gallozzi aerodinamica ciclismo

7/30/2019 gallozzi aerodinamica ciclismo

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L'AERODI NAMI CA NEL CI CLI SMO

Claudio Gallozzi , Dario Dalla Vedova

Il ciclismo è la disciplina sportiva che, forse, meglio si presta ad essere oggettodi analisi multidisciplinare da parte dei tecnici dello sport: alle valutazioni dicarattere medico, fisiologico, biomeccanico ed a tutti gli studi che si possonoeseguire sui materiali, si affianca l'importantissimo filone dell'analisiaerodinamica. Infatti se si pensa che pedalando a 50 Km/h il 95% circadell'energia viene spesa per vincere la resistenza dell'aria, si comprende ilruolo che questa variabile gioca sulla prestazione finale; inoltre, è noto che la"bontà" aerodinamica di una posizione è strettamente collegata allecaratteristiche antropometriche degli atleti influenzando in modo decisivo laloro capacità di produrre potenza.

Per questi motivi centri di ricerca sparsi in tutto il mondo, hanno condottonumerosi studi utilizzando atleti di diverse caratteristiche e livello diqualificazione.L'idea di base sul quale si fondano tali studi è che la velocità massima delsistema atleta-bicicletta si ottiene quando la potenza fornita dall'atleta eguagliala somma delle resistenze incontrate. Nella figura (Free Body Diagram) sonoschematizzate le forze propulsive (azzurro) e quelle resistenti (rosso) cheagiscono sul sistema ciclista-bicicletta lungo la direzione orizzontale.



È logico che quando la potenza espressa (dall'atleta) è maggiore dellaresistenza, la bicicletta accelera, nel caso inverso rallenta.Lo scopo de l l ' a l l ena to r e è , qu ind i , que ll o d i o t t im izza re la p r im a ; l o

scopo de l r i ce rca to r e è r id ur re le seconde per quan to po ssib i le .Avendo avuto la fortuna di lavorare nell'equipe del Prof. Dal Monte, presso il

Dipartimento di Fisiologia e Biomeccanica dell'Istituto di Scienza dello Sport delCONI, in occasione delle ricerche che contribuirono alla vittoria di due medaglied'oro alle Olimpiadi di Atlanta 1996, riteniamo interessante riportare la nostraesperienza perché paradigmatica di tutte le difficoltà e gli ostacoli, ma anchedelle soddisfazioni, che si possono incontrare nell'affrontare questo tipo diproblematiche.Nel lavoro preparatorio alle Olimpiadi la prima fase della ricerca fu finalizzataallo studio degli aspetti aerodinamici. A tale scopo furono eseguiti numerositest in galleria del vento (per i dettagli si rimanda ai box relativi) e su stradanei quali fu stabilita una configurazione base come riferimento e, su questa,

furono effettuate le diverse modifiche sia di posizione sia di attrezzatura comecaschi, tute, scarpini e ruote lenticolari.Tra questi elementi quello che più influisce sulle resistenze aerodinamiche è,ovviamente, la posizione dell'atleta.Ogni ciclista è a conoscenza, se non altro per esperienza personale, che più siriduce la superficie di esposizione all'aria, più è possibile raggiungere velocitàelevate a parità di "sforzo" sui pedali. Basti osservare come i migliori passisti especialisti delle cronometro riescono a mantenere per periodi lunghissimi ilbusto parallelo al terreno, la testa bassa (incassata nelle spalle) e comeriescano a limitare il più possibile i movimenti di tali distretti corporei.

Per ottenere una posizione ideale si gioca su due elementi che sono lageometria del telaio e la capacità di adattamento dell'atleta. Quest'ultima, asua volta, dipende dalle caratteristiche morfo-strutturali e da un sufficienteperiodo di allenamento.Esiste tuttavia un'altra componente aerodinamica importante sulla quale èpossibile operare, componente che risulta fondamentale in altri settori sportivied industriali come quelli aeronautici e motoristici.Questa riguarda la forma della superficie esposta all'aria identificatacomunemente come Cx (coefficiente di forma, vedi riquadro).L'ottimizzazione del Cx è il motivo per cui sono nate e vengono sviluppate le

carenature delle motociclette, le appendici aerodinamiche delle vetture dacompetizione, ma anche più banalmente, il design delle autovetture stradali.Migliorare il Cx significa più velocità a parità di potenza ma anche, esoprattutto, minori consumi a parità di velocità.Sul sistema atleta-bicicletta, non potendo utilizzare appendici e carenature,l'ottimizzazione delle forme è molto più complessa. Eppure, nella ricerca inquestione, fu possibile ottenere i migliori risultati proprio sfruttando questoaspetto. Molti lettori ricorderanno infatti, che due atleti della squadra azzurrapresentarono ad Atlanta una posizione tanto strana quanto particolare che fusubito battezzata posizione "Dal Monte" o "canna di fucile". Tale posizione,grazie alle braccia protese in avanti, permetteva di "fendere" meglio l'ariamantenendo ridotta il più possibile la superficie di sezione frontale.



Il grande limite di questa posizione apparve subito essere legato alle difficoltàdi guida del mezzo ed ad un certo affaticamento muscolare dovuto alla diversadistribuzione del peso sui punti di appoggio della bicicletta. Per questi motivi nefu possibile l'utilizzo solamente in particolari tipologie di competizione e funecessario un lungo periodo di allenamento da parte degli atleti.

