La geometria dell’avantreno di una MTB – parte 2

Analizziamo gli aspetti meno ovvi e discutiamo alcune quote che sono raramente menzionate ma ugualmente importanti nel determinare il comportamento sui sentieri di una moderna mountain bike.

23/05/2019
scritto da Cristiano Guarco

Nel nostro precedente appuntamento con il Focus Tecnico abbiamo affrontato le più importanti quote geometriche della parte anteriore di una mountain bike, che influiscono in modo determinante sulla qualità e anche sul piacere della guida. Ora andiamo oltre, analizzando gli aspetti meno ovvi e discutendo di alcune quote che sono raramente menzionate ma ugualmente importanti.

La geometria dell’avantreno su una MTB

Dopo aver fatto il necessario ripasso con misure come altezza del manubrio da terra, lunghezza dello stem, Offset della forcella e Trail (con un click sul link qui sopra) arriva il momento di proseguire e conoscere due diverse interpretazioni dell’ultima quota menzionata.

Ground Trail

Ground TrailLa distanza orizzontale tra il punto di contatto dello pneumatico anteriore e quello in cui l’asse dello sterzo incontra il terreno.

Questa misura – semplicemente conosciuta come Trail – dà un’indicazione di quanto stabile sarà lo sterzo di una bicicletta. In teoria è meno preciso del Mechanical Trail ma è molto più facile da visualizzare oltre a essere una misura molto facile da trovare elencata tra le specifiche di una bici. È fondamentalmente influenzata da tre fattori: la dimensione della ruota, l’angolo dello sterzo, e l’Offset della forcella. Ad esempio, con uno sterzo più aperto – l’angolo decresce – diminuendo l’Offset o incrementando il diametro delle ruote, il Trail cresce.
In generale, quando il Trail aumenta lo sterzo diventa più stabile, perché entra in azione una forza che tende a riportare il manubrio in posizione centrale quando è girato, ri-centrando la ruota anteriore. Questa forza è intimamente collegata al Ground Trail, anche se il Mechanical Trail è una quota più indicata per spiegare il fenomeno.

Mechanical Trail

Mechanical Trail

La distanza tra la zona di contatto anteriore e l’asse dello sterzo misurato a 90° rispetto a quest’ultimo.

Conosciuto anche come Trail reale, è strettamente legato al Ground Trail poiché quando aumenta uno lo fa anche l’altro. Il Trail tradizionale funziona bene, ma quello Mechanical è una misura più rilevante riferendosi direttamente all’effetto di auto-centratura della ruota anteriore, altrimenti conosciuto come “angolo d’incidenza”.

Angolo d’incidenza

Biciletta storica con angolo d'incidenza pari a zero - foto: Wikipedia

Biciletta storica con angolo d’incidenza pari a zero – foto: Wikipedia

L’angolo d’incidenza, anche detto caster, è l’inclinazione dell’asse di rotazione della ruota rispetto alla perpendicolare (rispetto al suolo) passante per il centro della ruota; l’angolo sarà positivo nel caso in cui l’asse si trovi davanti al punto di contatto di quest’ultima con la superficie di appoggio (in genere il terreno).

L’ngolo d’incidenza – o effetto caster – in una bici è simile a quello di una ruota orientabile, che si trova comunemente su un carrello del supermercato e su una sedia dell’ufficio. La ruota è montata su un supporto che ruota su un asse prettamente verticale rispetto al carrello, in modo tale che il punto di contatto sul terreno è in posizione arretrata rispetto al suddetto asse. Per questo motivo, la ruota si allinea in modo automatico con la direzione di marcia. Se gira di lato, entra in gioco una forza di ripristino sulla zona di contatto che la spinge di nuovo in linea dietro l’asse dello sterzo del link.

Angolo d'incidenza - foto: Wikipedia

Angolo d’incidenza – foto: Wikipedia

Maggiore è l’angolo tra la direzione di marcia e la ruota, maggiore sarà la forza di ripristino che agisce per ridurre questo angolo, con un effetto auto-sterzante che si applica anche allo sterzo della bicicletta (la zona di contatto è dietro l’asse dello sterzo). Il Mechanical Trail è riconducibile al collegamento della rotella sul carrello. Si può pensare a una leva virtuale che connette il punto di contatto all’asse dello sterzo: quanto più è lunga questa leva, tanto minore sarà l’angolo di sterzata della ruota che viene spostata lateralmente da un urto, come una roccia. In parole povere, quando la ruota è molto girata di lato, la coppia di ripristino sarà più altrettanto forte, semplicemente perché la forza sulla zona di contatto agisce attraverso una leva più lunga.

