerà un certo valore di “cr ”. Consideriamo adesso invece una superficie di 50x25cm2, stavolta però disposta perpendicolarmente rispetto al flusso d’aria. E’ chiaro che la sua proiezione sul piano ortogonale al flusso sarà identica a se stessa, ovvero sempre una superficie di 50x25cm2. Allora, per entrambe le superfici (quella inclinata di 30° e quella perpendicolare al flusso) il valore di “A” sarà lo stesso (50x25cm2). Però la superficie ortogonale al flusso, come è intuitivo, opporrà una maggiore resistenza allo scorrere dell’aria, che andrà a “rimbalzare” su di essa invece che scorrervi sopra, e questo genererà delle perdite energetiche maggiori. Ecco perché, a parità di “A”, la superficie inclinata di 30° avrà un valore di “cr ” più piccolo e, di conseguenza, provocherà delle perdite energetiche minori. In parole povere, avrà un miglior comportamento aerodinamico.
Ricordiamoci bene quanto abbiamo visto qua sopra, perché sarà fondamentale per comprendere i passi successivi di quest’analisi.
Per il resto, nell’espressione della resistenza aerodinamica compaiono la densità dell’aria “ρ” e il quadrato della velocità “v2”. Mentre la densità dell’aria ci interessa poco per il nostro discorso, è invece importantissimo notare come la resistenza dipenda dal quadrato della velocità che ha la bici rispetto all’aria. Notare che conta non la velocità cui viaggia la bici, ma quella rispetto all’aria. Questo significa che, in caso di vento, lo sforzo sui pedali aumenterà parecchio. O meglio, siccome “parecchio” non è una quantità che abbia senso in Fisica, consideriamo un ciclista che viaggi a 20km/h, prima in assenza di vento e poi con vento contro a 10km/h. Nel secondo caso, la velocità della bici rispetto all’aria sarà pari a 20+10=30km/h. Poiché 30 è 1,5 volte 20, la resistenza aerodinamica sarà pari a 1,52=2,25. Quindi possiamo affermare due cose: che è sufficiente un vento contrario di appena 10km/h per più che raddoppiare la resistenza aerodinamica pedalando a 20km/h, e che il vento contro è la peggior rottura di scatole per un ciclista.
Bene, a questo punto dovremmo avere abbastanza informazioni per acquisire i concetti che stanno alla base della fluidodinamica, e per prendere un po’ di confidenza con questa materia.
Torniamo allora al nostro “sistema aerodinamico” bici+biker, e continuiamo a seguire il flusso d’aria mentre lo ripercorre. Avevamo già visto come la ruota anteriore sia il primo elemento a “impattare” il flusso, aprendolo e orientandolo. Lo aprirà in orizzontale, ma anche in verticale, agevolando il lavoro delle gambe, che incontreranno una resistenza minore dell’aria.
E’ però importante sottolineare un altro aspetto fondamentale nel comportamento aerodinamico. Infatti, non conta solo la parte del “sistema aerodinamico” che impatta col flusso, ma è altrettanto importante la parte che accompagna il flusso verso l’uscita, ovvero fino a lasciare, nel nostro caso, bici+biker. Infatti è importante che l’aria venga accompagnata, durante il suo passaggio, in modo che abbia una traiettoria più regolare possibile, senza cambi bruschi di direzione, e soprattutto che una volta lasciati bici+biker riprenda la sua originaria traiettoria rettilinea con le minori perdite energetiche possibili (il tutto chiaramente considerando il moto relativo dell’aria rispetto alla bici, laddove invece in realtà l’aria è ferma ed è la bici, muovendosi, ad “immergersi” in essa). Ad esempio, passando alle auto, una con coda tronca avrà caratteristiche aerodinamiche peggiori di una che abbia una coda affusolata (è sufficiente il confronto tra uno stesso modello di auto, nella versione berlina o station vagon, e quindi identiche a eccezione della coda, semplicemente andando a vedere i tempi di accelerazione 0-100km/h).
