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Perché le bici stanno in equilibrio?

Bici, Bicicletta, Bikelife • di

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Con l’instabile equilibrio di una bicicletta abbiamo tutti fatto i conti quando, una volta tolte le rotelle, abbiamo provato per la prima volta a pedalare. Probabilmente ci siamo spaventati, forse siamo caduti, sicuramente abbiamo messo il piede a terra, perché in sostanza non eravamo ancora in grado di dominare quell’aspetto che rende unico il movimento della bici, ovvero la gestione delle forze che le consentono di stare in equilibrio. Com’è possibile dunque che una bici, con due punti di appoggio molto stretti posti uno dietro l’altro, sia in grado di restare in equilibrio, in barba alla forza di gravità e alle leggi della fisica?

Indice
Autostabilità della bicicletta
Fattori dell’autostabilità della bicicletta
Componente umana
Cosa dice la scienza
Concludendo

Autostabilità della bicicletta


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Questa domanda non è nuova poiché, sin da quando il distinto signore inglese Henri Lawson nel 1877 inventò la safety bicycle, moltissimi tecnici e scienziati se la sono posta, cercando di trovare una risposta che andasse a braccetto con le leggi della fisica (che non è soltanto una delle materie più ostiche degli istituiti tecnici ma è anche la semplice descrizione di come avvengono le cose nel mondo in cui viviamo).

Quando una bici viaggia vi sono numerose forze che agiscono sul mezzo: c’è l’attrito tra terreno e pneumatico, l’aria che la investe nelle tre direzioni del moto, ci sono i cinematismi della trasmissione e molto altro. Semplifichiamo il tutto, immaginando di viaggiare in mondo senza attriti né aria, cosa rimane? Esatto, rimane la forza di gravità, che ha quel brutto vizio di tirarci verso sé. In sostanza una bicicletta, per restare in equilibrio, deve opporre una forza uguale e contraria a quella della gravità, poiché un sistema si dice appunto in equilibrio quando la somma tra le forze positive e negative che agiscono sul sistema stesso è zero.

Senza usare troppo tecnicismi, facciamo un esempio molto semplice: prendiamo una penna, mettiamola in verticale sul palmo della mano e cerchiamo di mantenerla in equilibrio. Se la penna s’inclina in una direzione, cosa dobbiamo fare per riportarla in equilibrio? Dobbiamo spostare la mano nella stessa direzione del verso d’inclinazione della penna, per far sì che il baricentro continui a scaricarsi in verticale sul palmo della nostra mano, modificando la posizione del punto di contatto.

La stessa cosa la fa la bicicletta, ovvero ogni volta che la forza di gravità la fa inclinare verso destra o verso sinistra, la bici sposta il punto di contatto nello stesso senso della sua inclinazione. Aspettate però, nel caso del bastone era la nostra mano a spostarsi ma mentre viaggiamo con una bicicletta non possiamo certo far slittare la strada sotto le ruote. No, è ovvio, ma possiamo usare lo sterzo: infatti ogni volta che spostiamo lo sterzo, la ruota anteriore va verso la direttrice dell’inclinazione data dalla gravità, riequilibrando le masse e mantenendo la stabilità.

In sostanza la bicicletta è, teoricamente, un mezzo autostabilizzante (meglio usare la dicitura inglese “self-stable”), poiché il semplice spostamento dello sterzo fa in modo di equilibrare la massa e quindi annullare la forza di gravità. Se infatti noi dovessimo posizionarci su una strada diritta, metterci in piedi a lato della bici e lanciarla spingendola dalla sella, vedremo che cadrebbe dopo pochi metri. Ma se invece la lanciassimo e le corressimo a fianco, dando dei piccoli colpi allo sterzo, la bici resterebbe in equilibrio per molti metri, fino a quando gli attriti non ne fermerebbero la corsa. Quindi la bicicletta è un sistema che si equilibra da solo. Ma com’è possibile?

