L’AVANCORSA
Parlando di terminologia e misure il mio amico Cloude che mi scrive dal Canada mi ha fatto notare che in questo blog non era ancora stato affrontato il concetto di avancorsa e delle sue implicazioni sull’assetto della bici. Immediatamente mi sono messo a navigare in internet alla ricerca di informazioni dettagliate sull’argomento. Tra i molti articoli letti ho scelto questo perché mi é sembrato il più chiaro e preciso fra tutti e soprattutto il più comprensibile. L’articolo é stato pubblicato da Mosè Necchio nel sito: Rally del PO
Mosé Necchio scrive:
…per chiarezza, l’avancorsa, o “Rake” per gli anglosassoni, serve a misurare la distanza dal punto di contatto al suolo del pneumatico all’asse attorno al quale ruota lo sterzo; il tutto finalizzato a determinare la lunghezza della leva, o braccio, effettiva utilizzata dalle forze laterali, generate dal moto, per imprimere sollecitazioni al sistema sterzante. In realtà, la misura dell’avancorsa è rilevata, per semplificare, parallelamente al terreno e differisce dalla distanza geometrica tra punto di contatto ed asse di sterzo, che deve essere sempre considerata perpendicolarmente a questa retta. Per calcolare il valore di avancorsa “A” della nostra bicicletta dobbiamo prima conoscere:
- il raggio della ruota “r”
- l’avanzamento dello sterzo “h”
- l’angolo tra verticale ed asse di sterzo “alfa”
Introducendo quindi i dati in una semplicissima relazione trigonometrica otteniamo che:
L’avancorsa geometrica, cioè l’effettivo braccio tra asse di sterzo e centro dell’area di contatto al suolo del pneumatico, è data dalla perpendicolare “B” che risulta essere:
E una volta calcolata “A” e “B” … ?
La stabilità
Facciamo un passo indietro ed analizziamo i meccanismi fisici di stabilità dinamica di una bicicletta in moto partendo da una sintetica definizione. La stabilità è la tendenza di un corpo a mantenere un determinato assetto ed a ritornare all’assetto primitivo una volta che un disturbo tenda a spostare il corpo dalla sua posizione di equilibrio. Ne deriva che, in un veicolo, la stabilità è l’esatto opposto della maneggevolezza: in altre parole tanto più un veicolo tende a mantenere l’assetto iniziale, tanto minore sarà la rapidità a cambiare direzione di marcia anche sotto sterzatura e quindi tanto minore sarà la maneggevolezza. La stabilità è influenzata, per ogni mezzo di locomozione che si muova su una traiettoria scelta dal pilota, dalla posizione del baricentro e da quella relativa degli organi di governo.Quando si parla di “Bicicletta stabile” gli addetti ai lavori vanno subito a pensare all’avancorsa che di fatto è la misura caratteristica a cui viene ascritto il merito di mantenere la bici stabile in moto rettilineo. Questo risulta tuttavia parzialmente vero in quanto tra gli ingredienti per ottenere la stabilità ideale si deve doverosamente considerare, oltre l’avancorsa, anche la distribuzione dei pesi, la massa globale del nostro ciclista e la posizione del baricentro di tutto l’insieme. E a complicare il tutto interviene alla fine la variabile “Velocità” e la condizione di utilizzo, rettilineo o curva, a rimettere il tutto in discussione … Ma procediamo per passi successivi. A bicicletta ferma il nostro ciclista deve compiere prodezze funamboliche per mantenere il veicolo in equilibrio sulle due ruote in quanto questa tende a cadere da una parte o dall’altra: osservate con che abilità gli specialisti della pista riescono a mantenere il veicolo in equilibrio per qualche minuto in affascinanti surplace. Quando il veicolo si muove, sin dalle basse velocità, intervengono fattori esterni che in qualche modo aiutano a mantenere una traiettoria più o meno rettilinea. Più o meno in quanto seppur in apparenza a noi sembra di procedere in linea retta in realtà il moto rettilineo di un veicolo a due ruote è formato da una serie di curve e controcurve a larghissimo raggio alternativamente a destra e sinistra che innescano una serie di azioni e reazioni che, se il tutto è stato perfettamente progettato e calibrato, danno vita alla cosiddetta “Stabilità automatica”. Con la pratica e l’esperienza il nostro ciclista imparerà ad ottimizzare la propria traiettoria limitando il serpeggiamento quindi il dispendio di energia impiegato a correggere continuamente la direzione. L’aiuto sopra menzionato viene principalmente fornito dall’effetto giroscopico delle masse rotanti e dalle masse collegate al sistema sterzante quali: la ruota, la forcella, il manubrio nel suo insieme, la porzione di peso del pilota gravante sul manubrio, ecc. Seppur relativamente semplice la determinazione delle masse collegate al sistema sterzante, diventa un po’ meno intuitivo avere un’idea delle forze generate dall’effetto giroscopico della ruota.
