# Aerodinamica e fisica del ciclismo · Triathlon, Livello 8: Esperto

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Aerodinamica e fisica del ciclismo: 100 fatti, 10 test.

La fisica che sta dietro la velocità in bici: l'equazione della potenza, densità dell'aria, CdA in numeri, strati limite e superfici, come si misura la resistenza, scia, salite e pendenze, vento, energia cinetica e calcoli di velocità e potenza.

## Test 1: L'equazione della potenza nel ciclismo

- Il modello validato di Martin somma le perdite aerodinamiche, di rotolamento, dei cuscinetti e della trasmissione, il termine gravitazionale sulle pendenze e le variazioni di energia cinetica. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Forza di resistenza = 0,5 × densità dell'aria × CdA × v al quadrato, quindi raddoppiando la velocità dell'aria la forza quadruplica. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- La potenza è forza per velocità, quindi la potenza aerodinamica cresce con v al cubo. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Poiché la potenza aerodinamica cresce con il cubo della velocità, 2 × 2 × 2 = 8 volte la potenza. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Alle velocità di gara in pianura prevale la resistenza aerodinamica; la resistenza al rotolamento e le perdite della trasmissione costituiscono il resto. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- La forza di resistenza al rotolamento è circa costante, quindi la potenza che assorbe cresce all'incirca in modo lineare con la velocità. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Il modello ha spiegato circa il 97% della variazione della potenza misurata, con errori di pochi watt. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- La densità dell'aria (rho) dipende da altitudine, temperatura, pressione e umidità, non dall'atleta. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Il CdA combina un coefficiente di resistenza adimensionale con un'area, quindi si esprime in metri quadrati. (Fonte: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- 1,1 al cubo fa circa 1,33, quindi la parte aerodinamica della potenza richiesta aumenta di circa un terzo. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

## Test 2: Densità dell'aria e condizioni

- L'atmosfera standard dà circa 1,225 kg/m3 a livello del mare e a 15 °C. (Fonte: International Standard Atmosphere (ISO 2533))
- La densità dell'aria cala di circa un decimo per ogni chilometro di altitudine vicino al livello del mare. (Fonte: International Standard Atmosphere (ISO 2533))
- La minore densità dell'aria all'altitudine di Città del Messico ha ridotto la resistenza abbastanza da compensare la minore disponibilità di ossigeno. (Fonte: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- La resistenza diminuisce con la densità, ma diminuisce anche la potenza aerobica massima; l'effetto netto dipende dall'altitudine e dalla durata della gara. (Fonte: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- La densità è inversamente proporzionale alla temperatura assoluta, quindi l'aria calda oppone una resistenza leggermente minore. (Fonte: International Standard Atmosphere (ISO 2533))
- Passando da 278 K a 308 K la densità cala di circa il 10%, il che riduce nella stessa misura la potenza aerodinamica a una data velocità. (Fonte: International Standard Atmosphere (ISO 2533))
- Il vapore acqueo è più leggero dell'azoto e dell'ossigeno che sposta, quindi l'aria umida è leggermente meno densa. (Fonte: International Standard Atmosphere (ISO 2533))
- A parità di potenza e di CdA, la minore densità dell'aria con il caldo consente una velocità maggiore, quindi i tempi parziali non sono direttamente confrontabili. (Fonte: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- La forza di resistenza misurata riflette sia il CdA sia la densità dell'aria; per separarli servono temperatura, pressione e umidità. (Fonte: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Con la potenza proporzionale a densità × v al cubo, la velocità cresce di circa la radice cubica di 1/0,9, cioè circa il 3,5%. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

