Quando si parla di resistenza al rotolamento di una bicicletta, la prima variabile che viene in mente è quasi sempre la pressione degli pneumatici. È certamente importante, ma dice solo un aspetto della questione. Lo pneumatico non rotola nel vuoto: sotto di sé trova una superficie che può essere liscia e rigida, ruvida, deformabile oppure addirittura cedere sotto il suo peso.
È proprio il fondo stradale a cambiare in modo sostanziale ciò che succede nella zona di contatto tra gomma e terreno.
Occorre distinguere due fenomeni. Da una parte c’è la resistenza al rotolamento, cioè l’energia che viene assorbita dalla deformazione dello pneumatico e della superficie nel normale avanzamento della ruota. Dall’altra ci sono le perdite provocate da buche, pietre, giunti, pavé e irregolarità: in questo caso una parte dell’energia serve ad accelerare verticalmente la bicicletta e il ciclista oppure viene dissipata dalle vibrazioni.
Nella realtà, poi, i due fenomeni si sovrappongono continuamente.
Asfalto e cemento: quando il fondo sembra non contare
Su una superficie liscia e rigida il problema è relativamente semplice. Lo pneumatico si deforma sotto il carico, creando una zona di contatto con il terreno. Mentre la ruota avanza, la distribuzione delle pressioni all’interno di questa zona non è perfettamente simmetrica: la deformazione del materiale fa sì che una parte della forza di sostegno agisca leggermente davanti all’asse della ruota. Da qui nasce una coppia resistente che si oppone all’avanzamento.
È uno dei motivi per cui uno pneumatico non può avere resistenza al rotolamento nulla nemmeno su una superficie perfettamente liscia.
Le misurazioni riportate per pneumatici da bicicletta su superfici dure e lisce collocano normalmente il coefficiente di resistenza al rotolamento in un intervallo compreso indicativamente tra 0,002 e 0,010, con una forte influenza esercitata da pressione, diametro della ruota e costruzione dello pneumatico. Per un sistema ciclista-bicicletta di 80 chilogrammi questo corrisponde, nell’intervallo indicato, a una forza resistente complessiva di circa 1,5-7,8 newton.
Sono numeri piccoli, ed è proprio questo il punto. Su un buon asfalto la bicicletta è una macchina estremamente efficiente. Ma basta cambiare superficie perché il quadro inizi a modificarsi.
Non tutti i fondi duri sono uguali
Una superficie può essere dura e contemporaneamente essere tutt’altro che liscia.
È il caso del cemento più ruvido, dell’asfalto deteriorato, del macadam o della ghiaia compatta. In queste condizioni la ruota non incontra semplicemente un piano sul quale deformarsi: deve continuamente superare piccole irregolarità.
Le prove condotte su pneumatici da bicicletta mostrano proprio questo effetto. Su cemento e ghiaia rullata, con pneumatici leggeri di sezione relativamente contenuta, i valori della resistenza risultavano vicini a quelli ottenuti su altre superfici dure considerate di riferimento. Ma quando la superficie diventa più ruvida, l’aumento può diventare consistente: superfici dure ma irregolari come macadam ruvido o ghiaia possono determinare aumenti nell’ordine del 50-100 per cento rispetto alle condizioni più favorevoli.
Questo dato va letto con una certa cautela, perché “ghiaia” o “asfalto ruvido” non descrivono una superficie con caratteristiche univoche. Granulometria, compattezza, forma delle asperità e regolarità della strada possono cambiare completamente il comportamento della ruota.
Per questo non esiste un unico coefficiente valido per “l’asfalto” o per “la ghiaia”.
Il pavé è un altro problema
Una successione di piccoli blocchi non rappresenta soltanto una superficie con maggiore rugosità. Introduce una sequenza di variazioni di quota che costringe la bicicletta e il ciclista a muoversi verticalmente.
Qui la definizione classica di resistenza al rotolamento diventa insufficiente. Se una ruota passa sopra una pietra o un gradino, parte dell’energia disponibile viene utilizzata per sollevare il sistema. Quell’energia non viene necessariamente restituita quando la ruota ridiscende.
