È un mezzo di locomozione leggero, pratico, economico e oggetto di culto per amatori e professionisti. Cosa può essere se non la bicicletta. Da amante della due ruote a pedali, non posso che scrivere un paragrafo su questo meraviglioso mezzo che, oltre a farci risparmiare sulla benzina, ci fa anche perdere qualche chiletto. A guardare il passato sembra che le biciclette di oggi non abbiano più molto in comune con le prime in circolazione.

La prima bicicletta sembra infatti si stata quella del barone Karl von Drais, un impiegato statale del Gran Ducato di Baden in Germania, un tipo in gamba, è davvero il caso di dirlo, che inventò la sua “Laufmachine” (macchina da corsa) nel 1817. La stampa la chiamò Draisine (in Italia draisina) ma i nomi poco importano: velocipede, celerifero e velocifero sono termini che si accavallano, ma è certo è che il 1817 è ritenuto un anno importante per la storia della bici. A quei tempi ci si muoveva puntando i piedi a terra e dandosi la spinta. L’invenzione dei pedali è del 1861, mentre risale al 1868 l’inserimento della catena e al 1888 l’utilizzo dello pneumatico. La trovate tecnica del cambio dei rapporti di trasmissione ad opera di Tullio Campagnolo 1933 marca definitivamente i lineamenti del mezzo permettendone un uso molto più ottimizzato, nonostante già dal 1909 fosse protagonista del Giro d’Italia. A guardare i giri d’Italia ora, in un contesto paesaggisticamente meraviglioso, vediamo sfrecciare altre meraviglie, questa volta tecniche: ci rendiamo conto di quanto sia stato incisivo il progresso.

Soprattutto, le biciclette sono diventate molto più leggere, in perfetta obbedienza al secondo principio della dinamica che chiarisce che una massa minore comporta un’accelerazione maggiore a parità di forza di spinta. Ma, oltre che leggera, la bici dev’essere resistente e avere una certa rigidezza cioè quella capacità di trasmettere ai componenti l’energia impressa dal ciclista. Attualmente, il materiale migliore è la fibra di carbonio che vanta un peso specifico di appena 1.8 kg/dm3 rispetto allo storico acciaio (7.8 kg/dm3) e una sbalorditiva resistenza alla trazione di ben 5000 MPa rispetto ai 540 MPa dell’acciaio. Attenzione, prendete questi numeri come orientativi, perché quando si parla di acciaio, dobbiamo renderci conto che ve ne sono tantissimi tipi, ognuno con le sue caratteristiche e proprietà. Stesso discorso dicasi per la fibra di carbonio, che in realtà è un materiale composito perché le fibre sono inglobate in una resina epossidica. Idem per l’alluminio, per il quale esiste un numero elevatissimo di leghe con svariate proprietà tutte diverse. Non a caso, le leghe di alluminio (densità circa 2.7 kg/dm3) sono utilizzate ampiamente nella fabbricazione delle biciclette. I pezzi di alta gamma, poi, hanno spessori ad andamento variabile per consentire di togliere peso là dove la sezione è meno sollecitata. Se la bici di Bartali campione del Giro d’Italia nel 1948 aveva un telaio che pesava intorno ai tre chilogrammi, gli attuali telai pesano meno di un chilo.

Dal punto di vista microscopico l’attuale primato delle fibre di carbonio nella produzione di telai e pezzi per bici professionali derivano dal fatto che la fibra di carbonio è un materiale anisotropo. Ciò vuol dire che ha un comportamento differente a seconda delle direzioni delle forze applicate. Tutto quindi dipende da come i fili di carbonio vengono intrecciati per fare le fibre, e da come queste ultime vengono orientate e in che quantità. Se opportunamente progettato questo materiale ha anche una buona capacità di smorzare quelle inevitabili vibrazioni che, riflettendosi sul manubrio, agirebbero sulle braccia affaticandole. Con l’aiuto di sofisticati software, tutto viene ottimizzato anche in funzione delle specifiche caratteristiche fisiche del ciclista.