C'era da risolvere tuttavia un altro problema. Sembra strano, infatti, maspesso la ricerca applicata dimostra che spesso la migliore soluzioneaerodinamica non corrisponde ad un reale incremento di prestazione in gara. Ilmotivo di questo paradosso è che la posizione più idonea ai fini della riduzionedelle resistenze non consente sempre all'atleta di erogare la stessa potenza suipedali rispetto alla condizione abituale.Per questo motivo durante le misurazioni in galleria del vento, furonoposizionati e fotografati dei "markers" su tutti i centri articolari: in questomodo fu possibile ricostruire con estrema precisione la posizione da studiarenella seconda parte di studio, quella effettuata sul cicloergometro.

In questa fase furono eseguiti test metabolici come la misura della frequenzacardiaca, della soglia aerobica-anaerobica, della massima potenza aerobica, delcosto energetico per le varie posizioni precedentemente individuate in galleriadel vento.Fu utilizzata anche l'elettromiografia di superficie in modo da individuare ilmodo in cui i diversi distretti muscolari si comportavano. I risultati di questeindagini portarono a modificare parzialmente la posizione che era risultata piùproficua dal punto di vista aerodinamico perché non ottimale dal punto di vistametabolico.L'ultima, e forse più interessante, parte della ricerca fu rivolta alla realizzazionedi un software in grado di simulare diverse combinazioni delle variabili in studiosfruttando i dati sperimentali raccolti. In questo modo fu possibile valutare

virtualmente gli effetti di numerose modifiche senza essere costretti, ognivolta, ad eseguire misure dirette in galleria e laboratorio con inevitabiledispendio di tempi e mezzi. Furono, infatti, elaborate diverse previsioni di



prestazione in relazione a differenti posizioni. Queste si possono calcolarefacendo il confronto tra i dati di resistenza aerodinamica e potenza esprimibiledall'atleta ottenuti per una posizione di riferimento di cui è noto il risultato inpista e quelli rilevati per le altre configurazioni di indagine (figura 20, risultatidi una simulazione).

Il filo conduttore della ricerca effettuata presso l'Istituto di Scienza dello Sportfu quindi, in sintesi, la ricerca del miglior compromesso tra la "bontàaerodinamica" e la "bontà ergometrica" delle varie posizioni. Infatti, nellostudio del complesso uomo-mezzo di gara, la posizione con la miglioraerodinamica quasi sempre deve essere pagata in termini di minor libertà dimovimento da parte dell'atleta; questo si traduce nella ridotta capacità difornire potenza e, più in generale, in un precoce affaticamento e nella ridottamaneggevolezza del mezzo. Queste valutazioni non possono esseresottovalutate nell'economia di una gara perché, alla lunga, gli svantaggi dovutialla penalizzazione dell'atleta potrebbero divenire superiori ai benefici ottenuti.

Lo studio effettuato ha dato ragione alla nuova posizione sperimentatadimostrando l'interesse e le potenzialità di questo tipo di ricerca. Le numeroseconferme di ciò sono nelle vittorie italiane e straniere nel Campionato delMondo di Inseguimento in Colombia nel '95, nelle due medaglie d'oro italianead Atlanta '96 e nelle vittorie al Campionato del Mondo di Inseguimento '96 aManchester.

BOX 1 - LA FORZA AERODI NAMI CA: LA FORMULA ED ALTRE CONSI DERAZI ONI

Quando esiste un moto relativo tra un corpo qualunque ed un fluido si generano delle forze, dettefluidodinamiche. I motivi per cui nascono queste forze sono molteplici e vanno dalla forma del corpoalle sue dimensioni, dalla distribuzione delle pressioni nel campo attorno al corpo alle caratteristichedella superficie di cui il corpo stesso è fatto, dalle proprietà fisiche del fluido alla velocità ditraslazione. Tranne che in alcuni semplici casi, i fenomeni fluidodinamici sono di notevole complessitàed inoltre devono spesso essere analizzati nelle tre dimensioni ed in un fluido che è difficile dastudiare e visualizzare. Eppure gli aerei volano, il che significa che la Fisica è riuscita ad estrarredalla enorme complessità del fenomeno alcune leggi generalmente valide. In particolare tutti glieffetti fluidodinamici si schematizzano con una forza che viene scomposta nelle due direzionirispettivamente parallela al moto e ad esso perpendicolare. La componente parallela al moto è dettaresistenza (o drag) ed è quella di maggior interesse nel ciclismo, la componente perpendicolare almoto è definita come portanza (o lift) ed è importante principalmente per gli aerei e le vetture di F1perché è quella che si sottrae o somma al peso. La resistenza aerodinamica si può quindi esprimere

con la seguente formula:

R = ½ * r * S * Cx* V2

dove: R è il valore della resistenza cercata, in Kg o Newton ½ è una costante r è la densità del fluido, per l'aria in condizioni standard tale valore è pari a 1,2 Kg/m3

S è una superficie di riferimento, per esempio la sezione frontale, ed è espressa in m2

Cx è il coefficiente adimensionale di forma V2 è la velocità di movimento in m/s, elevata al quadrato.