L’effetto giroscopico
Così come suggerito al mio amico Paolo, vi invito ad effettuare un piccolo esperimento. Togliete la ruota anteriore della vostra bicicletta e impugnatela per le estremità del mozzo con entrambe le mani e a braccia tese di fronte a voi in modo che la ruota sia verticale al terreno; chiedete quindi ad un vostro amico di metterla in moto con uno strattone. A questo punto, con la ruota in rotazione, torcete le braccia facendo cambiare direzione alla ruota simulando una sterzata: provate l’effetto e la reazione della ruota variando la velocità della virtuale sterzata. La forza che percepite è l’effetto giroscopico della vostra ruota: maggiore è la velocità di rotazione della ruota e la rapidità con cui tenderete a sterzare e tanto più grande percepirete la reazione della ruota che tenderà ad opporsi al cambiamento di direzione e mantenere la condizione di equilibrio. Da notare che una volta raggiunta la nuova posizione, cioè una nuova condizione di equilibrio, dovremo di nuovo esercitare una significativa forza per riportare la ruota nelle condizioni iniziali. In altre parole se con la nostra bici procediamo con una sufficiente velocità l’effetto giroscopico delle ruote (eh si !, anche la posteriore contribuisce …) tenderà a mantenerci in traiettoria rettilinea. Tanto di cappello quindi all’anonimo inventore della forcella che riuscì ad imbrigliare un serie impressionante di fenomeni dinamici che consentono di mantenere stabilità rettilinea ed il mantenimento di una traiettoria curva nella bicicletta.
L’avancorsa in curva
Ma le sorprese non sono finite. Una bicicletta ben equilibrata al primo accenno di inclinazione per effettuare una curva il suo sistema sterzante sarà sollecitato “Naturalmente” a ruotare nel senso della curva. Cioè se il ciclista inclina la bicicletta verso destra avverranno automaticamente alcuni fenomeni che porteranno lo sterzo a ruotare disponendo la ruota in modo da iniziare una larga curva in quella direzione. Un istante dopo, la rotazione dello sterzo farà raddrizzare la bicicletta riequilibrando il tutto e a questo punto, sempre automaticamente, lo sterzo dovrà tornare nella posizione centrale. Questo fenomeno viene ad esempio sfruttato quando procediamo senza mani; vi siete mai chiesti in che modo riuscite a sterzare senza mani: forse semplicemente inclinando leggermente la bicicletta … ? Per meglio comprenderne gli effetti, dobbiamo immaginare di congelare l’istante in cui la bicicletta si inclina e lo sterzo non è ancora ruotato. Nella zona di contatto con il terreno la risultante del peso gravante sull’avantreno, applicato nel baricentro di quest’ultimo, avrà due componenti: [A] ortogonale all’asse dello sterzo e [B] ortogonale all’asse di rotazione della ruota.
