PERCHÉ LA BICI STA IN PIEDI

1. IL MISTERO

Si potrebbe cominciare con un indovinello «quale è quella cosa che quando va sta in piedi e quando si ferma cade? (Non perché è stanca)»

Ma è proprio la nostra bici questa strana cosa; lo stesso nome "bici" è indice di due, di due ruote e quindi di due soli punti di appoggio, ne consegue che la bici non é un mezzo che sta "in piedi" da sola, perché, come tutti sanno, per tenere stabilmente fermo un oggetto su un piano servono almeno tre punti di appoggio(anzi, tre punti sono proprio il numero ottimale).

Però quando la nostra "cosa" è in marcia, lei sta in piedi assieme a chi la monta e la fa andare.

 

Andiamo perciò a vedere ora quale é il fenomeno che fa stare la bici "in piedi", cosa succede quando il mezzo meccanico é in movimento.

1.1 l'effetto giroscopico

Sfatiamo subito il discorso che la bici sta in piedi a causa dell'effetto giroscopico dovuto alle ruote che girano, anche se in una trasmissione televisiva pseudo-scentifica lo hanno presentato come la principale causa dello stare in piedi della bici. (ho scritto facendo loro notare l'errore ma la mia lettera non ha avuto seguito).

L'effetto giroscopico (spiegato in Nota 1) è presente in ogni corpo in rotazione, il suo effetto è legato alla velocità ed al peso della massa in rotazione ed é l'effetto per il quale il corpo in rotazione tende a mantenersi sullo stesso piano di rotazione opponendosi a eventuali forze che tenderebbero a portarlo su un' altra posizione.

 

Tale effetto trova una infinità di applicazioni in molteplici campi; dagli stabilizzatori delle grandi navi, alla guida automatica di aerei, ai controlli della direzione dei razzi, delle sonde, delle navicelle spaziali, ecc.

 

Nella bici detto effetto, dovuto al peso ed alla velocità delle ruote in movimento, è molto limitato perché il peso delle ruote è abbastanza ridotto (e tutti i ciclisti fanno del tutto per diminuirlo, compatibilmente con i costi) e la velocità in gioco è di valore tale che il prodotto massa-velocità, assume un valore inadeguato a stabilizzare il peso dell'accoppiata uomo-bici

 

Sappiamo inoltre che un ciclista riesce a stare "in piedi" sulla sua bici anche viaggiando a 2-3 Km/ora e perfino rimanendo fermo (es. vedi i surplace dei pistards), cioè in assenza assoluta di effetto giroscopico.

Nel caso delle bici da fuori strada, le ruote sono molto più pesanti di quelle da corsa, ma la velocità in gioco è più bassa e quindi anche qui l'effetto giroscopico NON stabilizza il sistema

  

Si può quindi concludere che detto effetto non é la causa che fa stare in piedi una bici normale.

 

Autorevoli riviste hanno pubblicato vari articoli in merito, ad esempio sul numero 127 (novembre 1981) della "La Recherche" nell'articolo "La bicyclette" sono descritti gli studi e le esperienze fatte con bici munite anteriormente (la ruota responsabile della direttività del mezzo) di due ruote, quella normale ed una seconda dello stesso peso che girava in senso opposto per annullare l'effetto giroscopico della prima. L' autore D.E.H. Jones aveva chiamato tale mezzo "unridable bicycle" (bici non usabile); ma in pratica  la bici si è dimostrata essere un mezzo usabilssimo; la conclusione dell'esperienza è stato il seguente:-  l'effetto giroscopico non è la forza che tiene in piedi il sistema uomo+bici.

1.2 eppure sta in piedi

E allora perché si sta in piedi?

 

Il principio base generale per non cadere é il seguente: un corpo qualunque sta "in piedi" quando la linea verticale risultante somma di tutte le forze che influiscono sul corpo, (gravità, forza centrifuga, vento, ecc. ) passante per il suo baricentro cade entro la sua area o linea (nel nostro caso) di base.

 

Lo "stare in piedi della bici" quando è in movimento (lasciamo fare gli equilibristi ai pistards) non si discosta da quanto detto sopra e dipende da diversi fattori (oltre il pur minimo effetto giroscopico) come le caratteristiche geometriche dello sterzo, il tipo di gomma, la dimensione della bici, il peso del ciclista, e l'importantissimo senso di equilibrio del ciclista stesso (senso vestibolare ecc.).

 

 

1.2.1 dimostrazione

Per dare una dimostrazione del "mistero" qui sulla carta, dobbiamo considerare una bici ferma e fare le dovute osservazioni valide per la bici in viaggio; comunque, niente paura, il principio base verrà ragionevolmente spiegato, almeno lo spero.

Prendiamo una bici di qualsiasi tipo e facciamo la seguente prova:

Con qualche artificio teniamo ferma la ruota anteriore nel punto ove tocca il terreno (punto O di fig.3) in modo di non farla andare ne avanti ne indietro ma che sia solo possibile farla ruotare col manubrio sia verso destra che verso sinistra.

