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Autore Topic: Gli attriti nella bicicletta.  (Letto 4039 volte)

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Offline gip

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Gli attriti nella bicicletta.
« il: Dicembre 08, 2016, 10:29:16 am »
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E veniamo dunque a tirare le somme di quanto detto sino ad oggi circa gli attriti. Abbiamo detto più volte che essi generano forze che si oppongono al moto e, nelle biciclette, sono sostanzialmente tre:
-   Attrito dovuto alla resistenza aerodinamica (visto QUI);
-   Attrito dovuto al rotolamento (visto QUI);
-   Attrito interno dovuto al lavoro delle parti meccaniche.
Di quest’ultimo non abbiamo ancora parlato ma la sua spiegazione è semplice. Questo attrito è dovuto ai cinematismi presenti nella bici. Mozzi, movimento centrale, pedali, catena, cambio etc. generano piccole resistenze e l’attrito interno è la loro somma. Immaginiamo di mettere la bicicletta su un cavalletto con le ruote sospese e le pedivelle orizzontali. Carichiamo il pedale più avanzato con un peso crescente e verifichiamo quando esso inizia a scendere. C’è da aspettarsi che posando sul pedale un fiammifero non accada nulla ma, aumentando via via il peso, prima o poi, comincerà a muoversi. Il peso che farà finalmente scendere il pedale è lo sforzo aggiuntivo che dovremo produrre quando viaggiamo (mancherebbe l’attrito della ruota anteriore per essere precisi). In condizioni normali i sacri testi dicono che in una bici col cambio esterno, senza problemi meccanici e ben lubrificata, lo sforzo sottratto dagli attriti interni vale circa 2/2,5 % dello sforzo esercitato a 10 km/h col rapporto più lungo. Per bici col cambio al mozzo questo valore aumenta a 3,5/4 %. Anche gli attriti interni tendono ad aumentare con la velocità in modo impercettibile, ma non entrerò in questo ginepraio e li considererò costanti visto la loro esiguità. I valori indicati possono comunque essere differenti in funzione della bontà dei componenti di ciascuna bici. Per esempio se i cuscinetti presenti sono semplici boccole assorbiranno più energia di quelli a gabbia di sfere o quelli ceramici (ancora più scorrevoli). Questi per capirci:



Componenti di qualità, oltre a ridurre gli attriti interni, aumentano la vita della bici e il tempo di intervallo tra le manutenzioni. E cuscinetti ne troviamo parecchi in una bici; nel movimento centrale, nella ruota libera, nei pedali, nei mozzi, nella catena e nel cambio. Anche lo stato della la bici fa differenza. Se la teniamo sporca e non la lubrifichiamo mai gli attriti interni aumentano, soprattutto nella trasmissione (catena, ingranaggi, etc.), finendo col perdere fino a un ulteriore 4/5 % di efficienza. Trattandosi di degrado che cresce lentamente nel tempo è difficile accorgersi di questi peggioramenti. Solo dopo una manutenzione accurata si sente la bici funzionare meglio. Si tratta di inezie rispetto l’aumento di sforzo che ci è richiesto da una salita, ma tutto fa brodo. Altro motivo che va ad aumentare gli attriti interni è l’usura; cuscinetti, pignoni e catena usurati non fanno bene e peggiorano le prestazioni.
Apro una parentesi sul tema ‘qualità’. Molte volte vedo sul forum richieste di informazioni su questa o quella bici a basso costo. Non voglio entrare nel merito delle scelte altrui, tutte ben motivate, ma tutti sappiamo che il prezzo va a braccetto con la qualità. Se si usa la bici solo durante le eclissi va bene anche qualcosa a basso prezzo ma se la si vuole usare con continuità il mio consiglio è di prendere tempo, aumentare il budget e procurarsi un mezzo valido, che non significa necessariamente spendere una fortuna. Ho già detto in passato che se una cosa non va bene e continua a dare noie si finisce col disfarsene o abbandonarla in qualche sottoscala, e questo è un peccato. 
E veniamo alle nostre conclusioni. Ho raccolto in questo grafico tutte le considerazioni fatte sinora in altri post. Il grafico mostra gli andamenti della resistenza aerodinamica (linea Blu), della resistenza per rotolamento (linea rossa) e degli attriti interni (linea verde) sommati in un’unica curva (linea azzurra)



Ricordo che i valori di queste curve sono relative a un ciclista di 70 kg con una bici di 10 kg che spinge un rapporto 52/14 su strada piana e liscia. La bici ha ruote da 20” e pedivelle di 170 mm. La posizione assunta dal ciclista è molto alta, tipica delle bici pieghevoli. Cambiare uno di questi parametri modifica ovviamente i risultati. I valori visibili sulla curva azzurra rappresentano la forza frenante che si oppone alla forza di trazione. Se vogliamo arrivare allo sforzo richiesto alle nostre gambe dobbiamo passare prima attraverso il rapporto di trasmissione, che in questo caso è 0,18, e poi attraverso il rapporto tra forza efficace e forza reale che abbiamo visto essere 0,6367. Per esempio se vogliamo andare a 20 km/h il diagramma ci dice che abbiamo bisogno di una forza di trazione di 1,65 kgf che tradotta sui pedali dà un valore di 14,4 kgf (1,65 / [0,18 x 0,6367]) che dovremo esercitare a ogni giro sui pedali, prima con una gamba poi con l’altra. La frequenza di pedalata sarà in questo caso circa 56 pedalate al minuto.
Se vogliamo andare a 30 km/h dal diagramma ricaviamo la forza di trazione che è: 2,59 kgf. Dividendo per 0,18 e poi ancora per 0,6367 otteniamo 22,6 kgf da esercitare sui pedali a 84,3 pedalate al minuto.
Interessante a mio giudizio è vedere come questi sforzi si modificano con l’uso del cambio. Per cercare di capirlo possiamo esaminare il seguente grafico, ricavato usando il classico cambio a 6 velocita 14-28 (pignoni da 14-16-18-21-24-28 denti):