Il fatto che nella formula precedente la velocità appare elevata al quadrato è di enorme importanzadal punto di vista pratico. Infatti ciò significa che la forza aerodinamica è funzione esponenziale dellavelocità o, in altre parole, che aumentando di poco la velocità aumentano molto le forze in gioco.



Questo fenomeno è ulteriormente amplificato se si analizza la potenza necessaria per vincere leresistenze aerodinamiche, infatti poiché la potenza si può esprimere come il prodotto di una forza peruna velocità, la formula diventa:

Pot aer = R * V = ½ * r * S * Cx* V3

Cioè la potenza per vincere le resistenze aerodinamiche è funzione cubica della velocità, in altreparole, se voglio raddoppiare la mia velocità, devo applicare una potenza otto volte maggiore (23=8)!Questo è il motivo per cui è così difficile battere i record esistenti e, quando ciò accade, di solito ladifferenza finale rispetto al miglior risultato precedente è minima. Un'ultima considerazione deve essere fatta a proposito del Cx o coefficiente adimensionale di forma.Questo è un termine sperimentale che si calcola dai dati registrati in galleria del vento eseguendoopportune operazioni. È adimensionale, cioè non si esprime in alcuna unità di misura come metri o chilogrammi ed è convenzionalmente considerato dipendente solo dalle caratteristiche geometrichedell'oggetto e non da quelle del fluido come velocità, temperatura o pressione. È molto semplice dastudiare per gli oggetti semplici quali cubi, sfere o cilindri; le cose diventano molto più difficili per uncorpo complesso come quello di un ciclista su di una bicicletta e questo è il motivo principale per cui

ancora si investono risorse nella ricerca e nelle gallerie del vento.

BOX 2 - LA GALLERI A DEL VENTO Per lo studio delle resistenze che si oppongono al movimento sono stati messi a punto diversi metodie strumenti più o meno complessi e precisi. Tutti si basano sulla riproduzione del principio fisico chesi vuole studiare e dei fenomeni a questo connesso. Di solito si cerca la maggior semplificazionepossibile per evitare che il risultato finale sia influenzato da elementi estranei, la valutazione ultimadeve però sempre tenere conto della complessità del fenomeno in esame e della stretta dipendenzatra diversi fattori. LA GALLERI A DEL VENTO: il principio fisico su cui si basa la galleria del vento è noto comePrincipio di Reciprocità che afferma che le forze aerodinamiche nascono quando c'è moto relativo tra

un corpo e l'aria. Ciò significa che le forze sono le stesse sia quando l'aria è ferma ed il corpo in moto(come accade durante la prestazione sportiva), sia nel caso in cui il corpo è fermo e l'aria si muove.In pratica si fa in modo che in una particolare zona, detta camera di prova, ci sia dell'aria inmovimento nel modo più uniforme possibile. Per ottenere questo risultato si collega un motore, disolito elettrico, ad una elica che gira all'interno di un condotto che può essere rettilineo aperto alleestremità oppure ad anello chiuso.



Schema di una Galleria del Vento

Nel primo caso avremo una galleria del vento aperta, nel secondo a ricircolo completo o a "volumichiusi". Un'opportuna sezione del condotto, la camera di prova appunto, è strumentata per contenereal proprio interno la bicicletta e l'atleta e per misurare le diverse grandezze fisiche che interessano.Tra queste ricordiamo: velocità e temperatura dell'aria; forze orizzontali e verticali; pressione staticae dinamica. Molte galleria del vento sono strumentate anche con un tappeto mobile che permette lasimulazione del cosiddetto effetto suolo.

Infatti nella realtà la velocità relativa tra aria e terreno è nulla, mentre in una galleria del vento



senza tappeto mobile il suolo è fermo e l'aria in moto. Questo non comporterebbe grossi problemi sel'aria non fosse viscosa, se cioè non venisse rallentata in modo progressivo ed esponenziale dalleforze intermolecolari fino a fermarsi in corrispondenza del suolo generando una zona chiamata stratolimite. Purtroppo per la bicicletta, in questa zona particolare avvengono molti fenomeni interessantidal punto di vista aerodinamico come il moto delle ruote e quello dei pedali, motivo per cui èfondamentale che i test vengano effettuati in strutture dotate di tappeto mobile. METODOLOGI A DI PROVA: la bicicletta viene opportunamente fissata alle celle di carico nellacamera di prova in modo da rimanere ferma anche quando sottoposta alla forza dell'aria ed al pesodell'atleta consentendo a quest'ultimo di assumere diverse posizioni a bordo in piena sicurezza.L'altezza di tutto il sistema è regolata affinché la bicicletta sfiori appena il tappeto mobile in motocosì da movimentare le ruote senza gravare con tutto il peso sul tappeto stesso. Questo è moltoimportante quando si pensa ai fenomeni aerodinamici causati dalle ruote, siano esse a raggi olenticolari. Infatti, supponendo che la bicicletta viaggi alla velocità di 50 Km/h, il punto di contatto trala gomma ed il terreno ha, istantaneamente, velocità nulla relativamente all'aria, mentre il mozzo hala stessa velocità di traslazione della bicicletta. La parte superiore della ruota si muove invece indirezione opposta al senso di marcia, quindi con velocità uguale e contraria. Sommando le duecomponenti vettoriali si ha allora una velocità relativa di 100 Km/h. Si aggiungono poi tutte leinterferenze presenti tra ruote in movimento, telaio e corpo dell'atleta. Le tarature preliminari sono