Fattori dell’autostabilità della bicicletta


Le cause (o meglio i fattori) della capacità della bici di autostabilizzarsi sono essenzialmente tre:

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Avancorsa

Osserviamo la ruota anteriore. Se prolungassimo la forcella fino a terra, scopriremmo che il punto di contatto di questa linea immaginaria si trova più avanti rispetto alla piombatura dell’asse di rotazione della ruota (ovvero il mozzo). Questa caratteristica si chiama avancorsa ed è fondamentale per l’autostabilità della bici. Dato che l’asse di rotazione della ruota anteriore si trova dietro l’asse sterzante, questo fa sì che quando la forza di gravità fa inclinare la bici in una direzione è la stessa direttrice della gravità a “aiutare” la ruota anteriore a sterzare, in modo che le masse si equilibrino quasi “naturalmente”. Inoltre, l’avancorsa rende possibile il fatto che il resto della bici segua la direzione della ruota anteriore. Avete presente un carrello della spesa? Quando voi spingete un carrello in una direzione, le ruote sterzanti si inclinano e tutto il carrello stesso le segue. Il principio è lo stesso.

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Distribuzione delle masse anteriori

Se osserviamo la parte anteriore della bicicletta, il peso della ruota anteriore e del manubrio sono scaricate più in avanti rispetto all’asse sterzante. Così, quando la bici s’inclina in una direzione, la forza che tira questa masse in quella stessa direzione aiuta la ruota a sterzare, permettendole così di equilibrarsi facilmente.

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Precessione dell’effetto giroscopico

Per molto tempo si è sempre creduto che la bicicletta rimanesse in equilibrio grazie all’effetto giroscopico delle ruote, ovvero finché le ruote girano la bicicletta sta in piedi, quando le ruote rallentano la bicicletta cade. Questo è vero ma solo in parte. Prendiamo come esempio una trottola. Quando è ferma, questa poggia di lato e anche le provassimo a spingerla, questa ruoterebbe intorno a un asse ma sempre poggiando di lato. Quando invece la facciamo ruotare riesce a rimanere in equilibrio su un punto di appoggio fisicamente molto instabile fino a che non esaurisce la spinta rotazionale. Com’è possibile? Perché quando la trottola non ruota, la forza di gravità (che agisce verso il basso) riesce a vincere la reazione vincolare (che agisce verso l’alto) facendola quindi cadere di lato. Durante la rotazione si crea un momento angolare che equilibra il sistema e permette quindi alla trottola di rimanere in verticale. Questa è la precessione.

Immaginiamo quindi una ruota di una bicicletta come una trottola che poggia su un immaginario muro verticale. Quando la ruota è ferma, la forza di gravità (verso il terreno) riesce a vincere la reazione vincolare della ruota stessa (che agisce verso l’alto) ma se mettiamo in rotazione la ruota, il momento angolare che si viene a creare consente di creare un equilibrio. Il problema dunque è che fino a che il momento angolare è abbastanza elevato, questi riesce a vincere la gravità ma appena il suo valore diminuisce, quest’ultima ha la meglio. Quindi il solo “effetto giroscopico” delle ruote (cioè il fatto che ruotino su sé stesse) non è responsabile dell’equilibrio, perché un effetto giroscopico alle basse velocità non riuscirebbe a mantenere in piedi la bici. Per questo ciò che serve è la precessione, ovvero la creazione di un momento angolare tale da sopperire alla gravità e per farlo serve un fattore importante,cioè un’adeguata velocità di rotazione.

L’aspetto più importante però è un altro, che la precessione è utile perché agisce sulla ruota anteriore, che è quella sterzante, creando quindi una forza contraria a quella della gravità e consentendo di equilibrare le masse. Se la precessione venisse applicata alla ruota posteriore, la risultante sarebbe opposta, quindi nello stesso senso della gravità e farebbe cadere la bici anche alle alte velocità. Fate una prova, mettetevi a lato della bici e spingetela all’indietro, con la ruota posteriore in avanti. Nonostante la forza e la velocità di rotazione possibili, la bici cadrà dopo pochi metri. E’ la precessione che crea una risultante nel verso “sbagliato” e che fa sterzare la ruota anteriore nel senso opposto della gravità, annullando qualunque bilanciamento delle masse.