Perché è importante aver chiaro che il comportamento del flusso è determinante lungo tutto il tragitto, finchè non abbandona bici+biker, e non solo nella zona di impatto? Ad esempio, lo è per disporre nel modo migliore il bagaglio su una bici in assetto da viaggio. Pensate alla forma di un’ala; la parte più affilata non è quella anteriore, ma quella posteriore, che ha il compito di accompagnare il flusso fino all’uscita nel modo più regolare. Questo significa, ad esempio, che nella scelta dei borsoni laterali posteriori è meglio preferirli lunghi e stretti, in modo che sporgano lateralmente il meno possibile e che il volume si sviluppi in verticale invece che in orizzontale. Per motivi analoghi, il borsone posteriore da bikepacking posto a sbalzo sopra la ruota posteriore, essendo piuttosto lungo e in posizione molto alta (spesso anche inclinato verso l’alto), peggiora la regolarità del flusso che scende dopo aver superato il busto (è un effetto analogo a quello della coda tronca sulle station vagon), e incide negativamente sull’aerodinamica più di due borse laterali scelte con criterio (ovvero, come detto prima, lunghe e poco sporgenti). Paradossalmente (visto il costo notevole delle borse da bikepacking), è molto meglio legare (con normalissime corde elastiche) uno zaino sul portapacchi posteriore, perché si troverà in posizione più bassa (più vicino alla ruota) e si allungherà molto meno in orizzontale (l’ideale è metterlo con la parte inferiore, che è più spessa, sotto la sella).
Alla luce di queste considerazioni, credo che a questo punto siate in grado di capire da soli cosa si può dire riguardo invece al bagaglio posto nello zaino sulle spalle. Se lo zaino ha una larghezza non superiore a quella del busto ed è di dimensioni “ragionevoli” (dai 20 ai 30 litri), l’incremento che determina sulla resistenza aerodinamica è inferiore rispetto a quello delle borse, qualunque esse siano, appese alla bicicletta. Il flusso d’aria infatti mantiene una sua regolarità anche con la sua presenza, senza una significativa deviazione del flusso in uscita. E’ in effetti la modalità di trasporto del bagaglio che preferisco, per una questione di praticità uso esclusivamente questa, ma mi rendo conto che per viaggi oltre le due settimane può esser necessaria qualche altra borsa, e inoltre servono spalle abbastanza forti. L’alternativa che suggerirei è quella di uno zaino più piccolo sulle spalle, e un altro legato sul portapacchi posteriore. Fa molto meno figo del bikepacking, ma è decisamente più funzionale, salvo chiaramente che ci si voglia pavoneggiare sui social con foto della bici imbragata come una salsiccia, millantando che un viaggio lungo strade alla portata di una graziella sia stato una supereroica impresa su sentieri da downhill, con mutande di ricambio e tonno in scatola al seguito…
Le borse che invece sono aerodinamicamente più penalizzanti, sono quelle installate sull’avantreno, e il motivo è più che intuibile. Quei borsoni laterali che “abbracciano” la ruota anteriore, costituiscono un muro che tutto fa tranne che “tagliare” l’aria. E’ vero che di norma li si vede sulle trekking bike di anziani cicloturisti fiamminghi che viaggiano sotto i 15km/h (velocità alla quale la resistenza aerodinamica è bassa), ma è sufficiente un vento contro a 10-12km/h per sentirsi come d’autunno sugli alberi le foglie…
Oltre a questa penalizzazione, i borsoni sull’avantreno peggiorano enormemente l’agilità dello sterzo, per cui non utilizzarli migliora anche la sicurezza in sella.
E la borsa da manubrio? E’ senz’altro comoda, io non ne faccio mai a meno in viaggio, perché vi si ripongono gli oggetti che occorre avere a portata di mano (compreso un po’ di cibo). Come posizione, meglio che stia più arretrata possibile, quindi sopra il manubrio invece che davanti (sempre per assecondare il flusso dell’aria).
Con queste ultime considerazioni sul bagaglio, possiamo concludere la parte introduttiva alla fluidodinamica applicata alla bicicletta. Passiamo adesso a determinare la resistenza aerodinamica di una bicicletta, che come vedremo varia in funzione della tipologia (bdc, 26”, 29”, trekking bike ecc.), ma anche dell’assetto e della posizione di guida. Questo però sarà l’argomento del prossimo articolo della serie “diamo i numeri”, e se avrete un po’ di pazienza ne parleremo a brevissimo su queste pagine.
Stefano Tuveri
(ingegnere e progettista/collaudatore meccanico)
BI(KE)PLANI - In volo tra Sardegna e resto del mondo conosciuto (e non) 
Trattazione molto esauriente.
Complimenti.
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