Dopo aver visto perché in piano, a parità di condizione atletica, i “grossi” sono oggettivamente avvantaggiati dalle leggi della Fisica rispetto ai “piccoletti”, questa volta andiamo a vedere cosa accade in salita.

Qui la situazione si ribalta, dato che sono i “piccoletti” ad esser avvantaggiati rispetto ai “grossi” e, guarda caso, sempre per le leggi della Fisica.

Il motivo? Certo non è quello che abbiamo sentito infinite volte, anche da parte di addetti ai lavori, ovvero che essendo più leggeri i “piccoletti” salgono più rapidamente. Infatti, è vero che pesano meno, ma hanno nella stessa identica proporzione anche meno massa muscolare.

Giusto per capirci, il ciclista di 60kg e quello di 80kg con pari condizione atletica, avranno la stessa potenza specifica di soglia, ovvero la stessa potenza massima (oltre la quale si va in acido) per ciascun chilogrammo della propria massa corporea. Questo significa che ciascun chilogrammo del proprio corpo avrà a disposizione una identica potenza per esser portato su nella salita. In pratica, ipotizzando una potenza specifica di 4W/kg, il “piccoletto” avrà in totale 4*60W=240W a disposizione, mentre il “grosso avrà 4*80W=320W/kg.

Stanti così le cose, dovremmo aspettarci che due ciclisti con pari condizione atletica salgano alla stessa velocità, indipendentemente dal loro peso. La realtà invece ci dice che le cose non funzionano così, e che i “piccoletti” salgono più veloci. La realtà ci dice inoltre che, a parità di statura, i ciclisti con corporatura esile salgono più velocemente di quelli più robusti. Ciò che faremo in questa nuova analisi sarà quindi di trovare una spiegazione a questi fatti che tutti abbiamo ben chiari nella nostra esperienza.

Prima di cominciare col rispondere al domandone, è d’obbligo una premessa. Mentre nel caso dei “grossi” che, in pianura, vanno più forte dei “piccoletti”, la questione è prettamente aerodinamica, e quindi può essere affrontata in modo esaustivo con un’analisi meccanica e, più precisamente, fluidodinamica, in questo caso invece la situazione è più complessa. Prima di affrontare l’argomento, sono andato a documentarmi su come la medicina sportiva spiega il differente comportamento in salita dei ciclisti leggeri e pesanti. Ho visto che si da come spiegazione il differente comportamento metabolico di due organismi che hanno masse differenti. Chiaramente prendo atto di questa spiegazione così com’è, e non entro nel merito essendo io assolutamente profano in materia.

Ciò che invece farò in questa nuova analisi sarà il proporre un contributo che possa integrare quanto spiega la medicina sportiva. Per l’esattezza, attingerò alle leggi della termodinamica per aggiungere un’ulteriore, e credo fondamentale, spiegazione a questo diverso comportamento in salita tra ciclisti con masse differenti.

Partiamo col richiamare un concetto fondamentale: il corpo umano è a tutti gli effetti ciò che in meccanica si definisce una macchina motrice. Ovvero, è una macchina che consuma energia (attraverso i processi chimici che avvengono a livello cellulare) e produce lavoro. Ricordiamo che la definizione di lavoro è, richiamandone la formula, L=F*s, che significa che il lavoro è dato dal prodotto della forza applicata, moltiplicata per lo spostamento da essa generata (è un prodotto scalare, per cui va considerata la componente della forza lungo la direzione dello spostamento).

Andando subito al caso pratico che ci interessa, il lavoro che il ciclista compie quando pedala è dato dalla forza che applica sui pedali, moltiplicata per lo spostamento degli stessi pedali (considerando la componente della forza nella direzione dello spostamento, come detto poco sopra, ovvero nella direzione circonferenziale).

Se il corpo umano è a tutti gli effetti una macchina motrice (macchina che viene comunemente definita motore), allora per quanto sia infinitamente più complicato di un quattro cilindri automobilistico, sarà comunque sottoposto alle stesse leggi della Fisica. In particolare, così come avviene in un qualunque motore automobilistico, dalla combustione del carburante si ottiene sia energia meccanica che termica.

E come nel caso del motore automobilistico, salvo che la si usi per il riscaldamento dell’auto, l’energia termica deve essere dispersa nell’ambiente esterno, in modo da evitare che il motore si surriscaldi e le sue prestazioni decadano fino a poter giungere al suo danneggiamento.

