Era la fine del 2016, e dopo aver dedicato tanto tempo a studiare i “segreti” del “motore” della bicicletta, decisi di renderli disponibili a tutti, pubblicando una serie di analisi tecniche in cui provavo a tradurre nella forma più semplice possibile i risultati dei miei studi.

Volevo consentire, anche a coloro che non hanno una formazione specifica, di cogliere i principi che regolano la dinamica della bicicletta, e per far questo cercai di spiegare non le formule (impossibile, e tutto sommato inutile, in questo contesto), ma i concetti che spiegano e descrivono questo argomento.

Il cuore della questione è contenuto nelle curve caratteristiche del “motore”, ed è da lì che tutto discende. Tutte le analisi tecniche pubblicate successivamente, che analizzano i tanti aspetti della dinamica della bicicletta, altro non sono che delle conseguenze che derivano da quei concetti essenziali e profondi insiti nel diagramma forza-velocità o, con analogo significato, coppia-velocità angolare. La forza è quella che il biker applica sui pedali, e la velocità è quella con cui i pedali ruotano (e che, tramite la trasmissione e le ruote, viene “trasferita” alla bicicletta). La coppia sarà quindi data dal prodotto F*r, dove r è la lunghezza della pedivella, e la velocità angolare sarà pari a v/r.

Vediamo allora di spiegare significato e utilità delle curve caratteristiche, descrivendone i punti fondamentali:

• Il primo punto riguarda la situazione cui si riferisce questo diagramma. La retta disegnata sul diagramma, rappresenta la relazione (o, per dirla semplice, il legame) tra coppia e velocità angolare generate da un biker, quando l’intensità dello sforzo è costante. Che cosa significa intensità dello sforzo costante? Significa che il biker sente che l’intensità dello sforzo è la stessa, in qualunque punto della retta si ritrovi a pedalare (e non è una “sensazione psicologica”, ma una oggettiva realtà basata sulle leggi della Fisica)
• Il secondo punto completa il primo. Le curve caratteristiche rappresentate sul diagramma, si riferiscono a un determinato stato di sforzo. Un po’ come quando, in auto, pigiamo l’acceleratore di un certo tanto. Se dovessimo pigiarlo un po’ di più o, tornando alla bici, se dovessimo incrementare lo stato di sforzo. avremmo un diagramma con un’altra retta C- ɷ (con coppia massima C₀ e velocità angolare massima ɷ₀ maggiori, ma con lo stesso coefficiente angolare o, se preferite, la stessa inclinazione)
• Il terzo punto nasce da un’osservazione abbastanza semplice. Coppia e velocità angolare sono rappresentate da una retta, secondo l’equazione ɷ=k*(C₀-C). La potenza quindi non è costante lungo la retta. Infatti, poiché la potenza è pari a P=C*ɷ, sostituendo l’espressione di ɷ ho che P=k*(C₀*C-C²), che è l’equazione di una parabola (e quindi il valore della potenza P sarà massimo in corrispondenza del vertice della parabola)
• Il quarto punto è consequenziale al terzo, e riguarda il rendimento. Muovendoci lungo la retta Coppia-velocità angolare, si va dall’origine del sistema d’assi, in cui la coppia è nulla e la velocità angolare è massima (pari a ɷ₀), fino al punto in cui la retta interseca l’asse orizzontale, dove la velocità è pari a zero e la coppia è massima (pari a C₀). In questi due punti estremi, il rendimento è pari a zero, perché lo sforzo compiuto dal biker genera una potenza nulla (come si vede nel diagramma)
• Il quinto punto è relativo a come varia il rendimento al variare di coppia e velocità. Vedendo la sua curva sul diagramma, si vede che il valore massimo non è in corrispondenza del valore massimo della potenza, ma si trova più a destra
• Il sesto punto altro non è che la spiegazione, in termini concettuali, del perché il rendimento abbia questo “comportamento”. Ciò che infatti si trascura sistematicamente, specie nelle “spiegazioni empiriche” date dai medici sportivi (che per dare una base scientifica al proprio lavoro, dovrebbero farsi affiancare dai Fisici, oltre che approfondire la conoscenza di quella disciplina fondamentale che è appunto la Fisica), è che quando si pedala è ovviamente necessario muovere le gambe. E le gambe non sono un elemento energeticamente neutro, dato che hanno una loro massa e per poter essere tenute in movimento richiedono che si fornisca loro un certo quantitativo di potenza (potenza sottratta a quella motrice, e che quindi penalizza il rendimento)
• Il settimo punto completa il punto precedente. Infatti, a parità di potenza motrice erogata, quanto più veloce ruotano le gambe (ovvero, quanto più agile pedaliamo, a parità di velocità cui viaggiamo), e tanto maggiore è la potenza necessaria per muoverle (dato che la potenza è pari a P=C*ɷ, e se aumenta la velocità angolare ɷ cui ruotano le gambe, aumenta anche la potenza di cui necessitano). Ecco perché il rendimento massimo lo si ha per una frequenza di pedalata più bassa rispetto a quella cui corrisponde la potenza massima
• L’ottavo punto ha un’importanza fondamentale dato che, sulla base dei sette punti precedenti, si determina qual’è l’intervallo entro cui si deve pedalare, se si vuole ottimizzare la resa sui pedali. Questo intervallo, come si vede nel diagramma, è dato dalla fascia compresa tra la situazione di massima potenza (pedalata “in agilità”) e quella di massimo rendimento (pedalata “di forza”). Pedalare fuori da quest’intervallo, significa far calare brutalmente le proprie prestazioni o, per dirla terra terra, faticare per niente.

