[IL TELAIO – ECCO I MOTIVI DELLE NOSTRA SCELTE] 1 febbraio 2020

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Un miglior materiale vuol dire sempre maggior durata nel tempo,

ma anche più rigidità e migliori prestazione.

Progettare un monociclo può essere fatto in molti modi,

ma solo pochi di essi sono quelli giusti.

Innanzitutto la FORMA che definisce l’utilizzo.

Nel monociclo possiamo dividere i telai in due macro-famiglie:

telai QUADRI, fatti per eseguire trick che richiedono un appoggio dei piedi (Freestyle,

Flatland, One Foot Race),

telai TONDI, che eliminano il fastidio dello spigolo quando l’uso non richiede appoggi sul

telaio (mountain unicycling, trial, road).

Ovviamente esiste l’uso “COMBINATO” soprattutto nella taglia 19”-20”, dove è giustificato l’uso

di un telaio quadro anche per specialità dove si potrebbe farne a meno.

La prima caratteristica da considerare è la ROBUSTEZZA,

che deve permettere l’utilizzo dello strumento senza incorrere in cedimenti. La robustezza richiesta varia a seconda dell’utilizzo, del peso e della forza del monociclista. Purtroppo molte volte abbiamo visto monocicli, seppur

sufficienti da un punto di vista di robustezza per una ragazza

di ca. 50 kg, rompersi nel giro di pochi minuti se prestati ad

un amico con una struttura fisica più forte e pesante.

La prossima caratteristica importante è la RIGIDEZZA della

struttura. La rigidezza è determinata da:

MATERIALE, cioè dipende dalla quantità di materiale e

dal materiale stesso.

FORMA DELLA SEZIONE, in un tubo la forma della

sezione definisce la rigidezza e la robustezza finale. All'aumentare del diametro a parità di peso, diminuisce lo spessore ed aumentano rigidezza e robustezza (non possiamo usare spessori troppo ridotti perché il monociclo è spesso sottoposto ad urti imprevedibili.

VINCOLI, facciamo un esempio: a parità di forma e materiale un palo vincolato ai due estremi

ha una maggiore rigidezza di un palo ancorato ad un solo estremo.

Cosa è la RIGIDEZZA?

In generale si dovrebbe usare il termine

rigidità quando si parla di un

materiale, di rigidezza quando si parla

di una struttura.

Un'alta rigidità si ricerca quando si

vogliono basse deformazioni,

una bassa rigidità quando è richiesta

flessibilità.

Cosa è la ROBUSTEZZA?

Questo aggettivo, che deriva dal

Latino “robustus”, si riferisce a ciò che

è solido, forte o vigoroso. E’ la capacità

di un corpo di opporsi alla

deformazione elastica provocata

da una forza applicata, quindi di

resistere bene alle sollecitazioni, senza

flettere, deformarsi né rompersi.

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Più un telaio è rigido, più veloce e precisa sarà la sua risposta ai nostri impulsi/comandi.

Come un bisturi, il telaio deve essere prima di tutto preciso. Una lama che si piega o vibra renderà

il lavoro del chirurgo difficile o impossibile. Lo stesso vale per il nostro monociclista che,

diventando sempre più bravo, avrà sempre di più l’esigenza di eseguire determinati Trick con la

precisione di un chirurgo.

Nel Freestyle, nel Trial, ma anche nel Mountain Unicycling (Muni) un telaio “morbido” o

“flessibile” sarà sempre più inefficace o addirittura

pericoloso.

Gli ultimi due aspetti comunque da considerare

sono il PESO e la DURABILITA’ del monociclo,

che sono il risultato dell’insieme delle scelte del

progettista che dopo aver deciso FORMA –

GRADO DI ROBUSTEZZA – LIVELLO DI

RIGIDITA’, decide tutti i dettagli del progetto,

ovvero: MATERIALI, DIMENSIONI e VINCOLI

che sono gli elementi che definiscono il telaio.

