Biciclette Aero: il peso delle ruote non ha importanza e la galleria del vento lo dimostra

Biciclette Aero: il peso delle ruote non ha importanza e la galleria del vento lo dimostra

Parliamo di aerodinamica, di ruote ad alto profilo e del peso delle ruote. Vediamo come questi fattori ed altri possano influenzare le prestazioni di un ciclista non professionista. Per affrontare quest’argomento vi propongo una libera traduzione di un articolo scritto da Dave Atkinson, sul bike magazine road.cc:


 

I tecnici della casa produttrice di ruote Swiss Side passano molto tempo nella galleria del vento e alcune delle cose che scoprono potrebbero non essere quelle che ci si aspetta.

Sono andato in una galleria del vento e ho imparato alcune cose. La prima è che una galleria del vento non è necessariamente un tunnel.
Avevo un’immagine nella mia mente di un tubo completamente chiuso e incontaminato come si vede nelle pubblicità di auto. Ottagonale, probabilmente. Forse con tracce di fumo, e sicuramente con un grande ventilatore ad un’estremità. La realtà è un po ‘diversa.

La galleria del vento della GST presso l’Airbus Defense and Space facility, alla periferia di Friedrichshafen, è una vecchia struttura; era la galleria del vento di Dornier quando Dornier costruiva aerei, e c’è ancora un buon numero di interruttori e lampadine a filamento nella sala di controllo. Ora per lo più viene utilizzata per testare componenti di bici e modelli in scala di droni. Ma è un buon impianto, dice Jean-Paul Ballard della Swiss Side, che mi ha invitato a passare un’ora o due a seguire i loro test. Ha un po’ di esperienza nell’aerodinamica, avendo lavorato per 14 anni in Formula 1 come ingegnere capo in diverse squadre. Il team Swiss Side in più di 50 anni di F1 ha maturato molta esperienza in galleria del vento.

Abbiamo passato un po’ di tempo ad eseguire una serie di test standard . Così ho tratto diverse conclusioni che vado ad illustrarvi a partire da questa …

1. Più sei lento, più importante è l’aerodinamica.

Bene, fino a un certo punto.

Esatto: tutti voi ciclisti “lenti” là fuori – e mi considero fermamente uno di voi – avete bisogno di aerodinamica più di tutti. Questa è follia, giusto?

Sbagliato. Questa conclusione apparentemente contraddittoria è spiegata da un singolo grafico dei test di base che abbiamo eseguito durante la nostra ora nella galleria del vento. Ecco qui:

Cosa ci dice questo grafico? Sta mostrando la resistenza di una ruota di gamma a vari angoli di imbardata. La linea blu in basso è una bici da cronometro Argon 18; lasciamola perdere per ora e concentriamo l’attenzione sulle quattro linee in alto. Sono relative a quattro ruote diverse montate sullo stesso telaio, un Cervelo R5 (non un P5 come dice la leggenda). Sono tutte ruote Swiss Side: la Heidi (blu chiaro), a basso profilo e tre Hadron: L’80mm Hadron 800+ è in rosso, l’Hadron 625 da 62,5 mm in arancione e l’Hadron 485 da 48,5 mm in verde.

Che cos’è l’imbardata?

L’imbardata (yaw – da ora in poi lo indicheremo così) è l’angolo del vento rispetto alla bici. Quindi se stai pedalando controvento, l’angolo di yaw è zero, e se sei fermo con un vento laterale diretto, è di 90 °. Quando sei in movimento, lo yaw è una combinazione di velocità e direzione del vento e della velocità della bici.

Iniziamo ad analizzare la resistenza dalla bici a yaw zero. Qualunque sia la ruota montata, la resistenza della bici che sta procedendo contro vento è più o meno la stessa. Io ho sempre avuto l’idea che cerchi ad alto profilo fendessero bene l’aria. In realtà, non è da lì che provengono i vantaggi.

Una volta che l’angolo yaw inizia a crescere, si nota una marcata differenza tra le ruote aero rispetto al basso profilo. La linea della ruota Heidi continua ad crescere dopo i 6° mentre le linee delle ruote Hadron  scendono fino a 20 ° yaw , le loro linee sono ben al di sotto dei valori del cerchio standard.