Il modello 3D di una ruota di un carrello (caster wheel) - by CGTrader

Il modello 3D di una ruota di un carrello (caster wheel) – by CGTrader

Per questo motivo, una quota superiore implica che lo sterzo tende a rimanere più dritto sui terreni accidentati, ma allo stesso tempo è necessario applicare una forza maggiore sul manubrio per iniziare una curva, perché la zona di contatto deve essere spostata rispetto al telaio tramite una leva (virtuale) più lunga. In parole povere, un Mechanical Trail più lungo implica uno sterzo più stabile ma più pigro. Questa misura è anche uno dei prerequisiti citati di solito per una bicicletta abbastanza stabile senza mani. Quando è inclinata verso destra, il peso della bici e del biker agisce verso il basso attraverso l’asse dello sterzo che, trovandosi davanti al punto di contatto dello pneumatico, fa in modo che l’avantreno ruoti sullo stesso lato. Insieme alla forza giroscopica sulla ruota anteriore, questo è uno dei motivi per cui una bici è in grado auto-sterzare nella direzione della piega, correggendola e rimanendo in posizione eretta.

Wheel Flop

Wheel Flop

La tendenza del gruppo sterzo di girare automaticamente in curva, perché il tubo sterzo si abbassa mentre il manubrio si allontana dalla posizione centrale.

Come l’effetto caster descritto in precedenza, anche questo è determinato dal Mechanical Trail. Mentre il primo si riferisce alla componente orizzontale, il secondo ha invece a che fare con quella verticale. Quando girate il manubrio senza che la bici si inclini di lato, il tubo sterzo si abbasserà leggermente. Questo accade perché l’asse sterzo è inclinato, quindi la bici si abbassa mentre il primo ruota intorno a un punto di contatto fisso sul terreno, con il Mechanical Trail che rappresenta la leva su cui si svolge questo arco di movimento.
Immaginate ora un angolo sterzo da 0° così da avere una forcella orizzontale: girando il manubrio, il tubo sterzo si muoverà in un arco verso il basso man mano che aumento l’angolo della sterzata. Per un valore che rientra nella norma, l’abbassamento dello sterzo è proporzionale alla componente verticale del Mechanical Trail, che dipende dalla sua lunghezza e dall’angolo sterzo. In parole povere, un Offset corto combinato con uno sterzo relativamente verticale si tradurrà in un effetto Wheel Flop minore e in una sterzata più stabile rispetto alla stessa quota di Mechanical Trail ottenuta con un Offset più lungo e uno sterzo relativamente più aperto, questo perché la componente verticale è meno pronunciata nella prima configurazione rispetto alla seconda.

Geometria dell'avantreno su una MTB

Un caso estremo dell’angolo d’incidenza in ambito motociclistico, un classico chopper – foto: Wikipedia

Questo effetto è il risultato di una coppia applicata sul manubrio, che agisce per aumentare l’angolo della sterzata (allontanandosi dalla posizione dritta) a causa del peso della bici e del biker che cercano di raggiungere la posizione più bassa. Ciò è favorito dal fatto che il gruppo sterzo – manubrio, ruota e foderi bassi della forcella – sono collocati davanti all’asse sterzo, quindi il loro peso crea una coppia attorno a quest’ultimo che agisce per allontanarlo dalla posizione centrale. Questo contribuisce anche al Wheel Flop, pur rimanendo un fattore ridotto rispetto al peso del biker.
Fondamentalmente è una forza destabilizzante (agisce per aumentare l’angolo della sterzata) mentre l’effetto caster è al contrario stabilizzante (agisce per tirare lo sterzo verso la posizione centrale). Aumentando il Mechanical Trail, sia aprendo lo sterzo sia riducendo l’Offset della forcella, si aumentano entrambi gli effetti. Quando la velocità cresce, vince l’effetto caster, ma alle andature più basse e con uno sterzo più chiuso, la forza del Wheel Flop diventa davvero importante. Questo è il motivo per chi le bici “aperte” richiedono più sforzo per mantenere lo sterzo inclinato lateralmente nelle curve lente e strette, mentre a velocità elevata, specialmente sui terreni accidentati, l’avantreno rimane più stabile e dritto con uno angolo sterzo meno verticale.

Geometria nel punto di Sag

Una MTB full suspended con le sospensioni al punto di sag (25% per entrambe)

Una MTB full suspended con le sospensioni al punto di sag (25% per entrambe)

Tutto quanto espresso finora si riferisce alla geometria misurato con la bici scarica, altrimenti conosciuta come “geometria statica”, quella che si vede di solito nelle tabelle di ogni mountain bike. Ma quando il biker sale sulla bici, il suo peso causerà un abbassamento della/e sospensione/i (per front/full), cambiando la maggior parte delle misurazioni elencate in precedenza. Nel caso di una hardtail, la compressione della forcella aumenta l’inclinazione degli angoli sterzo e sella, riduce l’altezza dello Stack, accorcia il Front Center (da asse delle pedivelle a quello della ruota anteriore) e riduce leggermente l’altezza del movimento centrale.