Ma non tutti sono ciclisti di professione, e quindi alcune parole devono essere spese a vantaggio di chi è amante della bicicletta ma non ha o non vuole spendere migliaia di euro per una bici. L’alternativa più economica è il vecchio buon acciaio che, sebbene pesantuccio, garantisce una buona resistenza meccanica. Pensate che certi acciai possono vedersi allungare anche del 10% della propria lunghezza in seguito a trazione senza rompersi. Indiscutibile è anche la sua solidità. Per le bici “da battaglia” è perfetto. Sia l’acciaio che la fibra di carbonio hanno una buona resistenza alla fatica, cioè la resistenza al logorio dovuto a sollecitazioni ritmiche e ripetute nel tempo come quelle dovute alle pedalate. Sembrerà strano, ma questa è una possibile fonte di deterioramento delle biciclette. Un ottimo compromesso tra questi due estremi è costituito dall’alluminio. In realtà, quando si parla di alluminio, non ci si riferisce all’alluminio puro, perché questo è troppo morbido e deformabile. Ci si riferisce, invece, alle sue leghe, cioè soluzioni solide contenenti altri elementi. L’aggiunta di certi elementi all’alluminio ne modifica le proprietà anche in maniera drastica. Il magnesio ne aumenta la resistenza alla corrosione, il rame ne aumenta la resistenza meccanica, lo zinco, specie se in associazione con il magnesio, ne migliora tantissimo le proprietà meccaniche riducendo l’elasticità. Insomma le leghe d’alluminio offrono uno scenario vastissimo di materiali dal costo abbordabile e con buone proprietà meccaniche. In genere l’alluminio non ha una resistenza meccanica competitiva, ma la fisica di base ci suggerisce una strategia interessantissima.

Si dà il caso che se si aumenta la sezione di un tubo, il peso varia con il quadrato della sezione. Significa che se raddoppiamo il diametro, il peso quadruplica. Ma la resistenza meccanica varia col cubo del diametro quindi, se raddoppiamo il diametro, la resistenza aumenta di otto volte. Per non parlare poi della rigidezza torsionale: dipendendo dalla quarta potenza del diametro, aumenta di sedici volte se raddoppiamo il diametro del tubo. Conviene quindi aumentare un po’ la sezione dei tubi del telaio o di altri componenti, sacrificando un po’ il peso, per avere degli enormi vantaggi in termini di performances. Sono i cosiddetti tubi/telai oversize che, a prescindere dalle performances, hanno a mio avviso anche un aspetto estetico meraviglioso.

Importantissime anche le gomme, che devono rispondere in maniera elastica, cioè senza assorbire energia, durante la pedalata ma che devono poi comportarsi da materiale soffice in caso di frenata. Qui le ditte annunciano che i grafeni, cioè foglietti di atomi di carbonio, saranno il materiale del futuro. Sarà vero?

Come vedete, gli sviluppi nel campo della biomeccanica, della chimica, della fisica e dell’ingegneria offrono preziose conoscenze per astute soluzioni a favore del ciclista, anche se alla fine è quest’ultimo che vince le gare coi suoi muscoli, il suo fiato e la sua determinazione.

A proposito di look da campione, c’è chi assottiglia lo strato di vernice fino a spessori nanometrici per generare un’accattivante iridescenza che cambia con l’angolo della luce, un po’ come l’effetto arcobaleno dei CD. Perché certi gioielli di bici devono essere anche belli oltre che preziosi. Ma anche una bici economica ha il suo fascino, perché al cuore non si comanda …né tantomeno si può pretendere di farlo col portafoglio.

Ecco un’intervista su radio Cusano Campus. Sorgente: Open Day

Ecco un’altra intervista, più recente, su Radio Cusano Campus:  http://www.tag24.it/podcast/pietro-calandra-uno-scienziato-salotto-sviluppo-della-bicicletta/

Due ruote da campioni: ecco un articolo sull’almanacco della scienza del CNR http://www.almanacco.cnr.it/reader/cw_usr_view_articolo.html?id_articolo=8000&giornale=7985

Immagine presa dal link https://pxhere.com/it/photo/1216551 che si ringrazia