Perché? Perché il flusso d’aria rimane attaccato al cerchio, piuttosto che rompere e causare turbolenze che si trascinano contro la bici. È a questi angoli yaw più alti che i vantaggi sono più evidenti. Ed è lì che ti si guadagna tempo.

Più velocità, meno yaw

Immaginiamo poi un ciclista che viaggia alla velocità della luce. Il vento sarà sempre frontale, un angolo yaw pari a zero: per quanto soffi forte, la velocità e la direzione del vento non avranno alcun effetto visibile. Dal momento in si ralente, il fatto che ci si sta muovendo più lentamente significa che è possibile una range maggiore di angoli di yaw indipendentemente dalla velocità del vento. E se si rallenta fino a fermarsi, tutto continua: a prescindere dalla direzione del vento, l’angolo yaw è relativo alla direzione in cui si sta procedendo.

Tutto chiaro fino a qui? Il risultato pratico è che più velocemente si va, più bassa è la gamma di angoli di vento relativi che si sperimentano. I professionisti in condizioni normali non vedranno nulla oltre i 10 °, mentre noi spacconi sportivi  di categoria inferiore vedremo uno yaw molto più alto per lo stesso vento, perché non possiamo attraversarlo così velocemente. E sono quegli angoli di yaw più alti che vedono i maggiori vantaggi, fino ai 20° quando il flusso d’aria si stacca dal cerchio e si perde il vantaggio aerodinamico.

“I ciclisti più veloci generano più resistenza”, aggiunge Jean-Paul, “perché la resistenza è proporzionale al quadrato della velocità, ma i rider più veloci sono anche in rotta per meno tempo e sperimentano una gamma più ristretta di angoli di imbardata. Guarda che i corridori più lenti risparmiano in effetti più tempo in termini assoluti: sono fuori strada più a lungo e possono quindi beneficiare dei guadagni aerodinamici maggiori  più a lungo “.

Quindi esci e compra alcune nuove ruote aerodinamiche, ciclista ordinario! Di’ loro che ho detto che andava bene. Assicurati di montare le gomme giuste, però. Perché…

2. Se si montano pneumatici sbagliati le ruote non saranno più aerodinamiche

Questo è stata forse l’informazione più sorprendente dell’intera sessione. Non è qualcosa che abbiamo provato in quella giornata, perché sfortunatamente non c’era il tempo di testare molti pneumatici, ma Jean-Paul di Swiss Side mi ha detto che avevano provato molto, ed i risultati sono interessanti. Anzi più che interessanti. Si sta parlando del flusso d’aria che passa sopra la ruota.

Guardando gli pneumatici si notano di frequente delle particolari lavorazioni sulle superfici laterali (vedi la foto qui sotto), finalizzate a favorire l’aerodinamica (trips); piccole sezioni sollevate o ruvide. Alcune ruote e pneumatici di bicicletta le hanno in quanto subiscono lo stesso trattamento. Queste lavorazioni possono generare turbolenze che aiutano il flusso d’aria a rimanere attaccato alla superficie. Il disegno del battistrada di uno pneumatico può agire come trips e aiutare la ruota a rimanere aerodinamicamente efficiente agli angoli di imbardata più alti. Può farlo. Non sempre lo fa.

“La gomma migliore che abbiamo trovato è la Continental GP4000S”, mi ha detto Jean-Paul, “ed è quello con cui le nostre bici di prova sono state allestite. Il disegno del battistrada è stato progettato con quella finalità? Probabilmente no”, ha ammesso, “è più che probabile una coincidenza. Ma ci sono altri produttori di pneumatici che stanno progettando i loro profili laterali con l’aerodinamica in mente, che ne stiano parlando o meno”.

“Se montiamo un GP4000S su una delle nostre ruote Hadron, il flusso rimarrà attaccato fino a 18 o 20 ° di yaw”, ha dichiarato Jean-Paul. Mentre “con un altro pneumatico, uno con un profilo completamente liscio, il grafico mostra che si scende a 8-10 °”.

Uno sguardo al nostro grafico di imbardata sopra mostra che si perde quasi tutto il vantaggio aerodinamico di un’alto profilo, in questa situazione. Questo è un grosso problema, che la maggior parte delle persone non avrà affatto considerato nell’intera equazione aerodinamica.
Quindi, come sapremo se lo  pneumatico che montiamo è buono o cattivo? Non possiamo saperlo. Tranne se si sta utilizzando pneumatici GP4000S, nel qual caso siamo fortunati. Al contrario se stiamo utilizzando pneumatici che non hanno alcun profilo del battistrada, come è molto probabile che sia, allora non va bene.

