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Bicicletta, movimento ed equilibrio

In bici, è più facile stare in equilibrio muovendosi che da fermi e, uno dei motivi è l’effetto giroscopico delle ruote.

Effetto giroscopico

Consiste in questo: quando un disco ruota velocemente attorno a un asse, oppone una resistenza a una variazione dell’orientazione dell’asse stesso. Questo significa che quando le ruote della bicicletta sono in rotazione, esse tendono a opporsi a un’inclinazione della bicicletta, o in altri termini a una perdita di equilibrio. In sostanza significa che gli oggetti che ruotano intorno al proprio asse tendono a mantenere fisso il piano di rotazione.

La traiettoria

Ma il motivo più importante è un altro, se immaginiamo di andare in bicicletta su una strada diritta ed osserviamo attentamente la nostra traiettoria, ci renderemo conto che in realtà essa non è perfettamente rettilinea, ma è composta da piccole curve, alcune verso destra, altre verso sinistra. È proprio grazie a queste curve che rimaniamo in equilibrio. Infatti, quando ci sbilanciamo verso un lato, la bicicletta tende a curvare dalla stessa parte. In questo modo la forza centrifuga, che nasce quando facciamo una curva, ci raddrizza. C’è da dire che queste piccole curve sono dovute sia a un comportamento spontaneo della bicicletta sia a una nostra reazione istintiva. Infatti, il ciclista stesso contribuisce a compiere le piccole curve muovendo di poco il manubrio.

equilibrio trottola.jpg

L’equilibrio della Bici: questione di fisica

È una caratteristica curiosa e non dipende dall’abilità del guidatore: anche quando la bici viene lanciata senza nessuno in sella, la bicicletta riesce a percorre alcuni metri prima di cadere. Si piega, improvvisa perfino delle curve, ma finché mantiene un po’ di velocità resta in piedi. Responsabile di questo prodigioso equilibrio, come già detto, è il cosiddetto “effetto giroscopico”, noto anche come “Legge di conservazione del momento angolare”. Lo stesso accade alle trottole, che restano in piedi solo finché ruotano vorticosamente, alle monetine fatte rotolare su un tavolo e così via. L’effetto giroscopico è stato descritto già all’inizio del Novecento e, grazie all’impiego di grandi rotori, viene sfruttato per mantenere l’equilibrio a bordo di navi, aerei e satelliti artificiali.

Equilibrio tra forze

Quando una bici viaggia vi sono numerose forze che agiscono sul mezzo: c’è l’attrito tra terreno e pneumatico, l’aria che la investe nelle tre direzioni del moto, ci sono i cinematismi della trasmissione e molto altro. Semplifichiamo il tutto, immaginando di viaggiare in mondo senza attriti né aria. Rimane solo la forza di gravità, che ha quel brutto vizio di tirarci verso sé. In sostanza una bicicletta, per restare in equilibrio, deve opporre una forza uguale e contraria a quella della gravità, poiché un sistema si dice appunto in equilibrio quando la somma tra le forze positive e negative che agiscono sul sistema stesso è zero.

Self Stable

Ogni volta che la forza di gravità la fa inclinare verso destra o verso sinistra, la bici sposta il punto di contatto nello stesso senso della sua inclinazione. Ogni volta che spostiamo lo sterzo, la ruota anteriore va verso la direttrice dell’inclinazione data dalla gravità, riequilibrando le masse e mantenendo la stabilità. In sostanza la bicicletta è, teoricamente, un mezzo autostabilizzante (meglio usare la dicitura inglese “self-stable”), poiché il semplice spostamento dello sterzo fa in modo di equilibrare la massa e quindi annullare la forza di gravità.

equilibrio caffe.jpg

Avancorsa

Osserviamo la ruota anteriore. Se prolungassimo la forcella fino a terra, scopriremmo che il punto di contatto di questa linea immaginaria si trova più avanti rispetto alla piombatura dell’asse di rotazione della ruota (ovvero il mozzo). Questa caratteristica si chiama avancorsa ed è fondamentale per l’autostabilità della bici. Dato che l’asse di rotazione della ruota anteriore si trova dietro l’asse sterzante, questo fa sì che quando la forza di gravità fa inclinare la bici in una direzione è la stessa direttrice della gravità a “aiutare” la ruota anteriore a sterzare, in modo che le masse si equilibrino quasi “naturalmente”. Inoltre, l’avancorsa rende possibile il fatto che il resto della bici segua la direzione della ruota anteriore.

Distribuzione delle masse anteriori

Se osserviamo la parte anteriore della bicicletta, il peso della ruota anteriore e del manubrio sono scaricate più in avanti rispetto all’asse sterzante. Così, quando la bici s’inclina in una direzione, la forza che tira questa masse in quella stessa direzione aiuta la ruota a sterzare, permettendole così di equilibrarsi facilmente.

Precessione dell’effetto giroscopico

Per molto tempo si è sempre creduto che la bicicletta rimanesse in equilibrio grazie all’effetto giroscopico delle ruote, ovvero finché le ruote girano la bicicletta sta in piedi, quando le ruote rallentano la bicicletta cade. Questo è vero ma solo in parte. Immaginiamo una ruota di una bicicletta come una trottola che poggia su un immaginario muro verticale. Quando la ruota è ferma, la forza di gravità (verso il terreno) riesce a vincere la reazione vincolare della ruota stessa (che agisce verso l’alto) ma se mettiamo in rotazione la ruota, il momento angolare che si viene a creare consente di creare un equilibrio. Il problema dunque è che fino a che il momento angolare è abbastanza elevato, questi riesce a vincere la gravità ma appena il suo valore diminuisce, quest’ultima ha la meglio. Quindi il solo “effetto giroscopico” delle ruote (cioè il fatto che ruotino su sé stesse) non è responsabile dell’equilibrio, perché un effetto giroscopico alle basse velocità non riuscirebbe a mantenere in piedi la bici. Per questo ciò che serve è la precessione, ovvero la creazione di un momento angolare tale da sopperire alla gravità e per farlo serve un fattore importante,cioè un’adeguata velocità di rotazione. L’aspetto più importante però è un altro, che la precessione è utile perché agisce sulla ruota anteriore, che è quella sterzante, creando quindi una forza contraria a quella della gravità e consentendo di equilibrare le masse. Se la precessione venisse applicata alla ruota posteriore, la risultante sarebbe opposta, quindi nello stesso senso della gravità e farebbe cadere la bici anche alle alte velocità. Questi tre fattori sembrano cose molto complicate ma in realtà potete averne un immediato riscontro facendo un semplice esercizio: pedalate senza mani. La bicicletta rimane stabile nonostante non ci siano nessuno a governare il manubrio. Perchè? Semplice: pedalando noi manteniamo costante il valore del momento angolare e quindi la precessione dell’effetto giroscopico riesce a vincere la forza di gravità, mentre lo sterzo non fa altro che autostabilizzarsi con piccoli spostamenti, che consentono di equilibrare le masse in maniera pressoché autonoma.

equilibrio senza mani.jpg

Quindi, mettiamoci il cuore in pace, una bicicletta riesce a rimanere in equilibrio anche senza di noi. Il nostro compito, sostanzialmente, è quello di “alimentare” la precessione, mantenendo elevata la velocità di rotazione delle ruote e per farlo dobbiamo semplicemente pedalare. Torna alla Home

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