Si nota benissimo che se si ruota il manubrio verso destra il telaio si sposta verso sinistra e viceversa, analogamente si sposterà il sellino ed il corpo del ciclista; ecco questo é  tutto il "segreto" dello stare in piedi.   In pratica, quando il sistema bici+uomo é in viaggio, il ciclista fa dei movimenti, più o meno spontanei, spostando il sistema di guida (ed anche il suo corpo) a destra o a sinistra ottenendo, come risultato medio, il fatto che il baricentro del sistema rimane in mezzo tra i due possibili spostamenti, in pratica si opera per mantenere il baricentro del complesso entro la stretta linea di base (fig. 3).

 

Chi sale per la prima volta su una bici non ha immediatamente il dovuto senso dell'equilibrio e segue l'istinto della "paura", cioè  piega il manubrio nel senso opposto al lato ove sta per cadere, in questo modo il telaio ed il guidatore si spostano ancora di più verso il lato di caduta.

 

A conferma di quanto detto andiamo ad assistere ad una gara di velocità in pista. Avete mai visto i velocisti quando fanno il "surplace"? (Adesso non si usa molto).   Loro sono sulla bici e sono fermi senza appoggiarsi ad alcun sostegno, spostano il manubrio ed il corpo a destra o a sinistra, inconsciamente fanno proprio in modo che si verifichi quanto detto sopra, cioè che la linea verticale passante per il baricentro del sistema passi sempre per la loro linea di base; vederli in azione è esattamente il vedere in funzione il "segreto".

Detti movimenti sono schematizzati in fig. 3.

 

Lasciamo i pistards alle prese coi loro surplace e torniamo al nostro problema; riassumiamo dicendo che la bici sta in piedi grazie a continue microsbandate controllate inconsciamente dal senso di equilibrio del ciclista, tutto qui.

 

1.3 il sistema di sterzo

Tutte le manovre di cui sopra si possono effettuare grazie alla funzionalità del sistema di sterzo; i cuscinetti a sfere o meglio a rulli, rendono lo sterzo molto lieve da manovrare, tanto che quasi non ci accorgiamo della sua esistenza e dei movimenti che facciamo, a meno che...a meno che, qualche sfera non si rovini o che  la sede di scorrimento delle sfere stesse non si "impallini"; se poi lo sterzo si blocca non c'è effetto giroscopico che tenga, rimangono solo le cadute.

  

Da quanto detto prima si può affermare che non si può andare in bici con lo sterzo bloccato.

 

Il sistema di sterzo di una bici è una combinazione di opportune angolature che, studiate o nate, esperienze dopo esperienze,  dai primordi dello sviluppo delle bici, hanno fatto e fanno del sistema un assieme sorprendentemente funzionale che vale la pena di analizzare un po' a fondo; mi riprometto pertanto di rifarmi vivo su questo argomento.

 

 

 


 

1.4  NOTA 1

 

 

 

L'effetto giroscopico si può ricondurre molto più generalmente al semplice problema della composizione delle forze, valida per tutte le applicazioni dinamiche (un bue tira a nord, un bue tira a est e l'aratro va a nord-est).

Per fare un esempio verificabile da tutti, invece di considerare un peso che ruota attorno ad un asse (cerchio, tubolare e mozzo) consideriamo un peso qualunque appeso tramite un filo ad un punto fisso (Fig. 1). Se il peso P é in stato di quiete (es., filo a piombo) la applicazione ad esso di una forza F lo farà spostare da P a P1 nella stessa direzione della forza . Ora facciamo muovere il nostro peso come un pendolo (Fig.2); quando esso si trova nel punto più basso del suo percorso (massima velocità), sarà mosso dalla forza F1, e se in quel momento vi applichiamo la stessa forza F il peso P non si sposterà in P1 ma in P2, cioè lungo una direzione risultante della composizione delle due forze in gioco.

Le medesime situazioni si possono applicare alla ruota in movimento, la forza F1 è quella dovuta alla velocità periferica della ruota  ed al suo peso P, (concentrato in periferia,) mentre la forza F è quella che tenderebbe a far deviare la ruota dalla sua posizione verticale, cioè a far cadere la ruota stessa (e la bici + uomo).

1.4.1 prova sull'effetto giroscopico

L'effetto giroscopico relativo ad una ruota di bici lo si può ben notare  facendo la seguente prova:  tenendo tra le due mani i due estremi del perno della ruota mantenuta verticale, quando la ruota è ferma, ogni cambiamento di posizione della ruota lo si può effettuare con facilità, cioè non c'è alcuna forza antagonista al nostro agire; ma se si fa girare la ruota, ogni variazione di posizione (applicazione della forza  F) avviene con una certa difficoltà, cioè agisce la forza F1 dell' esempio del pendolo che fa da antagonista alla nostra forza di spostamento.

Come notizia che esula il campo della bici, aggiungiamo che l'effetto giroscopico è molto sfruttato ogni qualvolta occorre stabilizzare un qualunque veicolo soggetto a forze casuali, dalle navi, alle navette spaziali, ai satelliti artificiali, ai treni monorotaia, alle bussole, ecc. I questi casi si inserisce in detti veicoli un adatto equipaggiamento avente peso e velocità di rotazione appositamente calcolati in relazione al peso del mezzo da stabilizzare.

 

Arrivederci al prossimo quaderno che tratterà del calcolo ottimale della frequenza delle pulsazioni del cuore.                   

( Lino Succhi )

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