La nostra MTB full suspended di riferimento è qui mostrata senza alcun affondamento delle sospensioni

La nostra MTB full suspended di riferimento è qui mostrata senza alcun affondamento delle sospensioni

Con una full suspended, la sospensione posteriore si stabilizza in misura maggiore rispetto a quella anteriore, con l’altezza del movimento centrale che diminuirà in modo più significativo. A secondo della traiettoria percorsa dalla ruota posteriore lungo la sua escursione, il carro ammortizzato potrebbe anche allungarsi in posizione di Sag, ma nella maggior parte dei design si accorcia leggermente durante l’affondamento. In questo caso il Front Center si accorcia in posizione di Sag, specialmente con un angolo sterzo aperto. La quantità di travel a disposizione e quindi la quota di Sag determinerà quanto cambierà la geometria della bici.

Geometria dinamica

Simulazione di una discesa, in cui l'affondamento del posteriore è al 30% mentre quello dell'anteriore arriva al 75%

Simulazione di una discesa, in cui l’affondamento del posteriore è al 30% mentre quello dell’anteriore arriva al 75%

La posizione tipica di una sospensione su una sezione di un sentiero è nota come “altezza dinamica”. Poiché lo smorzamento della compressione è in genere molto più leggero di quello in estensione, le mountain bike tendono a sedersi più in profondità nel loro travel quando si gira su terreni accidentati, quindi l’altezza dinamica è di solito ha percentuali più elevati della corsa disponibile rispetto a quelle in posizione di Sag.

Trail ripido e forcella compressa, la geometria dell'avantreno viene stravolta

Trail ripido e forcella compressa, la geometria dell’avantreno viene stravolta

La geometria dinamica si riferisce a questa situazione “intermedia”, chiaramente non semplice e pratica da misurare oltre a essere influenzata da molti fattori tra cui la posizione del biker e la scelta della linea. Questo è un tipico concetto qualitativo più che quantitativo, per confrontare setup differenti. Ad esempio, aumentando lo smorzamento della compressione nella forcella crescerà di conseguenza la sua lunghezza nell’altezza dinamica sui sentieri più accidentati, aprendo lo sterzo e incrementando l’altezza del manubrio da terra nella geometria dinamica.

Geometria dell'avantreno su una MTB

La forcella si comprime con la geometria dell’avantreno che si modifica di conseguenza – foto: Ducati

Quanto conta il Trail sui sentieri

Riassumiamo quanto espresso prima: il peso del ciclismo crea una forza, nota come Wheel Flop, che tende ad allontanare il gruppo dello sterzo – cockpit, ruota e forcella – dalla posizione dritta. Questa forza è ridotta rispetto all’effetto caster che agisce invece per centrare il gruppo dello sterzo in modo automatico. Questo è il motivo per qui di solito il manubrio non gira da una parte quando lo mollate mentre procedete in rettilineo. Tuttavia ci sono alcune situazioni nel mondo reale in cui l’angolo d’incidenza – o caster – è ridotto o addirittura invertito, causando uno sterzo instabile ed esagerando l’angolo di sterzata quando ci si allontana dalla posizione centrale.

Geometria dell'avantreno su una MTB

Quando la bici è su una pendenza elevata, l’asse dello sterzo può spostarsi dietro la zona di contatto

In primo luogo, quando la ruota anteriore colpisce un ostacolo importante, la zona di contatto si troverà di fronte all’asse dello sterzo, causando una quota negativa di Trail, invertendo l’effetto caster. Questo è il motivo per cui le biciclette con un Trail ridotto possono soffrire di uno sterzo nervoso e imprevedibile sui terreni sconnessi.
In secondo luogo, un cambiamento della pendenza fa cambiare anche la quota di Trail: immaginate di passare da una discesa più ripida a una relativamente piatta, una situazione che capita con regolarità nella mountain bike. L’angolo sterzo diventa relativamente più verticale rispetto al terreno al di sotto della ruota posteriore, riducendo la quota di Trail, e quando la differenza della pendenza è abbastanza alta – in genere intorno ai 20° – quest’ultimo assumerà un valore negativo. Un ulteriore fattore da considerare è la compressione della forcella, che aumenterà ulteriormente l’angolo sterzo.