Anche il nostro organismo infatti necessita di avere una temperatura costante, intorno ai 37°C, e per far questo elimina tramite sudorazione e/o ventilazione il calore in eccesso.

Giusto per avere un’idea di quanto calore sia necessario dissipare mentre pedaliamo, teniamo conto che in una bicicletta il rendimento del “motore” umano è di circa 0.22-0.25 quando lavora in condizioni ottimali (ovvero, quando lavora all’interno dell’intervallo tra la pedalata in agilità e quella di forza; fuori da quest’intervallo, il rendimento ha un rapido decadimento). Significa che solo il 22-25% dell’energia utilizzata viene trasformata in lavoro meccanico alla ruota (22% per pedalata in agilità, 25% per pedalata di forza). Che accade allora della restante energia utilizzata? Una parte viene consumata per far muovere le gambe (che hanno un’inerzia, peraltro di norma incredibilmente ignorata dai vari “giornaletti tecnici online” che si avventurano in considerazioni sul dispendio energetico), mentre la restante si trasforma in calore e deve essere dissipata verso l’esterno. Questo significa che, se ad esempio pedaliamo erogando 250W di potenza meccanica (quella che scarichiamo sui pedali), produciamo ben 500-560W di energia termica (500W pedalando di forza e 560W pedalando in agilità).

Piccola nota: in tempi di forum e social, quando arriva l’inverno una delle domande più ricorrenti è “come mi devo vestire per non aver freddo?”. E’ chiaro che il ciclista allenato che viaggia erogando una potenza specifica di 3,5-4W/kg (che, se pesa 70kg, equivalgono a 245-280W di potenza erogata, ovvero la potenza che in mtb consente di andare a 30-32km/h in piano, e in bdc a quasi 40km/h), produrrà una quantità tale di energia termica che gli consentirà di scaldarsi e di necessitare di un certo tipo di abbigliamento. Il ciclista meno allenato, che ad esempio viaggia a 2W/kg (che in mtb equivalgono ad andare a circa 23km/h in piano, e a 30km/h in bdc), produrrà proporzionalmente alla potenza meccanica anche circa la metà di calore. Quindi si scalderà molto meno, e inevitabilmente in inverno avrà bisogno di vestirsi più pesante.

Facciamo poi un’osservazione, semplice e fondamentale per aiutarvi a inquadrare la situazione che stiamo analizzando. Da due anni, in concomitanza con l’arrivo della pandemia, in tanti hanno acquistato i rulli per poter continuare a pedalare anche a casa. Ciò che si è sperimentato da subito è la grande difficoltà che si ha a raffreddare il proprio corpo. Manca infatti la ventilazione naturale che la bici fornisce grazie al suo movimento relativo rispetto all’aria. Quest’aerazione naturale chiaramente è tanto maggiore quanto più alta è la velocità cui si viaggia. Così, se in piano a velocità intorno ai 30km/h (o più alte, se si usa la bdc) l’aria riesce ad asportare una grande quantità di calore, in salita con velocità molto più basse il raffreddamento è decisamente più difficoltoso (ci si trova in una situazione molto simile a quella dei rulli).

Da quanto visto, è quindi evidente come la situazione più critica per il raffreddamento dell’organismo sia la salita. Non riuscire a smaltire il calore prodotto in eccesso, fa si che il “motore” non lavori in condizioni ottimali, con conseguente peggioramento delle prestazioni (analogamente a quanto accade a un motore automobilistico).

E’ quindi determinante, anche in questa situazione critica, riuscire a smaltire più calore possibile.

E’ a questo punto che va fatta un’osservazione fondamentale, ovvero: il nostro organismo scambia calore con l’esterno (e quindi lo dissipa) attraverso la sua superficie o, se preferite, tramite il suo strato più esterno costituito dalla cute.

Bene, sarà mica qui il segreto che ci svela perché i “piccoletti” sono avvantaggiati rispetto ai “grossi”?

Ebbene si, la risposta al nostro domandone è proprio qui, e per l’esattezza è data dalla maggiore superficie esterna, rapportata al volume del proprio corpo, di cui dispongono i “piccoletti” rispetto ai “grossi”.

In pratica, la spiegazione è analoga a quanto visto per la resistenza aerodinamica, solo che in questo caso la maggior superficie esterna in rapporto al volume è un vantaggio per i “piccoletti” (mentre, nel caso dell’aerodinamica, avevamo visto che era uno svantaggio in quanto aumentava la resistenza al moto).