quindi effettuate sia con le ruote ferme che con il tappeto in moto e nelle misure finali si tiene contedegli effetti aerodinamici rispetto al suolo ed al telaio della bicicletta. Spesso si misura anche,isolatamente, l'attrito di rotolamento così ottenuto in modo da valutare il valore delle singoleresistenza. La velocità dell'aria viene quindi scelta in base al tipo di specialità che si deve studiarecercando, per quanto possibile, di avere velocità uguali a quelle che si incontrano durante losvolgimento delle varie discipline. La programmazione dei test comporta una prima fase di studiodelle posizioni di base e l'individuazione di una configurazione di riferimento che viene ripristinataperiodicamente e che serve a valutare velocemente i successivi miglioramenti o peggioramentinonché a verificare che tutta la strumentazione funzioni correttamente. Lo studio prosegue poi con lavariazione sistematica di un singolo parametro alla volta agendo sulla forma e sull'altezza della sellae del manubrio in modo da valutare le diverse posizioni ottenute spostando spalle, testa (con e senzadiversi caschi), braccia e gambe. Su tutte le articolazioni degli atleti vengono applicati e fotografati

dei markers: in questo modo si può ricostruire graficamente l'ampiezza degli angoli caratteristicidelle varie posizioni studiate.

Si fotografa anche frontalmente il sistema per valutarne la sezione frontale e cercare le zone ottimalidi intervento.



La misura delle forze aerodinamiche è effettuate sia con pedali fermi che in moto, poiché nel primocaso si ha una misura più precisa ma non corrispondente alla situazione reale che viene dunquericostruita interpolando i dati ottenuti con le due diverse procedure. È poi sempre di grande interesselo studio dei particolari e degli accessori da gara compatibilmente con i limiti imposti dai regolamenti:si cerca di valutare il più possibile separatamente gli effetti dei singoli componenti ricorrendo ancheallo studio di parti singole laddove la corretta riproducibilità del test lo consenta. La visualizzazionequalitativa dell'andamento del fluido e la misurazione della velocità dell'aria lungo l'oggetto in prova

avviene con l'uso di anemometri mobili e di filetti di lana opportunamente disposti o con laproduzione di fumo. Gli effetti sono dunque filmati in modo da poter effettuare l'analisidell'andamento dei filetti lungo il corpo e della forma ed entità delle zone turbolente. Questo tipo distudio trova il suo completamento nel confronto con i diversi valori numerici misurati per le forze inogni singola configurazione. In linea di massima il valore della resistenza all'avanzamento per un ciclista che proceda alla velocitàdi 50 Km/h è di poco inferiore ai 3 Kg ed il prodotto SCx vale 0,2 m2.

Abbiamo voluto ricordare le esperienze maturate in occasione dei GiochiOlimpici di Atlanta 1996 dall'equipe del Prof. Dal Monte, perché molti deglielementi descritti possono essere di valore anche nel ciclismo amatoriale.

Anche in tale contesto, infatti, la ricerca della migliore efficienza aerodinamicadel sistema uomo-bicicletta può essere molto utile perché con poca "spesa" sipossono avere risultati paragonabili a quelli ottenibili con notevoli incrementidell'allenamento delle capacità fisiche.Vediamo di analizzare, quindi, il problema. Il principio generale èevidentemente lo stesso, i target da raggiungere sono: ridurre la superficie diesposizione all'aria, utilizzare abbigliamento adeguato, ottimizzare i particolaridel mezzo.Cominciamo dalla bicicletta. Migliorare l'aerodinamica non significa operare,come spesso avviene forse a causa delle accattivanti offerte del mercato degli

accessori, su particolari come caschi, occhiali, calzature, ecc. Questo ènecessario se si è in preparazione di un record sull'ora, ma se vogliamo andareun poco più veloci nelle nostre uscite domenicali o se vogliamo faticare un po'



meno a parità di velocità, dobbiamo giocare sull'ottimizzazione di altrielementi.Non sempre si pensa, infatti, che una delle componenti più influentisull'aerodinamica del sistema è la ruota. Il motivo di tale importanza dipendedal movimento che la caratterizza: la ruota, infatti, è soggetta a due tipi di

moto combinati tra loro. Il primo è traslatorio lungo la direzione della marciadella bicicletta; il secondo è rotatorio intorno all'asse dei mozzi. I due moticombinati tra loro determinano un curioso effetto per cui la parte superioredella ruota si muove a velocità doppia rispetto a quella della bici e con lastessa direzione perché la velocità di rotazione si somma a quella ditraslazione. La parte inferiore della ruota si muove con velocità inferioreaddirittura nulla del punto di contatto del pneumatico con l'asfalto.Questo particolare fenomeno rende il comportamento della ruota molto criticodal punto di vista aerodinamico, comportamento ancora in fase di studio daparte dei ricercatori ma comunque assai influente sulla efficienza generale del