Geometria dell'avantreno su una MTB

Tipica situazione in cui la pendenza è estrema scombussolando le forze in azione sull’avantreno

In terzo luogo, quando l’angolo sterzo cresce sino a 90°, arriva a un punto in cui l’effetto di rotazione si inverte. Con un basso angolo di sterzata, la zona di contatto si muove dietro l’asse dello sterzo, sul lato opposto rispetto alla direzione in cui punta l’avantreno. Quindi, man mano che il manubrio viene girato da un lato – a sinistra, come in foto – l’area di contatto scivola da quello opposto – a destra nel nostro caso – agendo così per riportare il manubrio in posizione centrale.
Ma quando lo sterzo è girato di molto – a sinistra, per esempio – la zona di contatto attraversa a sinistra l’asse dello sterzo, a causa dell’Offset della forcella, che sposta l’intera ruota da questo lato. Oltre questo punto, l’effetto caster sarà invertito, agendo per spingere ancora di più la ruota in posizione centrale. Con un Trail ridotto e un Offset più lungo, decresce l’angolo di sterzo in cui questo effetto tende a manifestarsi.

Geometria dell'avantreno su una MTB

A un angolo di sterzata molto elevato, la zona di contatto si sposta all’interno dell’asse sterzo, creando una forza destabilizzante sull’avantreno

Quando si affrontano curve strette e ripide, questi fattori si combinano. Un cambio di pendenza e una forcella compressa accentuano l’angolo dello sterzo rispetto al terreno che si trova al di sotto della ruota anteriore, riducendo il Trail fino a portarlo a negativo in alcuni casi. Quando si gira il manubrio, l’effetto caster si inverte a un angolo di sterzata molto ridotto, portando la ruota a girare dentro la curva più del necessario (lo sterzo tende a chiudersi). Spesso il biker può ovviare a questa situazione semplicemente tenendo una presa ferma sul manubrio – da qui la popolarità delle pieghe larghe – ma in alcune situazione la coppia che agisce sull’avantreno può essere sufficiente a rendere le cose molto complicate soprattutto per i biker meno esperti.

Geometria dell'avantreno su una MTB

Girare nello stretto quando la bici è inclinata verso il basso può ridurre sensibilmente il Trail, arrivando in situazioni estreme a rendere difficoltosa la gestione della bici.

Un Trail più lungo, raggiunto con un Offset più corto sulla forcella, rende meno comune l’inversione dell’effetto caster. Per una determinata quantità di Mechanical Trail, una configurazione con Offset corto e sterzo più chiuso produrrà un effetto Wheel Flop ridotto, richiedendo un angolo di sterzata maggiore prima che l’effetto caster si inverta. Ne risulterà anche un Front Center più corto rispetto a una configurazione con sterzo aperto e Offset lungo con la stessa quantità di Trail. Per questi motivi molti marchi stanno usando Offset più corti sulle forcelle piuttosto che uno sterzo più aperto, per ottenere un Trail più elevato. Ma questo ha delle conseguenze…

L’importanza dell’Offset

Short Test: Trust Message, forcella multi-link

Nei nostri test ci capita e ci è capitato di provare forcelle con diverso offset su mountain bike con ruote 29er. La differenza, all’interno di una stessa categoria, è immediatamente evidente: la guida è più godibile e proficua – insieme a una risposta più prevedibile – con un trail più lungo, conseguenza di un offset ridotto. Per intenderci, su una trail bike/all-mountain con sterzo intorno a 67°, passare da un offset di 51 mm a uno ridotto a 37 mm (forcella Fox 36, disponibile anche da 44 mm) causa un aumento del Mechanical Trail di circa il 15%. La differenza è meno marcata con una MTB da enduro molto più aperta di sterzo (intorno a 64°), e passando a una forcella Rock Shox Lyrik (offset da 51 a 42 mm): l’aumento è contenuto in circa l’8%.

Geometria dell'avantreno su una MTBCon l’offset più lungo, le mani si trovano più indietro rispetto alla ruota anteriore, come se si usasse uno stem più corto. La conseguenza diretta è una difficoltà superiore nel caricare giustamente la ruota anteriore sulle curve piatte. Quando l’offset cala, la sensazione è invece di uno sterzo leggermente più caricato e fluido in curva, ma senza sostanziali differenze. In realtà, come anticipato, per notare un cambiamento più evidente bisogna agire su bici con sterzo relativamente chiuso, dove il Mechanical Trail è più contenuto nella configurazione iniziale. Quando si passa a MTB più aperte, come le più recenti enduro 29er, la differenza offerta sulle forcelle Fox e Rock Shox più diffuse (intorno a 9 mm) non è abbastanza per portare a un miglioramento evidente in ogni condizione di riding.

[foto: Cristiano Guarco, Red Bull Content Pool, Ducati, Pivot Cycles, Federica Raimondi, Wikipedia]

Potrebbe interessarti anche

Commenti