Vediamo rapidamente la dimostrazione, considerando ancora due cubi di spigolo, rispettivamente, 1 e 2. Il primo avrà volume 1x1x1=1 metro cubo, e il secondo 2x2x2=8 metri cubi.

Calcoliamo la superficie esterna di ciascuna faccia, e moltiplichiamola per le sei facce. Il cubo piccolo avrà una superficie pari a (1×1)x6=6 metri quadri. Quindi, dividendo la superficie esterna per il volume, avremo 6/1=6, ovvero il cubo più piccolo avrà 6 metri quadri di superficie per ciascun metro cubo.

Il cubo grande avrà invece superficie esterna pari a (2×2)x6=24 metri cubi. Dividendo per il suo volume, avremo 24/8=3, e quindi il cubo grande avrà 3 metri quadri di superficie per ciascun metro cubo di volume.

Facendo il parallelo coi ciclisti, consideriamo il volume del cubo come equivalente alla sua massa muscolare. Come detto prima, durante la pedalata i muscoli producono energia meccanica ma anche calore. Il cubo grande allora avrà 3 metri quadri di superficie di scambio (ovvero di cute) per ciascun metro cubo di muscoli (e del relativo calore prodotto e da smaltire). Il cubo piccolo invece avrà il doppio, ovvero 6 metri quadri di superficie di scambio, per smaltire la stessa quantità di calore (la stessa in quanto prodotta anch’essa da ciascun metro cubo di muscoli).

Passando dai cubi ai ciclisti è evidente, da quanto appena visto, che il ciclista piccolo ha, grazie a delle “semplici” leggi della geometria, la possibilità di raffreddarsi meglio rispetto a un ciclista grosso. Infatti la superficie esterna di cui dispone, che rapportata al volume del proprio fisico è maggiore, gli da la possibilità di scambiare più energia termica con l’esterno, in quanto sarà maggiore la quantità d’aria che, anche a basse velocità, vi scorrerà sopra portando via calore. Anche il sudore, venendo distribuito su una superficie più estesa proporzionalmente al volume, sarà facilitato nel passare alla fase vapore trasferendosi all’aria, lasciando spazio a nuovo sudore che a sua volta sottrarrà ulteriore energia termica.

Direi che quanto visto fin qui è abbastanza chiaro, e dovreste averlo compreso tutti quanti senza grossi problemi.

E’ opportuno puntualizzare che il discorso fatto fin qui va bene se consideriamo due ciclisti “in scala” tra loro. Ovvero, con analoghe proporzioni fisiche, ma dimensioni differenti (proprio come i due cubi usati per l’esempio).

Noi però sappiamo che nel mondo del ciclismo c’è un’altra categoria che va piuttosto forte in salita, ed è quella degli spilungoni, ovvero ciclisti molto magri rispetto alla loro statura (alla Froome, tanto per capirci). L’esperienza ci dice che, a parità di statura, un ciclista magro è avvantaggiato rispetto a uno più robusto. Due fisici del genere però non possono essere certo considerati in scala, perché le loro proporzioni fisiche sono differenti. Cambia allora qualcosa rispetto a quanto visto prima? Possiamo ragionevolmente affermare di no! Infatti, se consideriamo due parallelepipedi, uno “magro” con base 1×1 e uno “robusto” con base 2×2, ed entrambi con altezza 10, abbiamo che il primo avrà volume 10 metri cubi e il secondo 40 metri cubi. Consideriamo la superficie esterna: il primo l’avrà pari a 42 metri quadri, e il secondo 88 metri quadri (ometto tutti questi semplici calcoli, che siete in grado di fare da soli). Rapportandola al volume, anche questa volta il “magro” avrà a disposizione circa il doppio di superficie di scambio termico per unità di volume. Come visto, questa volta il rapporto non è esattamente il doppio (vale per la superficie laterale, ma non per le due facce inferiore e superiore), ma siccome il corpo umano (al pari dei due parallelepipedi presi in considerazione) ha un’altezza molto maggiore rispetto a larghezza e profondità, il discorso continua a essere valido.

Queste sono le considerazioni di tipo termodinamico che vanno fatte per comprendere per quale motivo, in condizioni di scarsa ventilazione (come accade in salita a causa delle basse velocità), i “piccoletti” hanno degli oggettivi vantaggi rispetto ai “grossi”.

Vediamo un esempio pratico, per renderci conto della penalizzazione per un ciclista “grosso” in termini di smaltimento di calore.