mezzo. Oltre tutto, come dimostrato dall'uso delle ruote lenticolari (addiritturanegative in talune circostanze), possiamo trovarci in condizioni ambientalicaratterizzate da vento laterale che complica ulteriormente il problema.Detto questo, esistono in commercio ruote che presentano indubbi vantaggiaerodinamici (profilo del cerchio, numero di reggi, profili dei raggi, ecc) la cuiutilizzazione può migliorare sensibilmente, almeno in pianura, la capacità disviluppare velocità e per questo si rimanda ai testi specialistici.L'altro elemento sul quale è possibile operare con relativa facilità per migliorarele caratteristiche aerodinamiche del sistema riguarda la posizione dell'atleta.Questa deve essere, come detto nel precedente articolo, finalizzata a

migliorare soprattutto la superficie di sezione frontale. Il tale ottica l'elementodi primario interesse riguarda la posizione del busto che, almeno indeterminate circostanze, dovrebbe posizionarsi più basso e parallelo possibileal terreno. Per ottenere questa configurazione si opera generalmente sullageometria del telaio.A questo proposito è bene ricordare che esistono precisi limiti da parte delregolamento della Federazione Internazionale di Ciclismo.Tali limiti, come ad esempio la misura dell'arretramento della sella noninferiore a 5 centimetri o il divieto di usare protesi sul manubrio (che offronoanche il vantaggio di migliorare il Cx), sono in vigore da alcuni molti anni e

sono stati imposti perseguendo il principio di privilegiare l'espressione atletica(dell'uomo) nei confronti dell'esasperazione dello sviluppo tecnologico (delmezzo).Configurazioni a "canna di fucile" o similari, sono infatti state bandite dallecompetizioni ufficiali così come sono stati annullati i record ottenuti in talicondizioni!La possibilità di orientare il busto parallelo al terreno dipende dalla regolazionedi alcuni parametri: la differenza di quota e la distanza tra sella e manubrio,l'arretramento della sella, il disegno e le caratteristiche del manubrio.Regolazioni che apparentemente non presentano particolari problemi, eppure,basta osservare una gara tra professionisti per accorgersi che, anche a quellivello, non sono molti gli atleti che riescono ad assumere una posizioneottimale e ad esprimere, in quella posizione, il massimo della potenza



erogabile. Possibile che tecnici e telaisti non riescano a mettere tutti gli atletinelle migliori condizioni dal punto di vista aerodinamico?La realtà è che la posizione ideale si scontra molto spesso con le caratteristichemorfostrutturali dell'atleta. In particolare, sono le capacità di flessibilitàarticolare della colonna vertebrale e di estensibilità della muscolatura che

spesso limitano la possibilità di posizionarsi correttamente in bici. La presenzadi dismorfismi o paramorfismi come scoliosi, dismetrie degli arti ed altro,determinano ulteriori limiti per i compensi posturali che ne derivano.Nel ciclismo amatoriale esistono ulteriori variabili come l'età mediamente piùelevata dei praticanti con la possibilità che le strutture articolari presentinoprocessi degenerativi e infiammatori.La posizione allungata e abbassata sollecita fortemente, infatti, il trattolombare della colonna che inverte la sua curvatura fisiologica ed il trattocervicale con notevole aumento della lordosi. Se tali sedi sono oggetto diprocessi infiammatori e degenerativi, la posizione aerodinamica può scatenare

o acuire dolore e disfunzione.La posizione allungata determina anche una variazione di distribuzione delcarico tra sella e manubrio con inevitabile aumento dell'impegno dellamuscolatura del collo e delle spalle.Va considerato, inoltre, che i tempi necessari alle strutture biologiche peradattarsi a posture così particolari sono piuttosto lunghi ed è quindi evidente ilvantaggio che hanno gli atleti agonisti in considerazione delle percorrenzeannuali notevolmente più elevate con relativo maggiore tempo trascorso insella.Oltre a ciò, l'agonista ricerca con maggiore frequenza questa posizione, tali

sono i vantaggi che ne derivano, tanto da eseguire allenamenti specifici in talsenso anche in salita.Riportiamo, a tal proposito, un interessante dato scaturito dalla nostra casistica(da molti anni il nostro gruppo di lavoro si occupa dello studio edell'ottimizzazione della postura in bicicletta): è emerso, infatti, che gli atletiche percorrono più di 20.000 km l'anno, a parità di caratteristicheantropometriche, presentano telai mediamente più lunghi (+ 1,5 cm) atestimonianza della maggiore capacità di adattarsi ad una posizione piùallungata.Quale consiglio allora dare a chi può dedicare tempi limitati alla bicicletta ma

non vuole rinunciare a quei piccoli vantaggi che una posizione più aerodinamicapuò offrire?Innanzi tutto, dedicare periodi progressivamente crescenti dell'allenamento atratti percorsi in posizione aerodinamica ricercando tutte le sensazioni positivee negative che devono essere poi guida per i necessari piccoli aggiustamentidella geometria del telaio.A nostro avviso, una corretta regolazione del mezzo è quella che consenteall'atleta di pedalare in posizione abbassata erogando il massimo della potenzapossibile ma, nel contempo, permetta di pedalare in salita con sufficiente"rotondità" senza dover ricorrere frequentemente al "fuori sella".È evidente che una corretta scelta sarà frutto di numerose prove ecompromessi soprattutto per quello che riguarda la posizione della sella neisuoi rapporti reciproci con il movimento centrale ed il manubrio.