Nelle sei curve vediamo gli sforzi effettivi da applicare ai pedali per ottenere le velocità di ascissa con ciascun rapporto. La zona delimitata in rosso è una mia personalissima limitazione basata sulla frequenza di pedalata (per mero narcisismo chiamerò ‘area di gip’  8) anche se meglio sarebbe ‘area di uso prevalente’). Le due curve rosse che intersecano quelle dei rapporti rappresentano l’inviluppo di pedalate rispettivamente di 50 e di 90 cicli al minuto. Come si può vedere con questa bici a 90 rpm e col pignone di 14 denti si raggiungono i 32 km/h con una spinta di 24 kgf mentre, con il 28 denti, 16 km/h con spinta di 5,75 kgf. Questi limiti sono totalmente arbitrari in quanto non è dato conoscere le caratteristiche fisiche del ciclista. L’area potrebbe essere molto diversa nel caso di persone allenate, in grado di tenere a lungo frequenze elevate e di esercitare maggior forza sui pedali. Questi parametri sono stati assunti perché mi sembravano ‘ragionevoli’ per un uso cittadino normale, senza cioè che qualcuno che ci insegua con una mannaia insanguinata in mano. Non metto in dubbio che frequenze fino a 110 rpm o più possano essere alla portata di tanti, ma sono difficili da raggiungere e tenere a lungo nel traffico e su fondi sconnessi. Ciò non toglie che frullando a 112,5 rpm e spingendo 33,9 kgf sui pedali si possa arrivare a 40 km/h (per qualche millisecondo ci sono riuscito persino io con l’Atala, il che è tutto dire! :) ).

Resta un’ultima cosa che vorrei esaminare. Non si tratta di un attrito ma di una condizione assimilabile: la salita. Quanto incide sullo sforzo di pedalata la pendenza? È un calcolo semplice e la seguente figura mostra come fare:



Prendiamo un corpo di peso P posto su un piano di pendenza p% o di angolo a. Se si scompone la forza peso nelle direzioni normale e tangenziale al piano di rotolamento otterremo due forze Pn e Pt la cui somma vettoriale è proprio P. A noi interessa Pt che è la forza che ci frena quando andiamo in salita e ci spinge in discesa. Pt vale P x sena. La pendenza, espressa in percentuale, vale p = (h / l) x 100.  Essendo gli angoli dell’esempio relativamente piccoli possiamo, per non impastarci con la trigonometria e rendere tutto più facile, usare al posto di sena  il valore di p / 100 (non è esatto s’intende, ma è un arbitrio accettabile perché l’errore che ne deriva è circa 1%). Da cui Pt = P x p / 100. Ad esempio se abbiamo una salita dell’8% affrontata dal nostro ciclista da 70 kg più 10 kg di bici abbiamo che la forza frenante è 80 x 8 / 100 = 6,4 kg. Se affrontiamo la salita a 10 km/h col rapporto 52/24 (rapporto trasmissione 0,31) abbiamo bisogno di una forza sui pedali di (6,4 + 1,06) / (0.31 x 0.6367) = 37,8 kgf e dove 1,06 sono gli attriti. Il seguente ennesimo grafico (…vi giuro è l’ultimo… :() mostra gli sforzi in salita nei vari rapporti del nostro cambio a 10 km/h per pendenze dall’1% al 15%.



È evidente che la salita aumenta in modo enorme lo sforzo sui pedali. Ed è da notare inoltre che la nostra trasmissione non è adatta a tutti su pendenze superiori al 7 / 8%. Anche in prima marcia si ha uno sviluppo metrico troppo alto per salite dure. Serve quindi lavorare sui rapporti del cambio e i denti della corona. 
E con questo concludo la mia lunga disquisizione sugli attriti nella speranza di non essere stato troppo oscuro e noioso :-[. Ringrazio sin d’ora quei tre o quattro che hanno avuto l’eroica pazienza di seguirmi fin qui.
Ciao a tutti.


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« Ultima modifica: Marzo 14, 2017, 11:08:19 pm by occhio.nero »


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Offline Matt-o

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R: Gli attriti nella bicicletta.
« Risposta #1 il: Dicembre 08, 2016, 01:46:42 pm »
Brompton M6L nera - CO2 NON emessa a settimana: 9.3 kg

Offline sbatta

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« Risposta #2 il: Dicembre 08, 2016, 02:34:22 pm »

Offline boccia

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« Risposta #3 il: Dicembre 08, 2016, 02:40:58 pm »
Presente, e siamo già in due... ;)

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