A parità di peso, l’alluminio è più rigido e costoso, l’acciaio è più economico e più flessibile.

* i telai Mad4One in acciaio (stiamo parlando della famiglia URC, acronimo di UnaRuota.Com), sono realizzati

con l‘ acciaio al cromo-molibdeno Cr-Mo 4130, una lega di acciaio che garantisce una maggiore resistenza al

carico, un peso specifico inferiore e una migliore resistenza alla trazione rispetto all'acciaio non legato.

Cosa è la DURABILITA’ di un materiale?

La durabilità o durevolezza o durata nel tempo

è la capacità di un prodotto di rimanere

funzionante senza eccessive operazioni di

manutenzione o riparazioni, nelle condizioni

normali del suo ciclo di vita. Questa può essere

misurata in diversi modi, dipendenti dal campo

di applicazione. Per esempio in anni di vita, ore

di uso o cicli operativi.

…. E ora due parole sull’ ALLUMINIO

L’alluminio è di gran lunga il più giovane tra i metalli

di uso industriale, essendo stato prodotto per la prima

volta su larga scala industriale poco più di 100 anni fa.

Il suo simbolo è Al.. Le sue caratteristiche:

leggero (ha un peso specifico di circa un terzo

dell’acciaio),

resistente agli urti,

durevole,

resistente in modo eccellente alla corrosione

riciclabile al 100%.

Per migliorare le caratteristiche meccaniche si

aggiungono all'alluminio determinati quantitativi di

elementi alliganti (avremo le leghe di alluminio).

Quando si combina con altri elementi, le caratteristiche

di questo metallo, che allo stato puro è tenero e duttile,

cambiano radicalmente.

Due parole sull’ ACCIAIO

Il termine acciaio indica in maniera generica una lega

tra 2 elementi principali: ferro e carbonio.

Alla lega di ferro e carbonio, che si caratterizza per le

sue notevoli proprietà meccaniche di resistenza agli

sforzi, possono essere aggiunti altri elementi quali p.es.

silicio, conferisce un‘elevata resistenza ma riduce la

saldabilità;

rame, ostacola la corrosione;

manganese, aumenta la durezza ma diminuisce

l'elasticità;

cromo*, aumenta la durezza e non riduce

l'elasticità.

La composizione della lega definisce anche la

classificazione dell’acciaio. Abbiamo infatti gli Acciai

comuni al carbonio (impiegati in applicazioni che

non hanno particolari esigenze) e gli Acciai Speciali

(che conferiscono alla lega proprietà particolari).

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Quindi parlare di alluminio e di acciaio non è sufficiente, perché esistono innumerevoli leghe di

alluminio e di acciaio con caratteristiche anche molto differenti tra di loro. La scelta del materiale

"giusto" è un elemento molto importante dell'intero progetto di un telaio.

Un’altra caratteristica spesso ignorata è il concetto di FATICA DEL MATERIALE.

Ogni materiale ha due dati che lo caratterizzano:

- Il carico di snervamento, ovvero se applico una forza

superiore a quella indicata (carico) il materiale si deforma

e non ritorna più alla forma originale (si piega);

- Il carico di rottura, ovvero se applico una forza

superiore a quella indicata (carico), il materiale si rompe,

il carico di rottura è sempre superiore al carico di

snervamento.

Se però applico una forza di poco inferiore al

carico di snervamento il materiale mantiene la

sua forma, ma al suo interno si creano delle

micro-fratture.

Con il protrarsi dell’utilizzo della struttura queste

micro-fratture porteranno alla rottura del

materiale senza aver mai superato né il carico di

snervamento, né il carico di rottura.

Questo è in parole semplici il concetto di FATICA,

che spesso constatiamo sia con i raggi in acciaio,

sia con altre parti in alluminio.

Molti monociclisti hanno vissuto questa

esperienza: “… ho fatto le stesse cose di sempre e

oggi si è rotto, ma io non ho fatto nulla di

eccessivo, come mai si è rotto? ...”.