L'altro importante aspetto sul quale è necessario lavorare e che vienetrascurato dalla maggior parte dei ciclisti, riguarda il miglioramento dellaflessibilità ed elasticità dell'apparato muscolo-scheletrico.La migliore posizione aerodinamica si può ottenere e, soprattutto, mantenerese attraverso esercizi di allungamento eseguiti abitualmente riusciamo a

migliorare i gradi di flesso-estensione articolare soprattutto dei distretti piùinteressati.Grande attenzione va, infatti, riposta alla muscolatura del bacino che deveessere in grado di ruotare anteriormente seguendo il busto (antiversione); unabuona estensibilità della muscolatura flessoria della gamba (ischio-crurali),dell'ileo-psoas (per l'influenza che ha sulla colonna lombare) e dei dorsali, el'elemento fondamentale per avere buoni risultati.Infine, vediamo come è possibile valutare in modo empirico la bontà dellapropria posizione aerodinamica. E' necessario premettere che il metodo diseguito illustrato è abbastanza impreciso perché bastano piccole variazioni

delle condizioni di prova per ottenere risultati anche molto diversi e,soprattutto, non è in grado di discriminare piccole differenze aerodinamichecon precisione soddisfacente (altrimenti le costosissime gallerie del ventosarebbero già tutte chiuse!). È però un metodo semplice, economico, allaportata di tutti e molto istruttivo per familiarizzare con il problemadell'aerodinamica e per allenarsi ad associare le sensazioni dell'aria sul corpocon l'aerodinamicità della posizione in sella. Si chiama Coast Down Test erichiede un ciclista, una bicicletta, un tratto di strada il più possibile in piano (emagari senza traffico!) preceduto da una discesa che ci consenta diraggiungere i 40 Km/h senza pedalare, una giornata di aria assolutamente

calma e senza vento. Per l'analisi dei risultati dei test abbiamo due modi diagire: risolvere complicate equazioni polinomiali o procedere per paragonidiretti. Visto che la prima strada è abbastanza complessa e ardua per ilnormale ciclista e richiede particolari strumenti di misura come accelerometri,fotocellule e una stazione meteo, utilizziamo senz'altro la seconda che consistenel provare diverse posizioni e fare un confronto diretto tra i risultati ottenuti. Idati così raccolti non hanno quindi valore assoluto ma relativo, quindi valgonosolo per confronto diretto tra diverse posizioni e per prove fatte sempre sullostesso tratto di strada e nello stesso giorno, cioè con le stesse condizioniambientali. Se vogliamo fare altre prove in giorni diversi, dobbiamo ogni volta

ripetere tutta la procedura in modo da ricrearci sempre un dato di riferimentoper quella particolare giornata. Come si svolgono allora i test? Innanzitutto sistabilisce qual è la propria posizione standard di riferimento con cui si faranno iparagoni successivi. Questa che sembra cosa da poco in realtà è uno deiprincipali problemi di questo tipo di test, infatti dobbiamo essere sicuri diassumere in sella una posizione che sia facilmente riproducibile in ognimomento poiché che la utilizzeremo come verifica periodica. Ci mettiamoquindi in cima alla discesa, nella nostra posizione standard e in un punto dipartenza contrassegnato in qualche modo (un pezzo di nastro adesivo colorato,un cartellone, una maglia) e, senza pedalare e senza muoverci, lasciamo che labicicletta acceleri. È molto importante non pedalare e cercare di minimizzare imovimenti del manubrio perché questi sono tutti elementi di disturbo chepotrebbero variare in modo anche significativo la velocità di tutto il sistema.



Lasciamo quindi correre la bicicletta lungo il tratto piano di strada e, a questopunto, abbiamo diverse possibilità: aspettiamo che la bicicletta si fermi, oppureprendiamo un punto di riferimento dopo qualche centinaia di metri (il solitonastro adesivo o cartellone) e lì leggiamo il valore della velocità arriviamo lìoppure cronometriamo quanto tempo ci vuole per raggiungerlo. Queste due

ultime possibilità sono necessarie se il tratto di strada piano non è così lungoda consentire alla bicicletta di fermarsi da sola, ma possono introdurre ulteriorierrori poiché aggiungiamo la misurazione di una grandezza (velocità o tempo)e quindi la possibilità di un ulteriore fattore di imprecisione. La seduta di testprosegue effettuando diverse discese nella posizione standard e verificando checi fermiamo sempre nella stessa posizione. Se ciò non accade significa che c'èqualche problema come il vento, il fatto che ci muoviamo troppo e via dicendo,in ogni caso se non capiamo cosa succede è inutile continuare. Se invece laprova e sufficientemente ripetibile, cioè se partiamo e ci fermiamo semprenegli stessi punti con uno scarto di pochi metri, possiamo continuare. Partendo

sempre dal nostro traguardo assumiamo allora una posizione differente daquella standard, all'inizio meglio se molto differente proprio per massimizzare irisultati e capire cosa accade. Proviamo quindi a scendere con il busto moltopiù alto e ripetiamo la procedura. Poiché ora dovremmo incontrare molta piùresistenza aerodinamica all'avanzamento, cioè essere più frenati, dovremmoanche fermarci molto prima del nostro vecchio traguardo. Il principio finale èquindi quello che, assunta una posizione diversa rispetto a quella nostrastandard, se ci fermiamo prima del nostro vecchio traguardo avremopeggiorato le cose, se ci fermiamo dopo ovviamente avremo trovato unmiglioramento. Come detto all'inizio, è necessario ripristinare ogni tanto la

nostra posizione standard e vedere se il punto di arrivo coincide per verificareche non ci siano problemi o che siano cambiate le condizioni meteo (adesempio c'è un po' di vento). Se tutto funziona possiamo continuare con lenostre prove di posizione e di accessori vari come ruote lenticolari, si possonofare anche tentativi con la pressione di gonfiaggio delle gomme o con tutto ciòche ci interessa verificare.

