La il materiale per costruire biciclette è un mix di elementi di meccanica, metallurgia, design, aerodinamica ed innovazione. Nel corso degli anni i progettisti e le case ciclistiche hanno sperimentato diverse soluzioni per contrastare lo strapotere dell’acciaio prima e del carbonio poi.
In origine le prime bici erano costruite quasi interamente in legno (oggi utilizzato solo per la costruzione di manubri e cerchi).
Il
legno ha una buona resistenza a trazione, un peso ridotto e, come già detto, un’eccellente assorbimento delle vibrazioni.
Il punto debole è il facile invecchiamento che può essere migliorata attraverso trattamenti termici e chimici.
A livello ciclistico invece (primi decenni del 1900), le bici erano molto pesanti costruite da robuste tubazioni d'
acciaio.
Circa 20 kg, in quanto dovevano resistere alle sollecitazioni meccaniche inferte dai terreni sconnessi (a quei tempi le strade non erano ancora asfaltate).
Vero che con il passare dei decenni, le bici diventano sempre meno pesanti ma la vera rivoluzione si ha negli ultimi 30 anni quando l'acciaio venne sostituito da materiali più leggeri e performanti, come l'alluminio, la fibra di carbonio ed il titanio; anche l'aerodinamica subì un'evoluzione: forme sempre più moderne ed esteticamente accattivanti, si resero necessarie per fare meno fatica e competere ad alti livelli.
GALLERIA DEL VENTO
Tra i primi a sperimentare la "
Galleria del Vento" negli anni 90 fu Miguel Indurain.
Si tratta di un impianto a circuito chiuso verticale, al cui interno si trovano due sezioni di prova, dalle caratteristiche complementari, ottimizzate per le prove di Ingegneria del Vento (sezione a strato limite) e per quelle in ambito aeronautico.
All'interno troviamo 14 ventilatori in parallelo, del diametro di 2 metri ciascuno, che erogano una potenza complessiva di 1.5 MW (MegaWatt).
La parte superiore dell’edificio ospita la sezione di prova a strato limite.
La velocità massima del vento in questa sezione è di 16 m/s, pari a 57.6 km/h, con un Indice di Turbolenza (IT) inferiore al 2%, con possibilità di simulazione dello strato limite tipico del vento terrestre (IT>25%).
La bicicletta viene fissata su un supporto che consente la rotazione di entrambe le ruote, con due rulli collegati tra loro da una cinghia dentata, e permette all’atleta di assumere la posizione preferita. Sotto alla base si trova una grande bilancia di precisione che misura la forza di trascinamento (drag). Alcune telecamere riprendono gli esperimenti e interfacciano le immagini con il rilevamento dei dati strumentali.
E' presente anche una camera di prova aeronautica, che misura 4×3.84×6 metri, con la possibilità di effettuare prove sia in camera chiusa sia in getto libero. In questo ambito, la velocità massima del vento è di 55 m/s. Ciascuna camera è dotata di un piano rotante circolare del diametro di 2.5 metri e di un sistema di traversi che permette di effettuare rilievi di scia, variando anche l’angolo d’incidenza.
La sezione a strato limite viene utilizzata dalle case produttrici di telai, componenti ed abbigliamento.
Le misurazioni effettuate nella Galleria del Vento sono rivolte al miglioramento dell’efficienza aerodinamica, parametro che può portare benefici molto grandi in termini prestazionali. Gli obiettivi sono la riduzione della superficie di esposizione all’aria e l’ottimizzazione della posizione di guida, dell’abbigliamento e dei componenti.
Inoltre vengono condotti esperimenti su diversi modelli, per stabilire il risparmio energetico e l’incremento di velocità derivanti da una ipotizzata riduzione della superficie esposta all’aria.
La riduzione della superficie esposta all’aria passa attraverso lo studio di ogni singola componente del sistema bici+ciclista. Ciò che influenza maggiormente l’aerodinamica è la ruota anteriore, poiché è il primo ostacolo incontrato dal flusso dell’aria frontale.
