La scatola del movimento centrale episodio 2

Ieri abbiamo approcciato la categoria e l’argomento che ha l’obiettivo di puntare la lente su una parte della bici. La scatola del movimento centrale, per molti il cuore del prodotto. Abbiamo posto alcune questioni ad Alessandro Giusto di Exept, ingegnere ed appassionato, profondo conoscitore delle materie composite e delle loro applicazioni.

Domande, risposte, analisi e considerazioni

• Alessandro, nel precedente articolo abbiamo identificato il bb86,5 pf come una sorta di standard del mercato attuale. La maggior parte dei marchi di bici usano questa misura. Quali sono le motivazioni principali e i vantaggi che può offrire questa soluzione?

Spesso gli standard vengono variati per motivi di mercato ma ci sono ovviamente del caratteristiche tecniche valide alle spalle. Le variazioni importanti di solito corrispondono alla volontà di dare brio al mercato e alle vendite. Non dobbiamo però dimenticare l’evoluzione e la tecnologia che non si arrestano, così come una costante ricerca. Pensiamo all’impiego del carbonio. Fatta questa premessa, in generale un buon BB standard prevede: diametro grande e larghezza compatta.

• Diametro grande e larghezza compatta, spiegaci meglio, perché la categoria prevede diverse misure…

Le motivazioni principali risiedono nel cercare di minimizzare le deformazioni dell’albero. E’ utile dire che l’incremento del diametro dei cuscinetti ha come ragione l’incremento di diametro dell’albero. In questo modo la deformazione durante la pedalata NDS (NonDriveSide) viene ridotta. E’ bene considerare che la rigidezza torsionale di un tubo a spessore costante è proporzionale al diametro al cubo, ma inversamente proporzionale alla lunghezza del tubo. Quindi un albero rigido deve essere di grande diametro e compatto in lunghezza, cosa che molti ciclisti non sanno.

• Perfetto, diciamo che così si spiega meglio l’asse passante da 30mm di tante guarniture e le sedi dei cuscinetti con diametro da 46mm. Ma i materiali che ruolo giocano in questo?

Fondamentale. Il materiale scelto è importante. Per essere ancora più precisi ecco le caratteristiche delle leghe più usate.

È necessario fare un’ulteriore precisazione in merito. Bisogna prendere però in considerazione anche il peso dei materiali, o meglio la densità (massa per unità di volume, esprime lo stesso concetto: un materiale più pesante ha una maggiore massa per unità di volume). Si nota chiaramente che è l’acciaio che ha le caratteristiche di rigidezza migliori. Molti pensano all’alluminio ma non è così.

La lega migliore da questo punto di vista è il magnesio. Anni fa andava di moda. Ma era una moda “insensata”, perché bisogna guardare il rapporto tra rigidezza del materiale e la sua densità per poter “decretare il vincitore” e allora il discorso cambia. Ecco l’alluminio il migliore se mettiamo insieme tutte le caratteristiche sopra citate, seguito di poco da titanio e magnesio (che risultano molto simili).

• Non divagare che poi ci perdiamo. Però è davvero interessante capire e vedere quanto l’acciaio e l’alluminio siano sempre leghe attuali. Ci viene sempre di più il dubbio che sono state “forzatamente e volutamente” dimenticate per via un rapporto non ottimale con i costi, in particolare l’acciaio.

Si in parte è vero. Dobbiamo anche considerare che la lavorazione delle leghe obbliga e obbligava ad essere precisi, con margini di errore minimi. La delocalizzazione delle produzioni e in parte anche per quello che riguarda la progettazione ha obbligato a minimizzare i rischi. E poi la crescita e la nostra conoscenza verso i materiali compositi ha fatto il resto. Torno all’argomento principale, la scatola centrale della bici. Pensiamo di applicare una forza massima sul pedale di 50Kg (immagina una pedalata in salita). La pedivella destra si deforma al massimo di 1.1mm mentre la sinistra fino a 3.2mm quasi 3 volte! Questo è dovuto alla deformazione dell’albero della pedivella. Da qui la necessità di adottare diametri maggiorati, anche perché sulla lunghezza non si può giocare molto essendo data dal Q-factor.

• quindi a volte ci confondiamo!

Riflettiamo su questo aspetto: il ciclista pensa di avere un “movimento centrale rigido”, in realtà quello che sente è un albero di torsione rigido della pedivella. Alcune ricerche ci dicono che il perno perfetto sarebbe in carbonio monoblocco con fibre orientate a +45°. Dal punto di vista dei costi al limite dell’inaccessibile!

• Telaio in carbonio. Il blocco centrale a prescindere dal marchio di bici è costruito con un orientamento delle fibre ottimizzato, come accade (o dovrebbe essere) per le tubazioni? Poi ci vengono in mente i telai con congiunzioni e anche i fasciati. Ci puoi dare un’infarinatura più precisa?