È la ragione per cui le perdite su una strada molto sconnessa non possono essere stimate semplicemente aumentando il coefficiente di resistenza al rotolamento.
Le irregolarità provocano infatti vibrazioni e accelerazioni verticali, con una dissipazione che coinvolge pneumatici, eventuali sospensioni e soprattutto il corpo del ciclista.
Questo spiega anche una sensazione comune a chi pedala su pavé: a parità di velocità e pendenza, sembra che la bicicletta venga letteralmente rallentata dal fondo.
Ed è effettivamente così, ma non necessariamente per un solo meccanismo.
Lo pneumatico non serve solo a “rotolare”
Uno pneumatico sufficientemente deformabile può avvolgere un piccolo sasso invece di trasformarlo in un ostacolo che deve essere superato dall’intera bicicletta. In questo modo la forza esercitata sull’insieme ciclista-bicicletta rimane relativamente contenuta.
Su un ostacolo più grande, però, il comportamento cambia. Uno pneumatico da strada stretto e a con pressione di gonfiaggio elevata ha una capacità limitata di assorbire una variazione importante della superficie. In queste condizioni una gomma più grande e più deformabile può ridurre le forze trasmesse al sistema.
È uno dei motivi per cui la ricerca della minima resistenza sul banco prova non coincide necessariamente con la ricerca della massima velocità su una strada reale.
Uno pneumatico può essere molto efficiente su una superficie liscia e diventare meno vantaggioso quando il fondo presenta una successione di piccole asperità.
La deformazione è parte del problema
C’è poi un caso ancora più evidente: quando non è la gomma a deformarsi principalmente, ma è il terreno. Su un fondo soffice la ruota penetra nella superficie. Una parte del lavoro prodotto dal ciclista serve quindi a creare una traccia nel terreno.
Il fenomeno è particolarmente evidente su sabbia, terreno agricolo, erba e fondi non compatti. In questi casi la resistenza non dipende soltanto dalla deformazione dello pneumatico, ma dalla capacità del terreno di sostenere il carico senza cedere.
La differenza può essere importante. Per pneumatici correttamente gonfiati, il coefficiente di resistenza indicato per ghiaia compatta è circa 0,012, mentre su ghiaia bagnata e sciolta può arrivare a 0,06. Per ruote di veicoli agricoli i valori riportati salgono a circa 0,05-0,09 sull’erba e possono arrivare a 0,2-0,5 su terreno arato o sabbia sciolta.
Non è quindi sorprendente che una bicicletta che scorre facilmente sull’asfalto possa diventare improvvisamente difficile da spingere sulla sabbia.
In questo caso non stiamo più parlando semplicemente di una gomma che perde energia mentre si deforma. È il terreno stesso che viene deformato dalla ruota.
Perché una ruota grande aiuta più della larghezza della gomma
Il diametro della ruota assume un’importanza particolare proprio quando il fondo peggiora.
Su una superficie dura, una ruota grande affronta un’asperità con un angolo più favorevole. Il superamento dell’ostacolo avviene su una distanza maggiore e quindi con accelerazioni verticali più contenute. Inoltre, a parità di condizioni, una ruota grande presenta una minore deformazione relativa dello pneumatico durante il rotolamento.
Sul terreno morbido l’effetto diventa ancora più evidente. Una ruota di maggiore diametro affonda meno e incontra quindi una resistenza inferiore. Aumentando il diametro della ruota del 35 per cento si può ottenere una riduzione della resistenza sul terreno soffice del 20 per cento; un aumento analogo della larghezza produce invece una riduzione più contenuta, nell’ordine del 10 per cento.
È un dato interessante anche per capire alcune scelte delle biciclette moderne. Il vantaggio di una ruota grande non è soltanto legato alla capacità di “passare sopra” gli ostacoli. Riguarda anche il modo in cui ruota e terreno si deformano reciprocamente.