Questo ci dice che tutti i materiali, a causa della

FATICA, hanno una durata limitata nel tempo,

che dipende dalla qualità del materiale e da tutti

gli elementi della progettazione.

In particolare il danneggiamento per fatica procede

attraverso i seguenti stadi:

1. innesco della frattura: questo primo stadio, detto

anche “assestamento microstrutturale” della

componente plastica del materiale , stabilizza

alcune caratteristiche meccaniche e fisiche dello

stesso,

2. Nella successiva fase le microintrusioni e

microestrusioni determinano l'innesco del

danneggiamento per fatica. Infatti sul fondo di

tali microintrusioni gli sforzi risultano amplificati

per effetto d'intaglio, per cui il materiale in quel

punto cederà facilmente e si formeranno delle

microcricche,

3. Propagazione della cricca: la cricca si propaga

per un piccolo tratto lungo la direzione dei difetti di

estrusione, poi il suo cammino prosegue in

direzione ortogonale alla direzione esterna,

4. frattura finale: l'avanzare della cricca porta ad

una progressiva diminuzione di sezione resistente;

quando la sezione resistente si riduce e la

dimensione della cricca raggiunge il valore della

sezione critica del materiale, si ha la frattura

finale di schianto per sovraccarico.

Per maggiori informazioni ecco il link:

https://it.wikipedia.org/wiki/Fatica_(scienza_dei_materi

ali)

La FATICA è un fenomeno meccanico di

progressiva degradazione di un

materiale sottoposto a carichi variabili nel

tempo che può portare alla

sua rottura (cedimento a fatica o rottura

per fatica) anche se sia rimasto nel suo

limite d'elasticità, nonostante durante la

vita del materiale l'intensità massima dei

carichi si sia mantenuta ad un valore

sensibilmente inferiore alla tensione di

rottura o di snervamento del materiale

stesso.

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Per questo motivo la scelta del materiale e della lega da adottare è una scelta fondamentale per

il risultato finale del nostro progetto.

L’alluminio è più rigido ma meno forte dell’acciaio e quindi è più soggetto alla FATICA.

Ma ritorniamo al nostro telaio:

Il disegno di un telaio di monociclo è sostanzialmente una” Y” rovesciata.

Immaginiamo di dover piantare il nostro ombrellone da spiaggia:

la solidità del nostro ombrellone dipende molto dalla profondità del foro nel quale lo andrò a

posizionare (che denominerò “profondità dell’incastro”).

Ma anche se uso un basamento rigido la profondità del foro è comunque e sempre un elemento

importante. Con un basamento non sufficientemente profondo l'incastro sarà instabile o fragile.

Ritorniamo al punto di connessione tra il tubo verticale e le due gambe del telaio:

come per il nostro ombrellone anche nel telaio la profondità dell’incastro tra il tubo verticale e la

base è molto importante.

Il punto più sollecitato del telaio è il punto centrale delle 3 gambe

(gamba destra-tubo verticale-gamba sinistra).

Qui entrano in scena i VINCOLI (che sono uno dei tre elementi

che determinano la RIGIDEZZA della struttura).

Nel monociclo le due gambe sono vincolate tra loro in basso

attraverso il mozzo e in alto, sia in caso di forma quadrata o curva,

al tubo verticale. Questo ci fa capire l’importanza della

connessione con il tubo verticale.

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Gli SPESSORI

I

Il tubo verticale del telaio MAD4ONE realizzato in un pezzo unico ha spessore variabile.In quella

zona e per i primi 8 cm ha infatti uno spessore di 6mm per parte.

La nostra esperienza ci ha insegnato che diminuendo la profondità di incastro gli sforzi in quel

punto diventano così grandi da compromettere la durabilità e spesso anche la robustezza

dell’elemento. Ovvero, con misure inferiore si accorcia molto la vita del telaio rischiando rotture

improvvise.