Una ruota lenticolare (utilizzata nelle cronometro) garantisce la migliore penetrazione aerodinamica, innescando le turbolenze del drag solo dopo la sua intera sagoma. Tuttavia, una ruota lenticolare porta a problemi in presenza di vento laterale che complicano ulteriormente i due tipi di moto della ruota, quello traslatorio (lungo il senso di marcia) e quello rotatorio (intorno all’asse dei mozzi), rendendo molto difficoltosa la guida.
Le ruote ad alto profilo portano vantaggi aerodinamici in molte situazioni, risentendo però della massa inerziale durante le salite. L’utilizzo in fase costruttiva di materiali sempre più leggeri le sta rendendo tuttavia sempre più performanti e utilizzate.
Il drafting, cioè il pedalare in fila indiana, porta enormi vantaggi ai ciclisti che seguono il capofila. Il beneficio del secondo atleta in termini di resistenza aerodinamica è di circa il 45%, valore che aumenta con l’aggiunta di altri componenti la fila.
ALLUMINIO E CARBONIO
Come detto l'acciaio dominò per gran parte del secolo del 1900, sino a che iniziarono a vedersi negli anni 90 le prime bici in
alluminio (anche se i primi prototipi risalgono agli anni 70).
Ad esempio si ricordi Biarne Riis nel Tour 1996.
Per quanto riguarda l'alluminio, in seguito è stato miscelato ad altre leghe, ad esempio il Duralcan: una lega di alluminio combinata con elementi ceramici. Questi ultimi vengono aggiunti alla lega base di alluminio per migliorare le caratteristiche di resistenza meccanica, di allungamento e la bassa resistenza alla fatica intrinseca dell’alluminio, senza però aumentarne il peso.
Sempre nello stesso periodo si sono viste le prime bici in
carbonio (inizialmente nelle crono).
Il carbonio è un materiale composto di fibre di carbonio e resina epossidica che fa da collante e protegge le fibre dalle aggressioni chimiche, meccaniche e climatiche. L’intreccio delle fibre forma un tessuto molto leggero ma anche dalla grande resistenza meccanica che lo rende ideale per l’uso nell’industria ciclistica.
Il principale valore della fibra di carbonio è che può essere orientata in modo da fornire rigidezza o flessibilità nei punti critici del telaio a seconda delle esigenze progettuali e questo consente di creare telai molto reattivi ma anche in grado di assorbire le vibrazioni.
L’utilizzo di fibre più resistenti consente di utilizzare meno materiale e quindi di eliminare peso in eccesso.
Le lavorazioni in carbonio sono molto più difficoltose (quindi costose) di quelle in alluminio.
MAGNESIO
Tra i metalli strutturali il
magnesio è quello più leggero. La sua densità è pari a soli 1,739 g/cm3, circa un terzo dell’alluminio (peso inferiore di circa il 35%, rispetto all'acciaio del 75%!).
La sua bassa densità, unita a proprietà meccaniche molto interessanti permette di realizzare componenti leggeri e molto resistenti.
Inoltre il materiale assorbe bene le vibrazioni.
Un difetto però può essere ricercato nella notevole predisposizione alla corrosione. L’utilizzo di leghe iperpure ha migliorato la situazione, riducendo al minimo la presenza di nichel, rame e ferro.
Il basso punto di fusione richiede inoltre una lavorazione molto attenta per cui arrivare alla tecnica migliore non è stato facile anche perché il magnesio fuso deve essere protetto dal contatto diretto dell’ossigeno che ne provocherebbe un decadimento veloce delle qualità. Le precauzioni da adottare per la sua lavorazione hanno dovuto fare i conti anche con la sua alta tendenza ad incendiarsi quando portato allo stato liquido.
Componenti in magnesio sono utilizzati da tempo, telai in magnesio solo dai primi anni del 2000.
Oscar Pereiro Sio, a seguito della squalifica di Floyd Landis al Tour De France 2006, vinse con una bici in lega di magnesio.