Bene, con questi otto punti abbiamo dato una descrizione di ciò che è rappresentato in questo diagramma, ovvero nelle curve caratteristiche del “motore” della bicicletta.

La domanda allora è: a cosa serve tutto questo?

E’ impossibile, in questa sede, spiegare cosa c’è dietro quelle curve, ovvero quali fenomeni fisici sovrintendono e determinano questo comportamento del “motore”. Come vedrete, quindi, in certi casi la risposta non può che essere analoga a quella che ricevevamo quando, da bambini, chiedevamo spiegazioni ai nostri genitori (specie quando ci vietavano qualcosa): “E perché?! PERCHE’ SI!”

Quindi:

• perché la condizione di massimo rendimento si verifica in quel punto della curva caratteristica? PERCHE’ SI! Però possiamo definire che cos’è quel punto cui corrisponde il rendimento massimo: rappresenta la situazione in cui si pedala “di forza”. Quando viaggiamo con una determinata velocità, affrontando le corrispondenti resistenze al moto, se vogliamo pedalare in condizioni di massimo rendimento DOBBIAMO utilizzare il corretto rapporto di trasmissione. E come si determina quel rapporto di trasmissione? In tante analisi tecniche pubblicate su queste pagine, avete avuto modo di leggere varie indicazioni al riguardo, proprio per consentirvi di pedalare “di forza” o “in agilità” in differenti situazioni (asfalto, sterrato, pianura, pendenze di varia entità, ecc.). Con l’analisi personalizzata, che viene fornita ai biker che richiedono un allestimento “su misura”, si determinano tra le altre cose anche questi valori di riferimento, così da dimensionare la trasmissione in base alle loro caratteristiche atletiche (ovvero, fornire tutti i rapporti che ne ottimizzano il rendimento). Ma perchè i rapporti di trasmissione di riferimento sono proprio quelli lì? PERCHE’ SI!
• E la pedalata “in agilità”? Corrisponde nel diagramma alla situazione in cui la potenza è massima. E perché è utile pedalare “in agilità”, se il rendimento è inferiore a quello del pedalare “di forza”? Il vantaggio del pedalare in agilità è che, a parità di potenza erogata, si pedala con un’intensità dello sforzo inferiore rispetto al pedalare di forza. In questo modo si consumano meno risorse o, così si capisce meglio, si ha un minore “consumo” della muscolatura. Questo significa che, a parità di risorse consumate (ad esempio il 70% del totale, o il 90%, o… fate voi), pedalando in agilità riesco, a parità di velocità, a percorrere più chilometri. Se poi vogliamo cambiare punto di vista, possiamo dire che, a parità di chilometri percorsi e consumando una pari quantità di risorse, pedalando in agilità posso viaggiare a una velocità maggiore. Tutto questo è utile quando si percorrono lunghe distanze (i vantaggi arrivano se si pedala per più di 2h15’-2h30’, a seconda della “cilindrata” del biker). Perchè accade tutto questo? PERCHE’ SI!
