Parte 4A: Rolling Resistance (la storia e le opere precedenti)

La parte 4A di questa serie copre la storia della resistenza al rotolamento delle biciclette e come e perché le gomme pneumatiche sono così fantastiche.  Se vuoi solo vedere i dati, puoi saltare Parte B qui

Nel 2007-2008 durante lo sviluppo delle ruote di Paris-Roubaix, ho avuto un momento interessante nella foresta di Arenberg.  Stavo lavorando con uno dei più famosi vincitori di Roubaix degli ultimi 10 anni, uno con cui avevo anche lavorato per vincere tappe del tour, prove a tempo per tour e persino un campionato mondiale.  Avevamo eseguito pneumatici a pressioni sempre più basse cercando di trovare il punto in cui un fallimento di cerchioni/ruota era inevitabile e proprio lì tracciato sullo schermo era una tendenza che è stata congelata nel mio cervello per questi ultimi anni: ogni volta che abbiamo abbassato Pressione, è andato più veloce.

È noto a lungo nelle corse di mountain bike che le pressioni più basse sono più veloci, ma nelle corse su strada e nel triathlon abbiamo da tempo tenuto sulla convinzione che la maggior parte delle superfici stradali e persino in ciottoli siano abbastanza lisce che le pressioni più elevate saranno più veloci, a spese di conforto.  Anche all'inizio della mia storia con il test di Parigi Roubaix (~ 2005), la convinzione era che dovevamo trovare pressioni abbastanza alte da essere abbastanza veloci, ma abbastanza basse da poter gestire le bici su sezioni acciottolate.  Eppure, proprio lì, in ogni modo in cui lo abbiamo guardato sul computer, ripetuti su più ciclisti: una pressione più rapida era più veloce.

Avanti veloce ad oggi e abbiamo numerose buone fonti per i test CRR (coefficiente di resistenza al rotolamento) e abbiamo un movimento reale per identificare e migliorare gli aspetti delle gomme ad alte prestazioni.  Siamo, per molti versi, in un'era d'oro del progresso della resistenza al rotolamento dei pneumatici, molto nel modo in cui gli anni 2000 avevano l'età del massiccio progresso aerodinamico.  Tuttavia, nessuno degli studi CRR in laboratorio deve ancora spiegare o prevedere veramente il fenomeno che abbiamo visto nella foresta di Arenberg. 

Una teoria in preparazione

Negli ultimi 10 anni, due fonti che conosco hanno identificato effetti simili nei loro dati, Jan Heine of Bicycle Quarterly ha scritto sull'effetto che chiama "perdite di sospensione" che puoi leggere QUI.  Alcuni dei lavori più interessanti di Jan sono nel guardare il potere necessario per guidare su diverse superfici, comprese quelle molto aggressive come le strisce di rombo autostradali.  

La teoria alla base delle "perdite di sospensione" è radicata nell'esperienza pre-pneumatica dei pneumatici ed è anche un argomento di discussione tra gli atleti di pattinaggio in linea.  Le gomme solide rendono la rugosità superficiale incredibilmente evidente all'atleta sia in termini di comfort che di velocità. 

Immagina un pneumatico rigido e una ruota che rotola su un bernoccolo da 5 mm sulla strada.  In questo caso il pneumatico è rigido, quindi l'intera ruota/pneumatico e quindi la bicicletta verrà sollevata e abbassata di 5 mm

 

 

Modello di un pneumatico rigido su bump da 5 mm. Questo scenario è letteralmente come le prime biciclette "boneshaker" si sono guadagnate i loro nomi, non era né veloce né comodo.

 

 

Il pilota della bicicletta diventa il sistema di sospensione per assorbire l'urto poiché il pneumatico non è in grado di gestirlo nel punto di impatto.  Il momento in avanti della bici viene convertito in una forza verticale che viene parzialmente assorbita all'interno del corpo del pilota e assorbito in attrito nei punti di contatto tra la bici e il pilota.  

Un altro modo per descriverlo è che il bump sta essenzialmente sollevando l'intero sistema di 5 mm e lasciarlo cadere in una sorta di panca a marciapiede della bici e del pilota.  Pensa a 1000 dossi da 5 mm sulla strada come la strada facendo 1000 presse mini-panchine di un oggetto da 180 libbre e diventa chiaro che l'energia non viene utilizzata saggiamente in questo scenario.

Le gomme pneumatiche erano una tale rivoluzione in quanto non erano solo più comode, ma si sono dimostrati significativamente più veloci delle gomme solide che sostituivano.  

Guardando il bump simile con un pneumatico modellato a 100 psi e vediamo che anziché sollevare il sistema di 5 mm, il sistema viene sollevato solo 1 mm da terra, con l'altro 4 mm di spostamento assorbito dal pneumatico.  Poiché lo pneumatico pneumatico è molto efficiente, gran parte dell'energia assorbita viene restituita con le perdite primarie che sono piccole quantità di calore prodotte nell'involucro del pneumatico.

 

Modello di pneumatico da 23 mm a un bump da 5 mm di 4 mm.  L'intero sistema viene sollevato 1 mm con il resto assorbito dal pneumatico. 

Il nostro secondo punto dati è venuto da Tom Anhalt che ha studiato la resistenza al rotolamento e altre fisiche in bicicletta sul suo sito Web QUI

Tom ha raccolto il testimone da Al Morrison e ha misurato e pubblicato i dati di resistenza al rotolamento dei pneumatici per biciclette prelevati sui rulli.  Tom ha pubblicato un pezzo molto interessante nel 2009 relativo alle differenze tra i test a rulli e i test del mondo reale, in cui è stato in grado di abbinare approssimativamente i dati dei rulli a pressioni più basse, ma ha visto una divergenza nei dati a pressioni più elevate.  L'articolo di Tom menzionando questo è stato pubblicato su slowtwitch.com e può essere trovato QUI

Simile ai dati di Jan Heine, Tom ha scoperto che la resistenza al rotazione è diminuita con l'aumentare della pressione fino a un certo punto, e poi ha ricominciato ad aumentare di nuovo come mostrato di seguito:

 

 

Il test dei pneumatici del mondo reale di Tom Anhalt sulla superficie di asfalto "buona", rispetto agli identici pneumatici testati sui rulli di Al Morrison

Tom ha coniato la frase "pressione del punto di rottura" per descrivere il punto in cui il CRR è cambiato dalla diminuzione con la pressione all'aumento con la pressione.  Tom fu anche il primo a teorizzare che potevamo stimare quelle che chiamava "perdite trasmesse" che erano le perdite dovute a vibrazioni e rugosità e che potevamo (e dovremmo) modellarle nelle nostre teorie sulla pressione ottimale dei pneumatici.  

Un nuovo termine: impedenza rotolante o solo impedenza

Per il resto di questa serie useremo il termine impedenza per definire questa resistenza al movimento in avanti causato dalla rugosità superficiale.  Ho rubato il termine impedenza dall'ingegneria elettrica in cui è definito come la resistenza di un circuito a una corrente alternata.  La frase mi sembra più naturale di qualsiasi altro usato in precedenza ed è stata anche approvata da Tom Anhalt, quindi speriamo che si attacchi.

La parte 4B porterà il concetto di impedenza al livello successivo e ci aiuterà a capire come compensare le nostre pressioni sui pneumatici.  Clicca qui per leggere la parte 4B