## Test 3: Il CdA in numeri

- I dati di galleria del vento e di pista indicano per i migliori specialisti della cronometro circa 0,20-0,23 m2. (Fonte: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Una posizione eretta da strada raddoppia circa l'area di resistenza rispetto alle migliori posizioni da cronometro. (Fonte: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 0,5 × 1,225 × 0,01 × (11,1 m/s) al cubo fa circa 8 W. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Il Cd riflette la forma e il comportamento del flusso; moltiplicato per l'area frontale dà il CdA. (Fonte: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Le aree frontali proiettate misurate dei ciclisti in posizione aerodinamica sono in genere intorno a 0,3-0,4 m2. (Fonte: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- La fluidità con cui l'aria scorre attorno al corpo, ossia la parte Cd, varia con la postura, l'abbigliamento e la forma. (Fonte: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Pochi watt risparmiati alla velocità di gara si accumulano; su 180 km un piccolo miglioramento del CdA può valere diversi minuti. (Fonte: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Per chilometro il tempo risparmiato in secondi è maggiore quando si resta in strada più a lungo, anche se il risparmio in watt è minore. (Fonte: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Le gallerie del vento indicano spesso la forza di resistenza a una velocità di riferimento, che si converte in CdA con la densità e la velocità. (Fonte: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Ogni 0,01 m2 vale circa 8 W a 40 km/h, quindi 0,02 m2 valgono circa 16 W. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

## Test 4: Strati limite e superfici

- L'aria a contatto con una superficie è rallentata dall'attrito e forma un sottile strato limite, il cui comportamento determina la resistenza. (Fonte: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Uno strato turbolento resiste al distacco, ritardandolo e producendo una scia di bassa pressione più piccola. (Fonte: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Come le fossette su una pallina da golf, la texture può innescare una transizione anticipata alla turbolenza su cilindri come le braccia. (Fonte: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- A un numero di Reynolds critico lo strato limite diventa turbolento e la resistenza cala bruscamente: è la crisi della resistenza. (Fonte: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Dipende dalla velocità, dalle dimensioni e dalla viscosità del fluido e prevede se il flusso è laminare o turbolento. (Fonte: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Su forme tozze alle velocità del ciclismo, una superficie liscia può mantenere uno strato laminare che si stacca presto, aumentando la resistenza. (Fonte: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- I loro test del 2014 hanno rilevato che le gambe depilate riducevano la resistenza di qualche punto percentuale, stimato in circa 50-80 secondi su 40 km. (Fonte: Specialized Win Tunnel, 2014)
- I profili Kammtail tagliano la coda dove resta poco beneficio per il flusso, risparmiando peso e forza laterale. (Fonte: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Ogni texture innesca la transizione a uno specifico numero di Reynolds, quindi le tute sono calibrate sulle velocità di gara previste. (Fonte: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Il materiale che sventola crea un flusso staccato instabile, aumentando la resistenza oltre quanto farebbe la sua piccola area. (Fonte: Crouch et al., Sports Eng 2017)

## Test 5: Misurare la resistenza aerodinamica

- Le gallerie del vento controllano la velocità dell'aria e l'angolo di imbardata, rendendo misurabili e ripetibili le piccole differenze. (Fonte: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Pedalare a velocità costante su una pista indoor con misurazione della potenza permette di stimare il CdA con poco vento. (Fonte: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Se CdA e Crr sono corretti, il profilo altimetrico modellato coincide con la strada reale; i valori si regolano finché non coincide. (Fonte: Chung, Estimating CdA with a power meter (2012))
- La CFD risolve numericamente le equazioni del flusso, permettendo di vagliare molte forme prima dei test fisici. (Fonte: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Misurare la velocità e la densità dell'aria sulla bici elimina in parte le congetture sul vento nei test su strada. (Fonte: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Raffiche, traffico e piccoli cambiamenti di posizione rendono meno precisi i risultati su strada, a meno che i test non siano ripetuti con cura. (Fonte: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- La rapidità con cui cala la velocità in rilascio su una superficie piana riflette la resistenza aerodinamica e di rotolamento combinate. (Fonte: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- La classifica dei materiali può cambiare con l'angolo di imbardata, quindi i risultati vengono riportati su una gamma di angoli del vento. (Fonte: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Tornare a una misura di riferimento permette di verificare la deriva delle condizioni e della posizione dell'atleta nel corso della sessione. (Fonte: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Il CdA assoluto varia a seconda del metodo; i confronti tra assetti all'interno dello stesso metodo sono più affidabili dei totali tra metodi diversi. (Fonte: Debraux et al., Sports Biomech 2011)

