Riduzione della resistenza dell’aria
Esistono calcolatori e formule online, ma presuppongono coefficienti di resistenza al rotolamento o di resistenza aerodinamica, o presumono che io possa fornire questi coefficienti. Come fanno a fare queste ipotesi e/o come posso fare queste stime da solo?
La domanda è semplice, ma la risposta completa è complessa. La risposta più semplice è quella di indicare la parte 2 (in particolare il capitolo 4) di Wilson e Papadopoulos (2004), o la recente revisione di Debraux et al. (2011), o il documento di Martin et al. (1998). Tuttavia, anche questi articoli non trattano approcci che sfruttano meglio i dati disponibili dai moderni ciclocomputer e dalle unità GPS. Un po’ di background sull’equazione della resistenza aerodinamica aiuterà a capire perché esistono così tanti modi diversi (con conseguenti diversi livelli di accuratezza, precisione, difficoltà e costo) per stimare la resistenza aerodinamica.
Tra questi, il più semplice è quello della potenza necessaria per superare le variazioni di quota. La potenza necessaria per tenere conto della variazione di energia potenziale e per superare le variazioni di velocità è semplice:
Come si calcola la resistenza dell’aria su una bicicletta?
La velocità del vento in faccia determina la forza di resistenza aerodinamica; la velocità a cui guidiamo la moto determina la potenza necessaria per vincere la forza di resistenza. Moltiplicando l’equazione precedente per la velocità della strada, si ottiene: Potenza per superare la resistenza del vento = ½*(densità_aria)*CdA*V_vento^2*V_strada.
Che cos’è la resistenza dell’aria per i ciclisti?
Anche in una giornata perfettamente priva di vento, in bicicletta si crea molto vento e più si va veloci, più soffia forte. A velocità superiori alle 9 miglia orarie, è la forza di resistenza dominante. Quando si raggiungono le 30 miglia orarie, il 90% della potenza viene impiegato per vincere la resistenza dell’aria, o ciò che gli scienziati chiamano resistenza aerodinamica.
Come si calcola la forza di resistenza aerodinamica su una bicicletta?
F = 0,5 x ρ x v² x Cw x A
ρ = Rho è la densità dell’aria in kg per m³. (Abbiamo preso 1,23 kg/m3 come media) v = Velocità in m/s > 100 km/h = 27,78m/s. Cw = Valore di resistenza all’aria.
Coefficiente di resistenza aerodinamica della bicicletta
Se vogliamo utilizzare i dati sulla potenza per guidare i nostri allenamenti e le nostre gare, è utile conoscere un po’ il ruolo della potenza nel movimento della bicicletta. Una volta che avrete capito un po’ di più come la potenza vi renda o meno più veloci, potrete usare il vostro misuratore di potenza per prendere decisioni migliori su come equipaggiarvi e sedervi sulla vostra bicicletta. L’unica cosa che impedisce alla bicicletta di andare infinitamente veloce su un terreno pianeggiante è la resistenza aerodinamica (a parte la relatività generale, ma noi non andiamo così veloci). La resistenza aerodinamica è una forza che spinge all’indietro lungo la linea di corsa. La vostra bicicletta è soggetta a tre fonti principali di resistenza aerodinamica
Prima di pensare che gonfiando a fondo il pneumatico si possa ridurre la resistenza aerodinamica, è necessario considerare le asperità della strada. È vero che gli pneumatici ad alta pressione possono ridurre al minimo l’attrito di flessione e non flessione, ma lo fanno a costo di rimbalzare sulle piccole asperità della strada invece di “schiacciarle”. Ogni rimbalzo provoca il dirottamento di parte dell’energia cinetica della bicicletta verso l’alto e verso il basso, invece che in avanti, con conseguente perdita di energia. Quindi, un pneumatico che rotola bene deve trovare un equilibrio tra essere sufficientemente pompato per ridurre al minimo la resistenza dell’area di contatto e non così tanto da perdere velocità a causa delle piccole asperità costanti