• Ma allora a cosa serve pedalare di forza, ovvero in condizioni di massimo rendimento? Serve in quelle situazioni in cui si deve erogare una elevata potenza, come ad esempio in uno sprint o in una salita da affrontare a velocità sostenuta. Infatti, beneficiare di un maggior rendimento significa che, per ottenere la stessa potenza, devo consumare meno calorie (ovvero meno energia). Ricordiamo che i nostri muscoli, per bruciare il “carburante” (e quindi ottenere energia), devono consumare ossigeno. Ma l’ossigeno che gli viene fornito non può essere infinito, poichè il quantitativo massimo è quello che può esser trasportato dal sangue con una portata corrispondente alla soglia anaerobica (e ricordiamo che, generando una potenza oltre questa soglia, si produce acido lattico). Tenendo conto di tutte queste cose, siamo in grado di capire che quando pedalo di forza, grazie al maggiore rendimento, ho necessità di bruciare meno carburante per ottenere la stessa potenza. Quindi ho necessità anche di meno ossigeno per poter effettuare questa combustione. Vedendo le cose da un altro punto di vista, con la portata di ossigeno massima, pari a quella della soglia anaerobica, pedalando “di forza” riesco a erogare una potenza più elevata rispetto al pedalare “in agilità”. Infatti, avere un maggior rendimento significa, a parità di “carburante” bruciato (e quindi a parità di ossigeno consumato), ottenere un quantitativo maggiore di energia meccanica (e quindi anche di potenza motrice per cui, in parole povere, si va più veloci). Questo è il motivo per cui, ad esempio, non vedrete mai un ciclista effettuare uno sprint pedalando in agilità, ma piuttosto con un rapportone che massimizza il rendimento
• Le curve caratteristiche del “motore”, quindi, ci descrivono in modo preciso e oggettivo le… caratteristiche del motore (manco a dirlo…). Ci dicono quanti watt è in grado di erogare a seconda del regime di funzionamento (ad esempio con “acceleratore” pigiato all’80% del regime di sforzo massimo, e con rapporto di trasmissione che determina un rendimento pari a 0,24). Ci dicono qual’è la nostra potenza di soglia (ovvero il massimo dei watt che possiamo erogare senza sforare oltre la soglia anaerobica), che come visto sarà maggiore pedalando di forza (ovvero con rendimento massimo). In pratica, raccontano nel dettaglio cio che il nostro motore é, e ciò che è in grado di fare
• ma le curve caratteristiche ci forniscono anche altre informazioni utilissime. Ad esempio, ci consentono di stabilire con quale erogazione di potenza affrontare un determinato itinerario (e quindi quali velocità tenere nelle varie situazioni: pianura, salita, asfalto, sterrato, ecc.) per consumare una determinata quantità delle nostre risorse complessive (ad esempio il 90%, se non vogliamo raschiare il fondo del barile del 100%)

Bene, direi che non è il caso di appesantire il discorso, e possiamo fermarci qui, perché abbiamo visto tutti i punti fondamentali.