## Test 6: La fisica della scia

- Stare a ruota a breve distanza riduce la resistenza del ciclista che segue di circa un terzo o più. (Fonte: Kyle, Ergonomics 1979)
- Il ciclista che segue aumenta la pressione dietro a quello che precede, riducendone la resistenza di qualche punto percentuale. (Fonte: Blocken et al., J Wind Eng Ind Aerodyn 2013)
- I ciclisti al centro e in coda a un grande gruppo hanno sperimentato solo una piccola frazione della resistenza di chi pedala da solo. (Fonte: Blocken et al., J Wind Eng Ind Aerodyn 2018)
- La scia a bassa velocità dietro a un ciclista si mescola con la distanza, quindi il riparo si indebolisce. (Fonte: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Alle grandi distanze richieste la scia si è in gran parte ricomposta, quindi il beneficio residuo è piccolo ma non nullo. (Fonte: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Blocken ha mostrato che un veicolo dietro a un ciclista aumenta la pressione alle sue spalle, riducendone la resistenza, e questo può contare nelle cronometro. (Fonte: Blocken et al., J Wind Eng Ind Aerodyn 2016)
- Con il vento laterale la scia si sposta di lato, ed è per questo che i ventagli si formano in diagonale sulla strada. (Fonte: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Sulle salite ripide la velocità è bassa e prevale la gravità, quindi il riparo aerodinamico fa risparmiare poca potenza. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- La resistenza di chi è in testa è vicina a quella di un ciclista solo, mentre chi segue pedala nella sua scia. (Fonte: Blocken et al., J Wind Eng Ind Aerodyn 2013)
- Una resistenza minore significa che serve meno potenza meccanica per mantenere la stessa velocità. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

## Test 7: Salite, peso e pendenze

- Potenza gravitazionale = massa × g × velocità × seno dell'angolo di pendenza. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 1 kg × 9,81 × 4,17 m/s × 0,08 fa circa 3,3 W. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- La Velocità Ascensionale Media è la velocità di salita verticale in metri all'ora, un indicatore indiretto della potenza in salita per chilo. (Fonte: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Alle basse velocità in salita quasi tutta la potenza serve a sollevare la massa, quindi sono i W/kg a determinare la velocità. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- A meno che le salite non siano lunghe e ripide, il tempo trascorso ad alta velocità rende l'aerodinamica il fattore più importante. (Fonte: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- La velocità cresce finché la resistenza aerodinamica e quella di rotolamento eguagliano la componente della gravità che spinge in discesa. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- La forza in discesa cresce con la massa, mentre la resistenza dipende dal CdA e dalla velocità, quindi il ciclista più pesante raggiunge una velocità di equilibrio più alta. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- La potenza aerodinamica cresce con il cubo della velocità dell'aria, quindi alle velocità di salita diventa una piccola quota della potenza totale. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Alle alte velocità in discesa la posizione aerodinamica fa risparmiare più tempo; alle basse velocità in salita contano di più la potenza e la respirazione. (Fonte: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- La massa conta di più dove prevale la gravità; in pianura e in discesa ha poco effetto o addirittura un effetto leggermente negativo. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