Quindi, hai le ruote alto profilo che ti fanno sembrare un pro, e le tue gomme con il disegno aerodinamico. Ma quei cerchi sono pesanti: forse un paio di etti in più rispetto alle ruote di uno scalatore. Non andrà a penalizzare tutto quel prezioso vantaggio aerodinamico?

Beh no. perché…

3. Il peso è un problema secondario il più delle volte

Cosa è più importante, peso contenuto o aero?

Dunque una ruota ad alto profilo con pista frenante in alluminio, quindi di prezzo contenuto, ma più pesante rispetto ad una ruota full carbon, più costosa, può portare svantaggio su una differenza di peso di 100 gr tra l’una e l’altra?

Swiss Side ha costruito questo grafico dove mette a confronto sullo stesso percorso i dati di un ciclista di 75 kg su una bici da una bici da 8 kg e una bicicletta da 8,1 kg: il paragone viene su quanto tempo impiega a percorrere 120 km con 1200 m di dislivello. Il tempo aumenta di soli 3’’.  Aggiungendo peso al ciclista che procede a quella velocità su quel terreno le differenze sono minime. 100 g è 1,25% del peso della ruota; anche a quadruplicando questo valore il ritardo è di soli 17 secondi.

Aumentando la resistenza dell’aria sulla bici alla stessa percentuale (1,25% penalizzazione aerodinamica) si arriva ad un ritardo di 22 secondi.

Ora questi non sono ancora numeri importanti: poco meno di un minuto e mezzo in quattro ore di guida. Ma la differenza è sicuramente significativa: i vantaggi aerodinamici valgono sei volte rispetto l’aumento di peso e la conclusione corretta dalle statistiche di Swiss Side sarebbe che su terreno ondulato valga la pena diventare più pesanti in favore dell’aerodinamicità.

Ma sicuramente c’è un punto critico? Certo, ma è molto lontano da dove ti potresti aspettare.

Il grafico qui sopra mostra cosa potrebbe fare un ciclista medio su una salita di 20 km con una pendenza media del 4%, procedendo a 211 W per poco meno di un’ora. Questo è certamente realizzabile per molti di noi.

Questo è il punto di svolta, più o meno, per questo ciclista immaginario. Se la pendenza media è del 4% o superiore, i guadagni di peso significano un risparmio di tempo maggiore rispetto a quelli aerodinamici.

A meno che non si tratti di una lunga salita impegnativa – o di un vero e proprio giro di montagna – allora è meglio ottimizzare la bicicletta per tagliare il vento piuttosto che risparmiare il peso. Se è una sorpresa per te, beh, lo è stato anche per me.

Un’ultima nota sui freni a disco

I freni a disco, attualmente non sono aerodinamici. Sono sicuro che lo avete intuito tutti. L’entità della differenza è abbastanza significativa.

“Abbiamo misurato un aumento del 16% della resistenza della ruota tra un set di ruote disc e un set di ruote a pattini”, ci ha detto Jean-Paul. “Abbiamo eseguito un test con le Zipp 303FC nella versione standard e nella versione con freni a disco. Questo 16% è un offset costante nella curva delle prestazioni sull’intera gamma dell’angolo del vento trasversale.”

Quindi c’è del lavoro da fare lì, ma quanto può effettivamente essere fatto? La resistenza extra deriva essenzialmente da tre fonti. Il rotore stesso aggiunge resistenza, e poiché le ruote del disco hanno bisogno di più raggi per far fronte alle forze frenanti, c’è anche più resistenza. Inoltre, un mozzo a disco contiene più materiale e deve essere costruito per resistere alla torsione del mozzo, poiché le forze frenanti sono solo su un lato. Per questo motivo, il corpo del mozzo è generalmente più grande e aumenta la resistenza.

Cosa si può fare con queste tre fonti di trascinamento extra? In realtà, probabilmente non è una quantità enorme, e i sistemi a disco continueranno a essere svantaggiati in termini di aerodinamica. Quindi, se vuoi fendere l’aria il più possibile, per ora sono meglio i freni a pattino.

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