Nodi e tubi sono tutte porzioni di una stessa struttura. Le strutture più performanti hanno pelli che passano attraverso le interfacce tubo/nodi, hanno forma e direzione delle fibre ottimizzate, utilizzano fibre unidirezionali e tessuti al bisogno. Chi invece utilizza dei tubi giuntati (ad esempio i telai fasciati e che usano congiunzioni), adotta dei laminati non ottimizzati, ma “bilanciati”. Queste tubazioni hanno delle proprietà di rigidezza molto omogenee in tutte le direzioni. I laminati bilanciati utilizzano la fibra, uniformemente in tutte le direzioni. Il risultato è paragonabile a quello di un metallo che ha caratteristiche intermedie tra quelle della fibra e quelle della resina. In termini di performance della struttura, parliamo di una prestazione mediocre, rispetto a quello che si potrebbe ottenere dal carbonio usando la fibra nella direzione che serve (con pelli UD), ma migliore del metallo. Per darti un’idea ho aggiunto due materiali nei diagrammi di prima, uno per il “carbonio tessuto” (rappresentativo delle caratteristiche dei laminati bilanciati) e uno per il carbonio con le caratteristiche dei materiali unidirezionali (o preso due materiali con fibra T800, giusto per dare un’idea). La rigidezza migliore resta quella dell’acciaio, cosa che in pochi immaginano.

Il discorso cambia quando consideriamo il peso e soprattutto il rapporto tra rigidezza e peso. Vedi che il carbonio tessuto è migliore di tutti i metalli, ma molto peggiore del carbonio unidirezionale. Ecco il grafico qui di seguito.

• Quindi, ricapitolando: carbonio si ma ci sembra di capire che la capacità di saperlo lavorare fa la differenza.

Si. A prescindere dalla porzione di telaio considerata, nei monoscocca posso orientare le fibre come voglio (ma devo essere capace a farlo). Ci sono dei rischi: si può ottenere un frame ottimo tanto quanto uno mediocre usando la stessa quantità e qualità di carbonio. Devo essere in grado di utilizzare e sfruttare al meglio il rapporto rigidezza/peso dei tessuti unidirezionali. Se invece parto da tubi con laminato bilanciato e li giunto, otterrò un telaio non molto superiore a un buon telaio in alluminio (infatti il rapporto rigidezza/peso del carbonio tessuto e quello dell’alluminio sono molto vicini). Questo tra l’altro spiega perché molti costruttori che non hanno capacità di progettazione dei compositi utilizzino dei tubi con laminato bilanciato giuntati tra loro: non avranno mai un telaio super performante (se messo a confronto con un monoscocca ben progettato). Avranno un prodotto nella media delle diverse categorie.

• Quando andiamo a quantificare la prestazione di un telaio, la scatola del movimento centrale che peso ha in fatto performances e quanto influisce?

Molto meno di quello che si pensa. Molto spesso si “sente” tutto nel movimento centrale: rumori, rigidezza, cedevolezza, performance. Ma sono false sensazioni. Il movimento centrale è “solo” il punto di applicazione della forza esterna (la forza impressa sui pedali), ma la rigidezza si costruisce altrove. Un esempio: immaginiamo una mensola ben montata ad una parete e immaginiamo di spingere con una forza verticale sul bordo. Dove avrò lo sforzo maggiore? Dove applico la forza, ovvero alla radice della mensola. Per la bici è uguale: il movimento centrale è la punta della mensola, la giunzione tra tubo obliquo e tubo sterzo è la “radice della mensola”, la zona dove si concentra la maggior densità di deformazione. Infatti guarda la mappa degli spessori della Exept ma in realtà il concetto è uguale per tutti i telai.

I punti in rosso sono quelli dove si genera la maggiore torsione e dove la forza viene scaricata. Nella zona anteriore si arriva a spessori fino a 5mm. Nel movimento centrale gli spessori sono intorno a 1.5-2.0 millimetri. In alcune zone dei tubi si può scendere anche a 0.4mm.

In conclusione

Identificare la resa tecnica di una bicicletta dalle dimensioni della scatola del movimento centrale, o solo dal dimetro del perno della guarnitura oppure dal volume delle tubazioni è una cosa completamente errata. La bicicletta è un concerto di performances che collimano tra loro e che possono variare il carattere della bici stessa. Un esempio è l’utilizzo delle ruote full carbon ad alto profilo, che possono cambiare la resa di una bici concettualmente sviluppata per scalare le montagne. Così come la costruzione di un telaio: non è sufficiente avere una bici in carbonio per avere rigidità e leggerezza al tempo stesso. Un telaio buono, in carbonio, deve presupporre un’ingegnerizzazione accurata alle spalle, in proporzione in modo maggiore rispetto a quando le mani esperte degli artigiani costruivano le bici in acciaio.

a cura della redazione tecnica con il contributo di dell’ingegnere Alessandro Giusto, foto della redazione tecnica, grafici courtesy Exept.