Naturalmente la profondità dell’incastro da sola non è sufficiente per garantire robustezza e

durabilità. Spessori e qualità del materiale in quel punto

garantiscono il risultato finale.

Il MATERIALE

I telai in alluminio MAD4ONE a forma QUADRA sono

realizzati con la lega di alluminio AL6069-T6, che si

differenzia rispetto al comune AL6061-T6 in questi aspetti:

Resistenza alla deformazione superiore fino a +30%

Maggiore resistenza al carico

Maggiore resistenza al carico in presenza di corrosione

I telai MAD4ONE in alluminio a

forma QUADRA

hanno una profondità d’incastro di

22mm. Questa dimensione è

stata definita in fase di

progettazione considerando anche

la modalità di utilizzo dello

strumento.

Minore è la profondità d’incastro,

minore sarà la distanza tra piede

e pneumatico.

Maggiore è la profondità

d’incastro, più robusto sarà

l’intero strumento.

Questa misura è quindi frutto di

un compromesso tra funzionalità e

robustezza, consapevoli che

misure inferiori compromettono la

tenuta dell'intero telaio.

Per coloro che vogliono approfondire

l’argomento ecco il link allo studio

accademico “ Strengthening in the new

aluminum alloy AA 6069” condotto da S.C.

Bergsma a, M.E. Kassner b,*, X. Li, M.A. Wall,

nel quale vengono analizzate le proprietà

meccaniche della nuova lega alluminio-

magnesio-silicone 6069.

researchgate.net/...Strengthening_in_the_ne

w_aluminum_alloy_AA_6069

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Gli SPESSORI

Il MATERIALE

I telai in alluminio MAD4ONE tondi sono realizzati con la lega

di alluminio AL7005-T6 che rispetto al più comune

AL6061-T6 ha una resistenza al carico maggiore del

12% e una resistenza alla fatica maggiore del 56%.

Naturalmente poniamo una grande attenzione anche al

rapporto diametro-spessore dei tubi.

Anche in questo caso il tubo verticale è a spessore variabile e

nella zona dell’incastro ha un diametro di ben 40mm e uno

spessore di 3.6mm per parte, che conferiscono grande

rigidezza e robustezza all’intera struttura.

I telai in alluminio a forma

TONDA

non hanno i vincoli di utilizzo del

telaio quadro. Per questo motivo

nei telai MAD4ONE abbiamo

potuto realizzare una profondità

di incastro più importante:

36mm.

Questa dimensione riduce in

modo rilevante il carico

applicato in quella zona

garantendo rigidezza e durabilità

eccezionali.

https://en.wikipedia.org/wiki/7005_aluminium_alloy

The aluminum alloy AL7005: It has an

Ultimate Tensile Strength of 350MPa, a

Fatigue Strength of 150MPa and a density

of 2.78g/cm³ compared to a

Ultimate Tensile Strength of 310MPa and

Fatigue Strength of 96.5 MPa and a density

of 2.70g/cm³ for 6061 aluminum alloy.

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Nel mondo del Mountain Unicycle (Muni) un altro punto

sollecitato, oltre alla profondità dell’incastro tubo verticale-

gambe, è la zona dove è vincolato il freno a disco.

In questi anni l’uso del monociclo da Muni è cambiato

molto, grazie al freno a disco.

Di fatto la gestione dell’equilibrio (in avanti e in dietro) è

passata dai pedali al freno, questo però presuppone un

utilizzo molto più continuo del freno e richiede una

reattività del sistema frenante precisa e puntuale.

Il dimensionamento della gamba e del supporto di

montaggio del freno a disco nonché la qualità del materiale

e delle saldature sono gli elementi che caratterizzano i telai

MAD4ONE.

Il freno a disco nel punto in cui è

vincolato al telaio sviluppa carichi

altissimi e spesso anche alte

temperature. La commistione di

questi due effetti porta ad un

affaticamento del materiale molto

veloce, provocando inizialmente

vibrazioni che compromettono la

puntualità della frenata al limite

della pericolosità e successivamente

alla rottura del telaio o del supporto

di montaggio del freno.

