Big is better?

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Forcelle con steli da 36 o 40mm, manubri oversize, reggisella oversize, telai con tubazioni maggiorate. Anche oggi, con il lancio dei prodotti 2012, alcuni produttori propongono nuovi standard per aumentare il diametro di componenti sensibili come ad esempio manubrio e forcelle. Le forcelle con cannotto conico o “onepointfive” sono oramai diventate un must, così come i telai in alluminio o carbonio con tubazioni di grosso.

… ma alla fine è tutto marketing, o è vero che “grosso è meglio”? Lo scopriremo in questo articolo.

Come si è evoluto il mondo delle mtb?

C’erano una volta, in tempi piuttosto lontani (parliamo dei primi anni ’90, agli albori della MTB moderna), forcelle con cannotto da 1”, reggisella e manubri sottili come un grissino…

Le tubazioni dei telai erano talmente piccole, che veniva da chiedersi come queste bici potessero resistere alle sollecitazioni di un uso off-road, soprattutto se paragonate alle mtb moderne.

Eh si, oggi i vecchi standard sono stati completamente abbandonati. Le forcelle hanno cannotti da minimo 1” 1/8, ma sono sempre più diffuse, specialmente per uso enduro-am e per le discipline gravity, i cannotti conici o da 1,5”. I manubri “oversize” da 31,8mm sono oramai lo standard e vedere un manubrio da 25,4mm ci da una strana sensazione. Anche i cannotti sella da 27,2mm stanno scomparendo, così come tanti altri componenti che diventano di anno in anno sempre più grossi.

E’ ad esempio notizia recente ad esempio che Easton abbia introdotto un nuovo standard per i manubri, standard che prevede, nella parte centrale, un diametro maggiorato a 35mm.

Nuovi manubri e attacchi Easton da 35mm

Anche le forcelle diventano sempre più grosse. Steli da 34, 35, 36 o addirittura da 40mm, più grossi di quelli delle moto.

Eppure i componenti diventano di anno in anno sempre più leggeri. Che cosa c’è dietro?

I vantaggi dell’oversize

Per capire quale sia il vantaggio dell’utilizzo di sezioni più grosse per i componenti tubolari, dobbiamo fare alcuni accenni di meccanica. Non entreremo chiaramente nello specifico occupandoci di momenti flettenti, reazioni vincolari, ma cercheremo di capire semplicemente in che modo le dimensioni dei componenti strutturali influenzino le loro proprietà meccaniche. Chi volesse una trattazione rigorosa è libero di prendersi un bel libro di scienza delle costruzioni e meccanica razionale.

I componenti strutturali delle nostre bici, devono rispondere a tre requisiti. Devono innanzitutto essere sufficientemente robusti per resistere alle sollecitazioni che un uso off road comporta, devono essere leggeri (perché il peso è estremamente importante per qualsiasi disciplina, dall’XC alla DH) e devono essere rigidi, per garantire precisione nella guida.

Nelle nostre MTB la sollecitazione più gravosa per i componenti è la flessione ed è in base a quella che si dimensionano i componenti. Compressione e trazione sono meno stressanti per il materiale. Se andiamo ad analizzare qualche componente scopriamo che quasi tutto lavora a flessione.

Prendiamo ad esempio un manubrio:

Quando noi spingiamo verso il basso con le mani, generiamo una sollecitazione di flessione retta, che può essere schematizzata nel seguente modo:

I triangolini (vincoli) sono le nostre mani mentre F è la spinta verso l’alto che viene trasferita dal terreno al manubrio attraverso la pipa. Supponiamo di salire una gobba o di entrare in una compressione: il manubrio tende a salire verso l’alto. Con le braccia noi ci opponiamo al movimento del manubrio verso l’alto, costituendo un vincolo.

Si tratta del comportamento di una trave soggetta a flessione semplice.
Nella flessione semplice l’elemento è soggetto a due tipi di sollecitazioni. Una sollecitazione di compressione, che riguarda le fibre della parte superiore che tendono quindi ad accorciarsi ed una sollecitazione di trazione, che riguarda le fibre della parte inferiore dell’elemento che tendono ad allungarsi.

Come ben sappiamo, il nostro manubrio in realtà non è pieno, ma è costituito da una sezione sottile circolare cava. In una sezione cava sottoposte a flessione, possiamo identificare una coppia di forze, rappresentata in figura:
Gli sforzi di compressione e trazioni si possono considerare come una coppia di forze applicate sulla superficie del materiale, come in figura (in realtà le coppie andrebbero applicate nel baricentro, ma concettualmente poco cambia).

La scienza delle costruzioni ci dice che data una determinata sollecitazione di flessione, maggiore è la distanza delle forze F (diametro della sezione) minore è l’intensità delle forze stesse e minore sarà lo stress a cui è sottoposto il materiale. Insomma maggiore è il diametro del nostro manubrio, minore sarà lo stress di trazione e compressione a cui sono sottoposte le fibre dei due lati opposti.