Questi tre fattori sembrano cose molto complicate ma in realtà potete averne un immediato riscontro facendo un semplice esercizio: pedalate senza mani. La bicicletta rimane stabile nonostante non ci siano nessuno a governare il manubrio. Perchè? Semplice: pedalando noi manteniamo costante il valore del momento angolare e quindi la precessione dell’effetto giroscopico riesce a vincere la forza di gravità, mentre lo sterzo non fa altro che autostabilizzarsi con piccoli spostamenti, che consentono di equilibrare le masse in maniera pressoché autonoma.

Componente umana


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In sostanza, grazie ai tre fattori dell’equilibrio, una bicicletta riesce a creare una stabilità “autonoma”, in barba alla forza di gravità e alla fisica. Visto l’esempio precedente del procedere senza mani, cosa possiamo capire? Che l’equilibrio della bicicletta è un fattore totalmente sganciato dalla presenza del ciclista in sella. Università di fisica di tutto il mondo hanno fatto numerosi test di biciclette lanciate senza alcun tipo di conducente (sia esso umano che meccanico) che riuscivano a rimanere in perfetto equilibrio per moltissimi metri, fino a che la velocità delle ruote non diminuiva, facendo decadere la precessione.

Quindi, mettiamoci il cuore in pace, una bicicletta riesce a rimanere in equilibrio anche senza di noi. Il nostro compito, sostanzialmente, è quello di “alimentare” la precessione, mantenendo elevata la velocità di rotazione delle ruote e per farlo dobbiamo semplicemente pedalare. In realtà la componente umana è importante per rendere stabile una bici instabile, soprattutto nel caso di bici pesanti, magari con borsoni anteriori o posteriori o con una gestione della masse troppo sbilanciata. In quel caso la nostra continua azione sullo sterzo aiuta la bicicletta a stabilizzarsi.

Cosa dice la scienza


fonte: scientifico.asti.it

I fisici e gli scienziati che studiano l’equilibrio della bicicletta si trovano in empasse. Si conoscono tutte le variabili che influiscono sul moto di una bicicletta e sul suo equilibrio, sono note le condizioni empiriche (cioè valutabili attraverso prove pratiche) che consentono a una bici di rimanere in equilibrio e quelle che invece le impediscono di farlo ma più di questo non è dato sapere.

Non è ancora stata formulata una chiara definizione fisica del perché la bici rimanga in equilibrio, poiché al modificare di alcune variabili, il risultato è totalmente diverso. Un matematico francese ha cercato di racchiudere il “mistero” dell’equilibrio della bici in un’equazione algebrica che fosse risolvibile ma il risultato è stata una formula con logaritmi di settimo grado difficile da utilizzare. Eppure lo studio dell’equilibrio e dell’autostabilità della bicicletta è un fattore importante che impegna numerosi centri di sviluppo e ricerca nel mondo, perché capire appieno il fenomeno consentirebbe di trovare dei sistemi per aumentare il livello di stabilità della bici stessa, permettendo così di realizzare biciclette che riescano a far fronte a buche, salti, dossi, curve, a spostamenti improvvisi dello sterzo, frenate brusche.

In sostanza capire a fondo l’equilibrio della bici permetterebbe di trovare soluzione per rendere molto più sicuro l’utilizzo stesso del mezzo a due ruote e pedali ed è un fattore di primaria importanza.

Concludendo


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Nonostante (o forse grazie ad essa) la sua semplicità la bicicletta rimane un sistema il cui equilibrio è davvero difficile da comprendere e identificare appieno. In sostanza è come la storia del calabrone: un illustre scienziato una volta disse che secondo i suoi calcoli matematici, data la massa e la dimensione delle ali, il calabrone fisicamente non può volare. Quando un giornalista gli chiese “e allora perché vola?” lo scienziato rispose: “perché nessuno glielo ha mai fatto presente”. È questo il bello della fisica: continua a funzionare anche se si cerca di dimostrare il contrario.

Tecnicismi a parte, la bicicletta spesso viene vista come un mezzo povero per chi non riesce a comprarsi la macchina oppure un modo divertente per perdere peso e nulla più ma da oggi, ogni volta che salirete in sella alla vostra bici, sappiate che state usando il più semplice, completo e meccanicamente efficiente mezzo di locomozione che l’essere umano abbia mai creato. Scusate se è poco!





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