BOX 3 - I SOFTWA RE DI SI MULAZI ONE DELLA PRESTAZI ONE L'ottimizzazione della prestazione sportiva coinvolge un elevato numero di variabili che non è sempre

facile riuscire a conciliare; la situazione si complica notevolmente quando si studia una disciplinacome il ciclismo in cui la prestazione finale è fortemente condizionata da fattori posturali edaerodinamici. Si pensi alle complesse interazioni tra le esigenze di carattere geometrico impostedall'aerodinamica (sezione frontale minore possibile, miglior forma) e quelle di carattereantropometrico: le configurazioni più performanti si scontrano spesso con vincoli posturali ebiomeccanici non modificabili, lasciando stretti margini di azione. Come stabilire, ad esempio, se una posizione che migliora l'aerodinamica ma penalizza la capacità difornire potenza meccanica sia migliore di un'altra in cui avviene il contrario? Come dare unavalutazione quantitativa a due configurazioni simili? Un altro importante filone di studio è quellorelativo all'andamento nel tempo della potenza fornita dal sistema. Infatti non è sempre lecitoconsiderare quest'ultima costante durante tutto lo svolgimento di una prestazione sportiva ed anzi,quando si tratta di performance di breve durata, la variazione di questo parametro è spesso

determinante. Un esempio in questo senso è fornito dalla valutazione della convenienza dellepartenze più o meno veloci nelle gare brevi, che richiedono cioè una combinazione di potenzaaerobica ed anaerobica. A questi problemi si aggiunge infine la grande difficoltà di effettuare analisi



di tipo parametrico sull'atleta, sugli accessori utilizzati e sul suo mezzo da gara; cioè lo studiodell'effetto che la variazione di un singolo fattore ha sul risultato finale. Occorre fare molti testdurante i quali possono variare tutte le condizioni di prova (temperatura dell'aria, vento, posizione estato dell'atleta, ecc.) rendendo impossibile la comparazione, senza considerare i problemi legati atempi e costi. Per questi motivi, ormai da tempo, vengono utilizzati i modelli matematici, simulazioni del fenomenoda studiare in cui sono stati precedentemente schematizzati e messi in relazione tra loro tutti iparametri in gioco. Questo approccio ha il vantaggio di consentire un enorme numero di simulazioniin tempi brevissimi a costi molto bassi e variando sistematicamente il valore dei diversi parametri inmodo da comprenderne il "peso" sul risultato finale. Non si deve però dimenticare che si tratta disimulazioni, di modelli che sono validi solo tanto quanto lo sono le semplificazioni e gli input utilizzatiper farli funzionare. UN PO' DI TEORI A La simulazione della prestazione si basa sull'analisi del sistema di forze che agisce sull'atleta e sulsuo mezzo da gara. Queste possono essere raggruppate in due famiglie: quelle propu ls i ve e queller es i s ten t i. - Le fo r ze p ropu ls i ve sono la forza esercitata dall'atleta ed, eventualmente, la componentedell'accelerazione di gravità parallela alla direzione del moto. Un'altra importante distinzione

effettuata durante la simulazione riguarda l'andamento temporale di queste forze cioè il fatto chesiano costanti o meno durante tutta l'esecuzione del gesto sportivo. - Del gruppo di fo r ze res i sten t i fanno invece parte la resistenza aerodinamica e tutte le resistenzemeccaniche. Tra queste ultime si considerano quella di rotolamento e quelle dette di resistenza"meccanica interna", che raggruppano tutte le perdite che si hanno nella trasmissione del moto o perattrito tra componenti. Il calcolo delle resistenze aerodinamiche è fatto a partire dai dati sperimentaliacquisiti in galleria del vento o in vasca navale e dall'analisi delle fotografie digitalizzate per ilcomputo delle sezioni frontali. Si deve poi ricordare che la potenza persa per resistenza aerodinamicaè funzione cubica della velocità relativa tra fluido e complesso atleta - mezzo da gara (vedi Box 1),dunque molto sensibile anche a piccole variazioni di potenza propulsiva (e quindi di velocità) delsistema. Questo fattore ribadisce l'importanza dell'approccio non stazionario alla simulazione nellostudio dell'andamento temporale delle forze motrici. Relativamente alle resistenze meccaniche

interne e a quelle di rotolamento il discorso è invece più complesso. Infatti spesso è molto difficile, senon impossibile, stimare con precisione l'entità delle singole perdite durante tutta la catena ditrasmissione e trasformazione del moto: per questo motivo è prassi comune raggruppare tutte lecomponenti insieme utilizzando opportune funzioni che simulano tali resistenze grazie ad un certonumero di coefficienti empirici noti. Dal momento poi che queste resistenze sono di piccolo valorerispetto alle altre forze in gioco e poiché si assume che non varino considerevolmente nel breve arcodi velocità indagato, queste di solito si considerano come costante per tutte le configurazioni. I SOFTWARE DI SI MULAZI ONE Il principio su cui funzionano i software di simulazione è relativamente semplice e riprende il PrimoPrincipio della Dinamica formulato da Newton: un s i s tema r im ane nel suo sta to d i m o tore t t i l i neo un i fo rm e (o d i qu ie te ) qu ando la som m a de l l e fo r ze p ropu ls ive agen t i su d i essoeguag l ia la somm a de l le fo rze res is ten t i . Questo vuol dire che se la somma di tutte le forze è

