Fisica e Bicicletta

7/31/2019 Fisica e Bicicletta

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LA FISICA E LA BICICLETTA


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La bicicletta come

laboratorioequilibrio

avanzamento

cambio di direzione

bilancio energeticomeccanica


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Concetti esplorabili

attrito

rotolamento

trasmissione

momento di una forzaproduzione energetica muscolare


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LIVELLO ASPETTI DOMINANTIAMBIENTE

caratteristiche generaliGRAVIT - ATTRITI

forze naturali: uguali per tutti

ATTREZZOcaratteristiche speciche GEOMETRIE - PROPRIET MECCANICHEtecnologie costruttive: variabili da attrezzo ad attrezzo

CORPO UMANOcaratteristiche atletiche

MOVIMENTIbiomeccanica: abilit individuali


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Tipi di attrezzobicicletta da stradabicicletta da pistamountain bike / freeridebmxdownhill

trialtriciclimonocicli


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Praticamente tutti sappiamo andare inbicicletta ma pochissimi sanno perchriusciamo a farlo; anche la conoscenza dellasua meccanica generalmente scarsa, puressendo la bicicletta una delle pi geniali eimportanti invenzioni della storiadellumanit.


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La complessit del sistema uomo-biciclettarisulta cos elevata che: risolvere il problemadellinterazione uomo-macchina nel caso delvolo di gran lunga pi facile che studiarelequilibrio di una bicicletta, dal momento chenel primo caso il pilota molto pi leggerodellaereo (Bicycling Science - D. G. Wilson)


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Poich il lavoro sulla bicicletta pu essereprotratto per lungo tempo anche da individuiscarsamente o per nulla allenati, questoattrezzo permette di studiare le diverse fasidella produzione energetica a livellomuscolare, mettendo bene in evidenza ipassaggi attraverso le diverse fasi di re-sintesi dellATP.


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EQUILIBRIOuna ruota libera rotola inequilibrio sino a quando lasua velocit / velocitangolare non scende al disotto di un valore di soglia

se blocchiamo il movimentodel manubrio non riusciamoa rimanere in equilibrio,qualunque sia la velocit

annullando il momentoangolare della ruotaanteriore siamo ancoracapaci di rimanere inequilibrio D. E. Jones, Physics Today, Aprile 1970


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Dobbiamo concludere che se per la ruotalibera lequilibrio di tipo giroscopico, lostesso non vale nel caso di una bicicletta, in

caso contrario Mr. Jones sarebbe caduto.Il ruolo della ruota anteriore risultafondamentale per lequilibrio, anche senzalintervento umano.


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T


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Angolando il manubrio spostiamo lasse sella-pivot fuori dalla linea congiungente i duepunti di contatto delle ruote sul terreno -la ruota posteriore ruota attorno alla zona diappoggio - la rigidit del triangolo porta labicicletta ad inclinarsi dalla stessa parte

la bicicletta inizia a curvare nel versodellinclinazione

si genera una accelerazione centrifugaapplicata al centro di massa che riporta la

bicicletta verso la verticaletutto questo accade anche senza alcunintervento da parte del ciclista


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Se la distanza T fosse uguale a zerolaccelerazione centrifuga farebbeimmediatamente cadere la bicicletta nel versoopposto alla curva

se il manubrio bloccato la bicicletta sicomporta come un pendolo invertito e unavolta perso lequilibrio non pu pi

recuperarlo


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Ruota posteriore

Ruota anteriore

Osservando il tracciato lasciato dalle ruote

di una bicicletta vedremo che entrambehanno un moto oscillatorio, quella anteriore

pi ampio di quella posteriore


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La situazione illustrata mostra il comportamentonellesecuzione di curve strette a velocitrelativamente bassa

maggiore la velocit, minore sar langolazionedel ciclista che dovr invece spostare pi massaverso linterno della curva per compensare ilmomento generato dalla forza centrifuga


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Nel caso di salite molto ripide, con terreno instabile necessario spostare il centro di massa molto avanti perevitare la perdita di aderenza della ruota anteriore,

esercitando contemporaneamente una pressione sullaruota posteriore sufciente a fornire la spinta senzaslittamenti

I tre punti in cuisi scarica il peso

del ciclistadurante una salita


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In discese molto ripide si deve avvicinare il centro dimassa al terreno spostandolo il pi lontano possibile dalmanubrio; questo perch ogni decelerazione provoca

linsorgere di un momento rispetto al punto di contattodella ruota anteriore dovuto allinerzia del centro dimassa. Allo scopo di ridurne gli effetti si adotta la tecnicadel fuorisella.

I


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Il ciclista esercita una forza propulsiva F pcontro il terreno. Per mantenere una velocitcostante questa deve essere uguale alla sommadelle forze contrarie al movimento. Queste

sono:resistenza dellaria F aresistenza del piano inclinato F s

resistenza al rotolamento F rresistenza dovuta al terreno irregolare F bFp - (Fa + Fs + Fr + Fb) = FAcc = ma


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Il sistema di trasmissione della biciclettapresenta la possibilit di utilizzare un certonumero di combinazioni corona-pignone in mododa fornire al ciclista una leva favorevole perogni diversa tipologia di percorso.Il rapporto tra la velocit della pedalata equella rispetto al terreno dato, trascurandogli attriti, da:


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Possiamo esprimere le forze in gioco nelleforme seguenti (tralasciamo le irregolarit delterreno):

Attrito aria: F a = Ka(v + vw)2 {Ka = [0.1 0.3]}

Pendenza: Fs = mg sin( )

Rotolamento: Fr = Crmg {Cr = [2 10-3 8 10-3]}

drag factor velocit dellaria

pendenza

coefciente attrito


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Tenendo conto, attraverso il coefciente ,delle perdite dovute agli attriti delle partimeccaniche in movimento, possiamo scrivereunespressione per la potenza sviluppata dalciclista:

Wp = Wc = Fpv = [Ka(v + vw)2 + mg (sin( ) + Cr)]v

potenza erogatadalla ruota

motrice

potenza sviluppatadal ciclista


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Esempio di calcolo:massa ciclista = 55.9 kg (Pantani)massa bicicletta = 7.3 kgdistanza percorsa = 13.84 km (Alpe dHuez)pendenza = 7.9% = 4.5 sin( ) = 0.08velocit media = 6.12 m/s = 22 km/h

Si ha:peso sistema = (55.9 + 7.3) 9.8 = 619.4 NFs = 619.4 0.08 = 49.5 NFa = Kav2 = 0.3 (6.12)2 = 11.2 NFr = Crmg = 0.003 619.4 = 1.9 N

Per cui:F = Fa + Fs + Fr = 11.2 + 49.5 + 1.9 = 62.6 N


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La potenza erogata quindi:Wp = 62.6 6.12 = 383 W

Che assumendo per un valore di 0.95 ci da:Wc = Wc / = 383 : 0.95 = 403 W

mantenuti per circa 38 minuti.


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BIBLIOGRAFIAWhitt, Frank Rowl and David Gordon Wilson, BicyclingScience (Cambridge, Mass.: The MIT Press, 1994)

Jones, David E.H., "The Stability of the Bicycle" , Physics Today (April1970)Banten, D. and C. Miller, "The Geometry of Handling", Bicycling(Emmaus, Pa., July 1980)


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Grazie per lattenzione!

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