## Test 8: Il vento in bici

- La resistenza dipende dalla velocità dell'aria rispetto al ciclista, che include l'eventuale vento. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Poiché la resistenza cresce rapidamente con la velocità dell'aria e si passa più tempo nel tratto lento con vento contrario, le perdite superano i guadagni. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Il tempo risparmiato per watt è maggiore alle basse velocità, quindi una potenza extra modesta nei tratti lenti migliora il tempo totale. (Fonte: Swain, Med Sci Sports Exerc 1997)
- Con un'imbardata moderata il cerchio può agire come una vela, producendo una portanza con una componente in avanti che riduce la resistenza netta. (Fonte: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Superfici laterali più grandi producono più forza laterale e coppia sullo sterzo quando arrivano le raffiche. (Fonte: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Se l'aria si muove alla stessa velocità del ciclista, la velocità relativa dell'aria, e quindi la resistenza, tende a zero. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Con una velocità del ciclista più bassa, la componente del vento laterale costituisce una quota maggiore del vento relativo, aumentando l'imbardata. (Fonte: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Le differenze di resistenza crescono con il quadrato della velocità dell'aria, quindi un vantaggio aerodinamico aumenta con il vento contrario. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Il vento apparente è la somma vettoriale del vento reale e del flusso d'aria creato dalla velocità del ciclista. (Fonte: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Alleggerire leggermente nel tratto veloce con vento a favore costa poco tempo e permette di dare più potenza dove fa guadagnare più tempo. (Fonte: Swain, Med Sci Sports Exerc 1997)

## Test 9: Energia cinetica e variazioni di velocità

- Energia cinetica = 0,5 × massa × v al quadrato. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Ogni frenata dissipa energia cinetica, che il ciclista deve restituire sotto forma di potenza quando riaccelera. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Curvare in modo fluido preserva la velocità, riducendo il costo ripetuto di riaccelerare fino al ritmo di gara. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 0,5 × 80 × (11,1 al quadrato - 5,6 al quadrato) fa circa 3,7 kJ, prima delle perdite per resistenza. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- La quantità di moto porta il ciclista dentro le brevi salite, ed è per questo che mantenere la velocità all'imbocco di una salita è efficiente. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Una ruota in rotazione aggiunge energia rotazionale, ma l'extra è modesto e conta solo quando la velocità cambia spesso. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Rallentare e accelerare ripetutamente rende più importanti i picchi di potenza e la guida rispetto alla pura aerodinamica. (Fonte: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Le accelerazioni brevi costano sia energia cinetica sia potenza aerodinamica cubica; il guadagno è spesso piccolo. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- I ciclisti in coda frenano di più e devono accelerare con più forza, quindi l'effetto fisarmonica allunga il gruppo. (Fonte: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Poiché la potenza di resistenza cresce con il cubo della velocità, pedalare in modo irregolare alla stessa velocità media richiede più energia. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

## Test 10: Calcoli di velocità e potenza

- Poiché in pianura la potenza cresce all'incirca con il cubo della velocità, la velocità varia di circa un terzo di qualsiasi variazione di potenza. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Cinque ore all'1% più veloci fanno risparmiare circa l'1% di 300 minuti, cioè circa 3 minuti. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- (36/40) al cubo fa circa 0,73, e 0,73 × 250 fa circa 182 W. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Il tempo risparmiato per watt è maggiore a velocità più bassa e si accumula su una pedalata più lunga. (Fonte: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Lavoro = potenza × tempo: 200 J/s × 3600 s = 720.000 J. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Bruciare 4,18 kJ di energia alimentare per compiere circa 1 kJ di lavoro con un'efficienza del ~24% rende i numeri quasi uguali. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Solo circa un quinto o un quarto dell'energia metabolica diventa potenza sui pedali; il resto è calore. (Fonte: Coyle et al., Med Sci Sports Exerc 1992)
- Con un'efficienza intorno al 20-25%, la maggior parte dell'energia esce sotto forma di calore, che il corpo deve dissipare. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Un risparmio equivalente di potenza del 4% dà circa un terzo di tale valore in velocità, cioè circa l'1,3%. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- La velocità cresce con la radice cubica di potenza/CdA, quindi una riduzione del CdA del 10% dà circa il 3,5% di velocità in più. (Fonte: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

Fonti: Letteratura scientifica sottoposta a revisione paritaria di ingegneria dello sport e fisiologia, con dati di test e standard pubblicati per i fatti consolidati

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