nulla, il sistema ha raggiunto la sua velocità massima per quella specifica configurazione. Dalmomento che le forze aerodinamiche sono proprio funzione della velocità, a questo punto è facilericavare la velocità massima ottenibile per quella specifica prova. I software di simulazione richiedono quindi l'inserimento di dati iniziali noti (famiglie di input) con iquali sono effettuati i calcoli. I risultati di queste simulazioni sono poi confrontati tra loro e con laprestazione reale per verificarne la congruenza ed eventualmente suggerire le modifiche daapportare agli input in modo da dare inizio ad un nuovo ciclo di calcolo. Gli input utilizzati sono dati che possono essere raggruppati in diverse categorie: - dati fisici e geometrici relativi all'atleta ed al suo mezzo di gara - dati aerodinamici, come i coefficienti adimensionali di resistenza, la sezione frontale del sistemaatleta - bicicletta, la quota e la temperatura alle quali si svolge la prestazione sportiva. Questo èfondamentale per determinare il valore della densità dell'aria per le gare che si svolgono in quota o

comunque a temperature diverse rispetto a quella standard di riferimento. I coefficienti aerodinamicisono ricavati dalle prove effettuate in galleria del vento - i coefficienti adimensionali di resistenza meccanica per calcolare il valore delle varie resistenzepassive



- l'angolo di pendenza rispetto all'orizzonte, per valutare l'effetto della componente gravitazionale nelcaso sia presente una salita o una discesa - la potenza propulsiva sviluppata dall'atleta ricavata da prove sul cicloergometro. Nel caso chequesta potenza non sia costante nel tempo è possibile implementare la funzione matematica chemeglio la approssima - dati relativi alla durata (per le gare contro il tempo) o alla distanza (per le gare su circuito fisso)della prova da effettuarsi. Il risultato dell'analisi è il calcolo della massima velocità teorica raggiungibile dal sistema nellaconfigurazione data o del tempo minimo occorrente per compiere un certo percorso.

In entrambi i casi la simulazione è effettuata ricordando che la velocità massima si ottiene quando ilsistema ha raggiunto l'equilibrio, cioè quando le forze propulsive eguagliano quelle resistenti.Nel caso che la potenza applicata non sia costante nel tempo, la simulazione è effettuata attraversola soluzione di un sistema di equazioni differenziali. In pratica si stabilisce un intervallo di tempo, disolito molto piccolo, che seziona la prestazione in tanti intervalli durante i quali il software calcola ivalori di tutte le forze in gioco. Da questi valori si ricava la variazione di velocità e spazio percorso, esi valuta se la configurazione raggiunta è di equilibrio per il sistema di forze oppure se sono necessariulteriori cicli di calcolo.I risultati sono quindi: - la velocità massima teorica, ricordando che la resistenza aerodinamica, cioè una delle funzioni checompaiono nell'equazione di equilibrio, dipende proprio dalla velocità elevata al quadrato - l'andamento delle forze propulsive e resistenti in funzione del tempo o di qualunque altro dei

parametri considerati durante la simulazione come, ad esempio, lo spazio percorso. I programmi permettono anche la simulazione della prestazione in maniera inversa, cioè è possibilevalutare le caratteristiche aerodinamiche di una configurazione o ricavare la potenza media che è



stata applicata dall'atleta se sono noti a priori la velocità o il tempo relativi alla performance. Questotipo di analisi è molto interessante per il confronto di dati reali misurati sul campo di gara e perl'analisi delle prestazioni degli avversari.



I M MA GI N I

Vista Frontale Ciclistadurante test in Galleria del

Vento (Posizione O'Bree e

Posizione Dal Monte)

Maschera ConfrontoPosizioni in Bicicletta

Test in Galleria del Vento subicicletta

con telaio sperimentalecarenato

Test al Cicloergometro conMarker

(Posizione O'Bree)

Test al Cicloergometro conMarker

(Posizione Dal Monte) O'Bree in Gara

O'Bree in Gara Schema Galleria del Vento a "Circuito Chiuso"

Test in Galleria del Ventocon tappeto

mobile e ruote lenticolari inrotazione



Tabella riassuntiva di Test

Aerodinamici effettuati per diverse

posizioni

Esempio di risultati di TestAerodinamici per le posizioni

O'Bree e Dal Monte

Veicoli Aerodinamici a Propulsione Umana

Velocità massimaraggiungibile per diversi

tipi di bicicletta e potenzaapplicata

Forze agenti sul sistemaAtleta - Bicicletta

Angoli articolari

Record dell'ora di Moser Test in Galleria del Vento (Posizione Dal Monte e

Ruote Lenticolari) Test in Galleria del Vento (Collinelli)



Risultati di software di

simulazione Collinelli - Atlanta '96

Colinelli - Atlanta '96

BI BLI OGRAFI A

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