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Concludiamo con due parole su due altri materiali di alta gamma che a nostro avviso nel mondo

del monociclo oltre all’alto costo hanno delle caratteristiche che li rendono poco interessanti ….

CARBONIO

La fibra di carbonio può avere molti intrecci, e a seconda di questi e della lavorazione si possono

ottenere a parità di peso caratteristiche di resistenza e di torsione ben differenti.

I punti di forza del carbonio sono: la resistenza alla trazione, la rigidezza, l’alta resistenza alla

fatica, la resistenza all’invecchiamento e alla corrosione, ma ha anche dei punti deboli: ovvero la dinamica di rottura. E’ sufficiente un urto anche modesto nel punto sbagliato per rompere la

resina che racchiude le fibre di carbonio e compromettere istantaneamente la solidità del telaio.

Alcuni esempi:

Un manubrio da bici in alluminio si piega se ci si schianta contro un albero, uno in carbonio

può fessurarsi, ma allo stesso tempo mantenere una solidità ed un’apparente integrità

strutturale. Quando però andremo a caricare l’elemento con sollecitazioni importanti (es

atterraggio da un salto), questo potrà cedere di schianto.

Stringere un telaio in carbonio in una morsa porta bici fissata al tettuccio dell’auto, può

provocare la rottura delle fibre senza che queste presentino un qualche difetto.

In questi due casi parliamo di utilizzi impropri, ovvero sollecitazioni o impatti anche elevati sulla

struttura in carbonio per i quali la stessa non è stata progettata e realizzata.

Con il carbonio puoi fare cose rigidissime o flessibilissime, un classico esempio fuori dal nostro

mondo sono le canne da pesca, un pescatore ti può raccontare però quanto sono delicate ….

TITANIO

Esistono diversi tipi di titanio (grado 1,2,3, 4) e leghe di titanio (grado 5 al 38). Come per altri

materiali le caratteristiche meccaniche nonché di lavorabilità e saldabilità variano molto a seconda

del tipo di titanio utilizzato. Ha comunque un peso specifico a metà strada tra l’alluminio e l’acciaio

mentre le caratteristiche meccaniche variano molto a secondo del tipo ma non superano mai le

leghe di acciaio.

Considerando l’elevato costo del materiale e delle lavorazioni nonché il rapporto peso-prestazioni

meccaniche riteniamo che la giusta lega di alluminio e il corretto progetto possano oggi offrire

caratteristiche analoghe a costi molto inferiori.

Ultima cosa, ma non per importanza …..

la LIBERTA’ conta!

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Nel nostro caso se parliamo di “Libertà” intendiamo “Compatibilità”.

Il monociclo è composto da 3 insiemi di elementi (sella-telaio-ruota).

La nostra grande attenzione è quella di rispettare il più possibile gli standard che si sono affermati nel

nostro Mondo nel corso degli anni. Cioè tutti i componenti che realizziamo hanno un’interfaccia standard in

modo tale che si possono montare senza problemi con altre parti presenti sul mercato.

Solo il Mad4One RACE EVOLUTION, nato nel 2011, (5 medaglie d’oro con S.Kobayashi al Mondiale 2012 a

Bressanone - Unicon XVI), e ulteriormente perfezionato nel 2018 (8 medaglie d’oro con Niklas Wojtek e

Alina Czimek al mondiale 2018 in Corea – Unicon XIX), ha un’interfaccia appositamente sviluppata.

Perché in questo caso ci siamo allontanati dal concetto ISIS e quindi dall’approccio standard?

Per aumentare l’efficacia della spinta sui pedali abbiamo voluto ridurre la distanza dei piedi dalla linea di

marcia e per raggiungere questo obiettivo abbiamo realizzato un’interfaccia mozzo-pedivella meno

ingombrante del sistema di aggancio ISIS.