Chiudo con una piccola considerazione. Fino a dieci anni fa non disponevo di queste conoscenze, ma in mtb uscivo ugualmente, e mi divertivo quanto adesso. Proprio per questo motivo, per evitare che libertà e spensieratezza vengano rimpiazzate da gestioni scientifiche dei miei vagabondaggi, ci vado molto leggero con l’utilizzo di queste conoscenze, pur avendole elaborate io. Non acquisterò mai un misuratore di potenza, e non sono attratto neanche dalla meticolosa registrazione dei dati, tratto per tratto, fatta da Strava.

Però conoscere le caratteristiche del mio “motore” mi permette di gestirmi al meglio durante un’escursione. So che velocità mi conviene tenere ad esempio in una salità al 10% durante un giro di tot.km. Sono in grado di prevedere con grande precisione quanto tempo mi occorre per percorrere un certo itinerario, e questo è utile ad esempio quando, in inverno, ci sono meno ore di luce e bisogna evitare di rientrare al buio, oppure se devo prendere un treno per il rientro e sono vincolato al suo orario (ma anche se voglio rientrare per pranzo, prima che gli altri spazzolino via tutto). E soprattutto, so utilizzare in modo ottimale i rapporti della trasmissione, utilizzando esclusivamente quelli che si trovano nell’intervallo tra pedalata “in agilità” e “di forza” (ed evitando di pedalare fuori da questo intervallo, perché il rendimento crollerebbe e faticherei per niente), e questo mi permette di ottenere dei vantaggi in termini di maggior velocità, che sono di un’ordine di grandezza maggiori rispetto all’alleggerire la mtb con componenti che costano centinaia/migliaia di euro (mentre utilizzare i corretti rapporti è a costo ZERO). Insomma, posso utilizzare la mia mtb e preparare e gestire un’escursione affidandomi a dati scientifici invece che all’oroscopo, e questo lo considero un vantaggio cui sarebbe stupido rinunciare.

Ma ciò per cui queste conoscenze scientifiche mi son state più utili, è per la pianificazione di escursioni e viaggi con gli amici, in particolare quando nel gruppo si hanno condizioni atletiche molto eterogenee. In questo caso, infatti, si devono coordinare le caratteristiche dei “motori” di tutti i partecipanti, consentendo a ciascuno di gestirsi al meglio e in sintonia col resto del gruppo. In base alle caratteristiche del “motore” di ciascuno di noi, posso valutare innanzitutto se un determinato itinerario è affrontabile da tutti (e, in caso negativo, modificarlo), e quindi conoscere qual’è il passo più adatto per ciascuno, stando attento in particolare a non far andare in crisi chi ha meno “gamba”. Nei lunghi itinerari, infatti, il problema non è tenere una certa velocità (dato che in questi casi si viaggia stando ben sotto la soglia massima, e quindi non si avverte la fatica “da fiatone”), ma riuscire a mantenerla fino alla fine, evitando il rischio di svuotare il serbatorio prima dell’arrivo. Ovviamente, ogni volta “infliggo” ai miei amici l’analisi personalizzata, e assieme a poche altre ma fondamentali indicazioni (corretta pressione degli pneumatici, assetto della mtb, numero di birre da bere lungo il tragitto) si riesce ad affrontare al meglio qualunque itinerario. Sarà che ci sono persone che, a distanza di decenni, mi insultano ancora per averli convinti a fare delle escursioni, proponendogliele come “alla loro portata” (e invece hanno rischiato il pronto soccorso), ma preparare scientificamente le uscite con gli amici mi sta risparmiando tutto questo, il che non è male per la mia incolumità…

Bene, spero che questa chiacchierata tecnica vi sia stata utile, e soprattutto chiara e comprensibile. In caso non sia riuscito in questo intento, ma anche se avete curiosità e domande varie, lo spazio commenti è a vostra disposizione per tutte le domande che volete porre

Stefano Tuveri

(ingegnere e progettista/collaudatore meccanico)