Prendiamo ancora i due ciclisti visti nell’analisi dedicata alle differenze aerodinamiche tra “grossi” e piccoletti”. Uno pesa 60kg e l’altro 80kg, e quindi il rapporto tra i rispettivi volumi (analogo a quello tra le rispettive masse) è di 1,33. Se fossero dei cubi, il lato si otterrebbe con la radice cubica del volume. Possiamo ragionare analogamente, e abbiamo che il rapporto tra i “lati” di questi due ciclisti è pari alla radice cubica del rapporto tra i loro volumi, e quindi è pari alla radice cubica di 1,33, ovvero 1,1. Ancora, poiché la superficie di una faccia di un cubo è pari al quadrato dello spigolo, avremo che il rapporto tra le superfici dei due ciclisti sarà pari al quadrato di 1,1, e quindi pari a 1,21.

Osservando questi dati, si vede che il ciclista “grosso” ha volume, e quindi massa muscolare, maggiore di 1,33 volte rispetto al ciclista “piccoletto. Viaggiando alla stessa velocità, quindi, produrrà 1,33 volte calore da smaltire. La superficie esterna con cui il “grosso” dissipa calore è però pari a 1,21 volte quella del “piccoletto”, ma per dissipare la stessa quantità di calore (in uno stesso intervallo di tempo) avrebbe bisogno di una superficie 1,33 volte maggiore di quella del “piccoletto”.

Cosa sarà costretto allora a fare il ciclista “grosso” per non fondere in salita come un vecchio Leoncino OM degli anni ’60? Sarà costretto a ridurre il calore prodotto, in modo che la sua superficie esterna sia in grado di dissiparlo con velocità sufficiente a fargli mantenere i 37°C. In quale proporzione dovrà ridurre il calore, e quindi conseguentemente la potenza erogata? Esattamente del rapporto tra 1,33 e 1,21. E a quanto è pari questo rapporto? E’ pari a 1,1.

Questo significa che, vedendo la situazione dalla parte del “piccoletto”, potrà erogare una potenza 1,1 volte superiore (ovvero superiore del 10%) rispetto al “grosso”, senza rischiare di fondere. Cosa significa questo? Significa che, a parità di condizione atletica (ovvero a parità di potenza specifica di soglia), il piccoletto da 60kg potrà affrontare la salita ad una velocità superiore del 10% rispetto al ciclista da 80kg. Se il “grosso” sale a 10km/h, il “piccoletto” va su a 11km/h, e di fatto si allontana di un metro ogni dieci metri percorsi il che, psicologicamente, sappiamo bene quanto demoralizzi il povero passistone che in pianura tira come un treno.

Come ho puntualizzato fin dall’inizio, esistono poi delle altre differenze individuate dalla medicina sportiva (il differente metabolismo in ciclisti di stazza differente). Quanto visto in quest’analisi è pertanto il contributo che dà la Fisica al fenomeno, studiandolo sotto il profilo termodinamico, che unito al contributo dato dalla Medicina, che considera l’aspetto biologico, consente di spiegare il perché dei differenti comportamenti in salita tra ciclisti “piccoletti” (o longilinei) e “grossi”. Tutto questo mostra in modo evidente quanto sia importante che la medicina sportiva (ma vale per qualunque branca della medicina) si interfacci con altre discipline scientifiche. E si interfacci non solo per avere macchinari studiati e progettati da fisici e ingegneri, ma anche e soprattutto per collaborare con queste differenti professionalità scientifiche nell’analisi dei vari argomenti da studiare, prendendo coscienza del fatto che hanno pari peso specifico nel contribuire alla soluzione dei problemi. Ormai in qualunque ambito è necessario un approccio e un contributo multidisciplinare, perché ciascuna disciplina si è talmente specializzata che non può più esistere la figura dello “scienziato onnisciente” come al tempo dell’Antica Grecia. Un team di medicina, oggi, non può esser costituito solo da medici che, pur preparati, non hanno nel loro percorso universitario una formazione approfondita in Fisica e Matematica (giusto un esame, peraltro piuttosto semplificato), ma è indispensabile comprenda anche fisici e ingegneri. Questo è il mio pensiero, e credo sia sempre più diffuso, fatta eccezione per coloro che preferiscono continuare a vivere la medicina come ai tempi di Panoramix (il druido, o se preferite lo stregone, del villaggio di Asterix e Obelix).

Ci sentiamo alla prossima analisi

Stefano Tuveri

(ingegnere e progettista/collaudatore meccanico)