In particolare dobbiamo sottolineare che in una sezione circolare cava il modulo di resistenza W aumenta secondo il cubo del diametro, mentre il momento di inerzia J aumenta secondo la quarta potenza del diametro. Questo tradotto in linguaggio comune significa che se aumentiamo il diametro del nostro manubrio (mantenendo invariato lo spessore), questo sarà in grado di sopportare un maggiore carico proporzionalmente al cubo del suo diametro e la sua rigidità aumenterà in maniera considerevole (proporzione alla quarta potenza!).

Per questo motivo progettualmente aumentare il diametro delle sezioni è estremamente vantaggioso. Poiché la resistenza aumenta al cubo con l’aumentare del diametro, si può realizzare una sezione più sottile, utilizzando molto meno materiale (area della sezione inferiore), garantendo sempre la stessa resistenza. Il componente sarà quindi più leggero. Inoltre la rigidità (che dipende dal momento di inerzia e quindi dalla quarta potenza del diametro) risulterà incrementata.

Per questo motivo i produttori spingono molto sull’oversize, perché permette di ridurre i pesi dei componenti e di incrementarne la rigidità, semplicemente sfruttando le caratteristiche meccaniche della sezione. Non servono materiali high tech ultracostosi, basta solo cambiare la forma.

UN ESEMPIO PRATICO: LA FORCELLA GERMAN-A XCITE

Vediamo ora un esempio pratico di come si può ottenere un componente leggero, sfruttando le caratteristiche meccaniche della sezione circolare.

La forcella German-A Xcite è una forcella da cross country (100mm di escursione) con steli da 36mm. Il peso per la versione da 100mm è di soli 1298g.

La forcella di una bicicletta, un po’ come il manubrio, durante il normale uso è prevalentemente soggetta a flessione (tralasciamo in quest’articolo la torsione). L’unica differenza è che lo schema di vincolo rispetto al manubrio è differente:

La forcella può essere vista come un’asta incastrata nella serie sterzo, a cui viene applicato un carico orizzontale. Anche qui, come nel caso del manubrio una sezione qualsiasi è caratterizzata da una coppia di forze, uguali e di verso opposto, una di trazione e una ci compressione. Valgono insomma gli stessi identici ragionamenti e regole che avevamo visto per il manubrio (resistenza che dipende dal cubo del diametro e rigidità che dipende dalla quarta potenza del diametro).

La German-A ha deciso di sfruttare le proprietà delle sezioni circolari cave, riducendo lo spessore e aumentando il diametro degli steli (36mm). In questo modo la resistenza è la stessa di un’eventuale soluzione con steli da 32mm, ma la rigidità è superiore e il peso inferiore, in quanto è stato possibile utilizzare meno materiale. Due piccioni con una fava, insomma!

Gli svantaggi

Se da un lato incrementare il diametro, riducendo la sezione è una soluzione molto vantaggiosa per ottenere componenti più leggeri e più rigidi, dall’altro c’è il rovescio della medaglia.

Sezioni troppo sottili infatti resistono poco al punzonamento e alla perforazione. E’ infatti molto frequente che le nostre bici cadano o colpiscano ostacoli acuminati come rocce o pietre sollevate dalle ruote. Se la sezione è troppo sottile, questo tipo di sollecitazioni possono provocare facilmente delle deformazioni plastiche (bolli e bozzature) o addirittura la perforazione dell’elemento, con conseguente perdita delle proprietà meccaniche di resistenza a causa della presenza del foro.

Una classica bozzatura sulla tubazione di un telaio. Si tratta di un inconveniente molto comune sui telai in alluminio, in cui lo spessore dei tubi è minimo.

Sui telai inoltre, sezioni con pareti troppo sottili, possono causare problemi nelle zone di giunzione tra i vari tubi. Nel nodo piantone sella-piantone orizzontale, ad esempio, la spinta del piantone orizzontale contro il piantone sella o viceversa, può provocare la perforazione del piantone sella da parte del piantone orizzontale (rottura per punzonamento, si dice in gergo tecnico).

Non dimentichiamoci poi che un’elevata rigidità non sempre è positiva. Un componente rigido non è infatti in grado di smorzare le sollecitazioni che nell’uso off road possono essere anche considerevoli. Nel caso di bici non ammortizzate diventa quindi compito del rider assorbire e smorzare queste sollecitazioni, con conseguente riduzione del comfort.

Non ultimo poi è il fattore sicurezza. Incrementare il diametro e ridurre lo spessore, provoca una riduzione delle risorse plastiche della sezione. Un componente oversize tende quindi a subire una rottura poco duttile, il cosiddetto cedimento di schianto. Poco preavviso quindi, il componente si trancia di netto con conseguente rischi per l’incolumità del rider.
Questo è un problema molto noto in altri ambiti, come ad esempio quello della progettazione strutturale ed anche quando si progetta un componente di un MTB non va trascurato.

Abbiamo insomma capito che i vantaggi ci sono, ma ci sono anche dei problemi che vanno tenuti in considerazione quando si deve progettare un nuovo componente.

E voi cosa ne pensate? Avete notato dei vantaggi passando a componenti oversize? Pensate che valga la pena introdurre nuovi standard per aumentare la rigidità di alcuni componenti come i manubri, o quello che il mercato offre oggi è già abbastanza? Dite la vostra!