CARBONIO AEROSPAZIALE
La Pinarello ha sviluppato durante l'era "britannica" del Tour De France le primi bici asimmetriche in
carbonio aerospaziale.
Si ricordi la dogma 60.1 di Bradley Wiggins.
Poi la dogma 65.1 e F8 di Chris Froome e l'F10 di Geraint Thomas.
Ad esempio l'F10 presentava un tubo obliquo innovativo a doppia sezione con alloggiamento per la centralina del cambio, rinforzato all’altezza dell’attacco sella, carro posteriore asimmetrico e forcella dritta di derivazione della dogma 60.1 con la quale Wiggins ha stabilito il record dell’ora.
Migliora così l’aerdinamica (12,6%), la rigidezza (7%) e cala il peso (6,3%).
Come si sa, la fibra di carbonio in caso di impatto violento si spezza provocando tante microfratture. Il carbonio aerospaziale ha sopperito a questo problema inventando di fatto un sistema che impedisce il propagarsi di microfratture o impedendo il cedimento immediato con la rottura netta della fibra.
Si tratta di nanoparticelle distribuite all’interno del reticolo fibroso del carbonio che in caso di urto agiscono sul problema.
L’utilizzo di una fibra ad altissima resistenza ed affidabilità come la Torayca 65HM1K Nanoalloy™ technology permette di utilizzare meno materiale rispetto ad altre fibre convenzionali, questo ovviamente a favore del peso aumentando paradossalmente la stabilità e la sicurezza.
MATERIALI ALTERNATIVI
Non sono utilizzati a livello di ciclismo però come materiale di costruzione sono molto utilizzati anche titanio e berillio.
La bici in
titanio è leggera come l’alluminio, robusta come l’acciaio e resistente come la fibra di carbonio.
Il titanio è ricavato tramite procedimenti chimici da un minerale denominato ilmenite, dove l’elemento titanio è legato a minerali di ferro. Attraverso procedimenti chimici con acidi cloridrico prima e solforico poi, il titanio viene liberato dalla lega con il ferro e si presenta puro e lavorabile.
In realtà si parla di leghe di titanio, che si differenziano dal titanio puro poiché legate con altri minerali come il vanadio.
La sua applicazione nel ciclismo risale agli anni ’70.
Il titanio ha una densità che è circa la metà dell’acciaio, anche se si mantiene doppia rispetto a quella dell’alluminio. La resistenza a trazione e a compressione è molto elevata.
Il titanio eccelle sia per rigidezza che per resistenza a fatica, tanto che alcuni lo considerano un materiale eterno, alla pari della fibra di carbonio, che però soffre l’influsso dei raggi UV.
Inoltre il titanio, se lavorato correttamente, è immune alla corrosione, infatti viene utilizzato nelle coperture esterne di palazzi, poiché lo strato esterno del titanio è già ossidato da un film resistentissimo.
La realizzazione di un telaio in titanio è molto particolare e necessita di apparecchiature specifiche. Infatti questo materiale è molto difficile da lavorare alle macchine utensili, per via della sua durezza, e richiede elevate coppie e numeri di giri.
Il problema del titanio è che è molto costoso per via del complesso procedimento chimico per la sua estrazione e per la difficile lavorazione (richiede macchinari appositi).
Il
berillio, elemento metallico molto duro e leggero, ha un costo di produzione elevatissimo, anche superiore a quello del titanio! Riesce però a essere meno denso dell’alluminio di quasi 1/3, ha un’ottima resistenza alla trazione e un alto modulo di resistenza. Se dividiamo il modulo di resistenza meccanica per la sua densità, otteniamo il valore più alto di tutti i metalli esistenti al mondo.
Tuttavia si tratta di un materiale raro e di difficile produzione.
Nella costruzione di telai di biciclette è stata testata una soluzione, formata da una lega di alluminio e berillio in % differenti, per ottenere un telaio molto resistente e leggerissimo ma dal prezzo improponibile.
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