La componente [A], il cui punto di applicazione si trova in posizione arretrata rispetto l’asse dello sterzo, moltiplicata per la distanza dall’asse dello sterzo genera un momento che ha un effetto raddrizzante in quanto tende a far girare la ruota attorno allo sterzo nella direzione della curva. L’effetto aumenterà di valore al crescere delle forze gravanti sullo sterzo e dell’avancorsa.All’azione della forza [A] si somma l’effetto, seppur modesto, provocato dalle masse collegate al sistema sterzante. Sollevando la nostra bicicletta ci accorgiamo che basta un minimo urto per far sterzare la ruota anteriore dalla posizione centrale di equilibrio disponendola di lato. Questo accade in quanto, quando è posta lungo il senso di marcia, la ruota è in equilibrio precario dovuto sia all’inclinazione dello sterzo che dalla presenza di masse che non hanno il proprio baricentro concentrato sull’asse di rotazione dello sterzo. Mi riferisco principalmente a: forcella, la ruota, i freni e tutto quanto è calettato al manubrio. Sommando queste masse e la distanza dai loro rispettivi baricentri troviamo il baricentro totale tendenzialmente concentrato in posizione avanzata rispetto l’asse di sterzo e posto sopra il centro della ruota.Gli effetti descritti sono principalmente percepibili a bassa velocità mentre all’aumentare di quest’ultima risulta preponderante l’effetto giroscopico legato alle forze generate dalle masse rotanti il cui valore viene calcolato con:
dove Jp rappresenta il momento di inerzia polare secondo l’asse di rotazione della ruota (una sorta di descrittore della ruota e delle sue caratteristiche di massa) mentre le rimanenti due variabili rappresentano rispettivamente le velocità (angolare) di rotazione della ruota e di rotazione dello sterzo: la rapidità di sterzata, per intenderci. Come si può intuire l’effetto giroscopico è legato alle dimensioni e al peso della ruota, alla velocità con cui procediamo e alla rapidità con cui tendiamo a far ruotare lo sterzo. L’azione è benefica soprattutto quando si procede in linea retta e intervengono fattori esterni imprevisti, come ad esempio un sasso o una buca, che tendono a far deviare la ruota dal senso di marcia. La rapidità con cui il colpo viene incassato esalta l’efficacia della riposta del momento giroscopico. La stabilità dello sterzo della nostra bicicletta è in definitiva data dalla somma del momento giroscopico e di quello generato dall’avancorsa.
L’avancorsa e la forcella ammortizzata
Ma tornando all’avancorsa e facendo qualche ulteriore considerazione ci accorgiamo che in frenata e con forcella ammortizzata questo valore cambia sensibilmente. Infatti, abbassandosi la testa dello sterzo per effetto della frenata, che tende a comprimere gli elementi elastici della forcella, anche l’angolo “alfa” tenderà a variare diminuendo il valore di avancorsa determinato in condizione di equilibrio. Non allarmiamoci: questo torna a nostro vantaggio ! Si è affermato, all’inizio di questa chiacchierata, che la stabilità è l’esatto contrario della maneggevolezza Se immaginiamo le situazioni in cui è richiesta una forte frenata: impostazione di una curva, caso di emergenza o possibile manovra per evitare un ostacolo, ecc. in tutti questi casi ci troviamo di fronte a situazioni in cui il ciclista chiede al proprio mezzo la massima maneggevolezza. In frenata, quindi, la diminuzione dell’avancorsa va a tutto beneficio della maneggevolezza a leggero discapito della stabilità.
Conclusioni
La ricerca del giusto compromesso, ovviamente soggettivo, tra stabilità e maneggevolezza costituisce un po’ la pietra filosofale del ciclismo. Come abbiamo cercato di illustrare, purtroppo, l’una annulla l’altra rendendo praticamente impossibile l’ottenere una bicicletta stabile dotata di buona maneggevolezza. Di conseguenza la sostituzione di una o più parti dell’avantreno della vostra “Specialissima”: la forcella ad esempio (ammortizzata o rigida che sia) con un componente “After market” potrebbe influire negativamente sul comportamento globale della vostra bicicletta che si suppone sia stata concepita dal costruttore con giusto criterio. Tuttavia la sostituzione consapevole di alcuni elementi, potenzialmente, può migliorare il comportamento dinamico del veicolo in determinate situazioni: l’impiego di una ruota anteriore più o meno pesante, ad esempio, può rendere la bicicletta più o meno maneggevole a vantaggio o meno della stabilità. A voi la scelta … Dimenticavo … Oltre alla conosciuta avancorsa anteriore, seppur di limitato effetto, esiste anche l’avancorsa posteriore legata alla distanza tra il punto di contatto della ruota posteriore e l’articolazione dello sterzo.