che si incontrano sull’asfalto normale.La risposta a questo piccolo problema di ottimizzazione si trova nei test sui pneumatici. La risposta a questo piccolo problema di ottimizzazione si trova con i test sui pneumatici: Per le gare su strade pubbliche normali, è necessario gonfiare i pneumatici a una pressione compresa tra 100 e 120 libbre. Il fatto che sul pneumatico sia stampata la dicitura “190psi” non significa che si debba farlo! Si tratta di un valore massimo stampato a scopo precauzionale, che si applicherebbe solo in caso di gare su pista. Esiste un’equazione per calcolare la resistenza aerodinamica che gli pneumatici imprimono alla moto. Per i nostri scopi, è conveniente esprimere la forza di resistenza in termini di watt: watt per superare la resistenza degli pneumatici = Crr*M*g*V, doveCrr
Area frontale di un ciclista
La somma di queste forze può essere moltiplicata per la velocità: questa è la quantità nota come “potenza”. In unità metriche, si parla di newton (un’unità di misura della forza) per metri/secondo. In ingegneria è più comune utilizzare un’unità di misura della potenza che deriva dalle unità elettriche: i watt. Negli Stati Uniti, tutti sappiamo che i cavalli vapore sono un’unità di misura della potenza. Un CV corrisponde a 746 watt.
L’unica forza del ciclismo che è facile da capire è la gravità, ma intendo solo la forza a cui si deve resistere quando si sale, o la forza che ci spinge quando si scende. Si scopre che la “pendenza” di una strada – la salita divisa per la distanza percorsa – è una quantità che si può moltiplicare per il proprio peso per ottenere la forza di gravità. Ad esempio, se voi e la vostra bicicletta pesate 200 libbre e state salendo su una salita dell’1%, la forza di gravità vi trattiene per 2 libbre. Un aspetto scomodo del “peso” è che il kg è un’unità di massa, non un’unità di forza, quindi deve essere convertito in newton. Misurare il grado con un righello e una livella non è una cosa così facile, ma la combinazione di una distanza ragionevolmente lunga e di una mappa topologica fornirà un valore decente. Anche un buon altimetro barometrico può funzionare bene. Le letture GPS per l’elevazione sono molto imprecise, tuttavia, perché i satelliti sono raramente in una buona posizione.
Aerodinamica della bicicletta
Gli atleti, così come i progettisti di automobili, cercano di ridurre la forza di resistenza aerodinamica per abbassare i tempi di gara. (Vedi Figura 1). La modellazione “aerodinamica” di un’automobile può ridurre la forza di resistenza aerodinamica e quindi aumentare il consumo di carburante.
Figura 1. Dalle auto da corsa ai corridori di bob, l’aerodinamica è fondamentale per raggiungere la massima velocità. I bob sono progettati per la velocità. Hanno la forma di un proiettile con alette affusolate. (credito: U.S. Army, via Wikimedia Commons)
Il coefficiente di resistenza aerodinamica può dipendere dalla velocità, ma in questa sede assumeremo che sia una costante. La Tabella 1 elenca alcuni coefficienti di resistenza aerodinamica tipici per una serie di oggetti. Si noti che il coefficiente di resistenza aerodinamica è una quantità adimensionale. A velocità autostradali, oltre il 50% della potenza di un’auto viene utilizzata per superare la resistenza dell’aria. La velocità di crociera più efficiente in termini di consumi è di circa 70-80 km/h (circa 45-50 mi/h). Per questo motivo, durante la crisi petrolifera degli anni ’70 negli Stati Uniti, le velocità massime in autostrada erano fissate a circa 90 km/h (55 mi/h).
Figura 3. I body suit, come questo LZR Racer Suit, sono stati accreditati di molti record mondiali dopo il loro rilascio nel 2008. La “pelle” più liscia e le maggiori forze di compressione sul corpo del nuotatore garantiscono una resistenza aerodinamica inferiore di almeno il 10%. (credito: NASA/Kathy Barnstorff)