Ghiaia e sterrato: la superficie conta più di quanto sembri
Su uno sterrato compatto la situazione è intermedia. Il terreno può essere sufficientemente rigido da evitare un affondamento importante, ma presenta comunque una superficie irregolare.
La resistenza deriva quindi dalla combinazione di diversi effetti: deformazione dello pneumatico, piccole perdite dovute alla struttura della superficie e, soprattutto quando aumenta la velocità, energia dissipata dalle vibrazioni.
Questo rende difficile attribuire a una singola variabile il comportamento della bicicletta.
La stessa gomma, alla stessa pressione, può comportarsi in modo molto diverso su due strade che a occhio sembrano entrambe “sterrate”. Una può essere compatta e regolare; l’altra può avere pietre mobili, solchi e ondulazioni. Nel secondo caso la perdita di velocità può diventare molto più evidente senza che il coefficiente di resistenza al rotolamento, preso isolatamente, riesca a descrivere tutto il fenomeno.
Il paradosso della bicicletta più “dura”
C’è infine un aspetto che aiuta a capire perché la scelta della gomma non possa essere ridotta alla ricerca del valore più basso di deformazione.
Uno pneumatico gonfiato ad alta pressione si deforma meno su una superficie liscia. Ma proprio per questo può trasmettere maggiormente le piccole variazioni del fondo. Pneumatici duri sono meno deformabili durante il rotolamento regolare, ma risultano più sensibili alle piccole variazioni del livello della strada, che possono produrre forze d’urto più elevate.
È un equilibrio fra fenomeni diversi.
Su un asfalto perfettamente regolare, ridurre la deformazione dello pneumatico può essere vantaggioso. Quando la strada diventa irregolare, invece, una parte della prestazione dipende dalla capacità del sistema pneumatico-bicicletta-ciclista di assorbire le asperità senza trasformarle in energia persa. Ma qui entra in gioco anche il ciclista.
Quanto conta il ciclista?
Quando la strada presenta un ostacolo isolato o una serie di irregolarità, il modo in cui il ciclista tiene il corpo può cambiare sensibilmente la quantità di energia dissipata. Braccia e busto possono consentire alla bicicletta di muoversi rispetto al corpo, mentre alzarsi leggermente sui pedali può permettere di superare un ostacolo con una perdita inferiore rispetto a quella provocata dall’accelerazione verticale dell’intero sistema.
Questo è anche il motivo per cui è difficile costruire una formula universale della “resistenza del pavé”.
La perdita dipende dalla forma delle irregolarità, dalla loro frequenza, dalla velocità, dallo pneumatico, dalla bicicletta e dalla risposta del ciclista. Le stesse condizioni stradali possono quindi produrre risultati differenti con due persone diverse.
Non esiste il fondo “veloce” in assoluto
Su una superficie liscia e rigida prevale la deformazione dello pneumatico e diventano importanti pressione, costruzione della carcassa e diametro della ruota. Su una superficie ruvida aumenta l’influenza delle asperità. Sul pavé entrano in gioco anche vibrazioni e accelerazioni verticali. Sullo sterrato compatto si sommano deformazione e irregolarità. Su sabbia o terreno morbido è il fondo stesso a deformarsi sotto il carico.
I dati sperimentali aiutano a dare un ordine di grandezza a questi fenomeni. Ma soprattutto mostrano una cosa: la strada non è un elemento neutro rispetto alla prestazione della bicicletta.
Una gomma che su un asfalto liscio sembra perfetta non necessariamente offre lo stesso rendimento quando cambia il fondo. E una bicicletta progettata per essere molto efficiente su una superficie regolare può perdere parte del proprio vantaggio quando la strada comincia a muoversi sotto le ruote.
Per questo, quando si parla di “scorrevolezza”, bisognerebbe fare riferimento a una tipologia di superficie.
È una distinzione tutt’altro che teorica. Perché tra un asfalto liscio, una strada ruvida, il pavé e uno sterrato non cambia soltanto la sensazione di guida. Cambia il modo stesso in cui l’energia prodotta dal ciclista viene trasformata in avanzamento.
