Stress e sollecitazioni: come reagisce il telaio?

Bentrovati con il consueto appuntamento settimanale con il tech corner!

Come sicuramente avrete notato nella sezione news, ci stiamo dotando, per migliorare ancora i nostri test, di un banco di prova su cui poter eseguire dei test per valutare e quantificare in modo oggettivo la risposta dei telai a determinate sollecitazioni e poter quindi avere un termine di paragone oggettivo, oltre alle sensazioni dei nostri tester.

In questo articolo ci occuperemo di analizzare le principali sollecitazioni a cui è sottoposto un telaio durante il suo utilizzo, cercando di capirne la natura e come reagisce il telaio quando è soggetto a queste sollecitazioni.

Per ora ci occuperemo solo delle sollecitazioni indotte dal terreno. Se l’argomento riscontra un certo interesse, faremo uscire una seconda parte dedicata alle sollecitazioni indotte dalla pedalata e dalle frenate, che per ragioni di spazio non possiamo trattare in questo articolo.

Introduzione

Siamo consapevoli che la meccanica non sia una scienza conosciuta da tutti e che per molti parlare di momenti, reazioni, vincoli, sia come parlare arabo. Per questo motivo in questo articolo cercheremo di spiegarci con termini quanto più possibile comprensibili anche a chi non conosce la meccanica, compiendo magari qualche imprecisione nel linguaggio. Ingegneri, periti meccanici, non scandalizzatevi insomma

Cominciamo con alcuni richiami di meccanica elementari, necessari per capire gli articoli.

Forza: senza scomodare definizioni meccaniche, la forza è un’interazione tra due corpi, ad esempio l’uno che spinge verso l’altro. Si rappresenta con una freccia (vettore) che ne indica la direzione, il verso e l’intensità. Piccolo esempio pratico: immaginiamo di spingere contro un muro. La nostra spinta può essere rappresentata da un vettore direzionato verso il muro secondo la direzione della nostra spinta. Tale vettore è una forza.

Momento: il momento o coppia torcente è una sollecitazione di torsione. Applichiamo un momento ad esempio quando stringiamo una vite. Per definizione il momento (T in rosso, noi lo chiameremo M) è dato dal prodotto forza (F, in blu) per braccio (r, in verde). Un esempio pratico di questa interazione e di come varia il momento in relazione al braccio è quando stringiamo un bullone con una chiave. Se la chiave è lunga (braccio maggiore) eserciteremo una coppia torcente maggiore e serreremo maggiormente la vite a parità di sforzo (forza applicata).

Deformazioni: le deformazioni si generano quando si applica una sollecitazione ad un corpo deformabile. I nostri telai sono infatti dei corpi materiali deformabili e subiscono quindi delle deformazioni durante l’uso, seppur piccole. Tali deformazioni ricadono nel campo elastico, ovvero il materiale è in grado di tornare esattamente come prima cessata la sollecitazione mantenendo inalterate le sue proprietà meccaniche. Cicli ripetuti di deformazioni elastiche possono comunque portare alla lunga ad una rottura per fatica.

Dopo questa piccola introduzione, entriamo nel vivo del nostro articolo.

Sollecitazioni indotte dagli ostacoli

Rientrano in questa categoria le sollecitazioni indotte dall’urto contro ostacoli presenti sul terreno (sassi, radici, buche, ecc) che si possono incontrare durante la marcia o le sollecitazioni dovute agli atterraggi dai salti.
Tratteremo separatamente ruota anteriore e posteriore in quanto le sollecitazioni sul telaio che ne derivano sono molto diverse e successivamente ci dedicheremo ai salti per capire quale sia la tecnica per atterrare sollecitando la bici il meno possibile, magari senza perdere velocità.

RUOTA ANTERIORE: OSTACOLO PERPENDICOLARE AL SENSO DI MARCIA

Situazione in cui la bici impatta contro un ostacolo ortogonale al senso di marcia, come può essere una radice, uno scalino oppure un dosso o una canalina, il cui spigolo comunque è ortogonale alla direzione di marcia.

Nel momento in cui la ruota colpisce l’ostacolo, questo essendo fisso esercita una reazione sulla ruota, che può essere rappresentata come una forza applicata nel punto di contatto della ruota con l’ostacolo stesso. Questa forza è applicata secondo l’asse della bici ed è direzionata da davanti verso dietro. Guardiamo la bicicletta di lato:

L’impatto contro un ostacolo (schematizzato dal sasso in grigio) determina una sollecitazione F che è diretta verso il centro del mozzo. Questa sollecitazione F può essere scomposta in due componenti: Fv, la componente verticale, che comprime la forcella e tende a sollevare la bici e la Fo, componente orizzontale che spinge la ruota indietro. Poiché la forcella è vincolata solo nella serie sterzo, la forza Fo trasposta sul mozzo genera un momento torcente (braccio, ovvero lunghezza della forcella, x forza Fo) sulla scatola sterzo del telaio, momento torcente positivo, ovvero orientato in senso orario.

Questo momento determina una flessione della scatola sterzo sul telaio e si trasferisce sui tubi facendo lavorare il piantone orizzontale (quello alto) a trazione e comprimendo il piantone obliquo.

RUOTA ANTERIORE: OSTACOLO OBLIQUO

Il caso più comune, l’ostacolo raramente è posizionato ortogonalmente al senso di marcia. L’ostacolo può essere un gradino, una radice o una canalina presi di sbieco o più semplicemente una pietra.

In questo caso valgono esattamente le stesse considerazioni fatte al punto precedente. Come si può vedere dal disegno precedente, il punto di applicazione della forza F derivata dalla reazione opposta dall’ostacolo, è avanzata rispetto all’asse di rotazione della forcella, proprio perché l’ostacolo va a colpire la ruota più in alto rispetto al punto di contatto della ruota con il terreno in condizioni di fondo liscio. Poichè la F non è ortogonale all’asse della bicicletta ma obliqua, questa tenderà a far ruotare la ruota, generando un momento M al mozzo che nel caso del disegno precedente è negativo (antiorario).

Il momento M al mozzo viene trasferito dalla forcella al manubrio, dove noi applichiamo, per mantenere la direzionalità del mezzo, con le nostre braccia un momento M’ opposto ad M, come nel disegno.

La forcella quindi si trova nella condizione in cui alle sue due asperità sono applicati due momenti torcenti opposti e sarà soggetta a torsione.
Se la torsione della forcella è particolarmente accentuata, il biker non riuscirà a gestire facilmente la direzione della ruota: anche tenendo stretto il manubrio la ruota non sarà perfettamente dritta. Questo comporta ovviamente una guida più imprecisa in quanto sarà difficile far andare la ruota dove si vuole.

Un grosso vantaggio per contrastare la torsione della forcella viene dato dalla presenza di un perno passante e dall’utilizzo di steli e di una struttura più grossa che incrementano la rigidità della forcella e la precisione di guida.

RUOTA POSTERIORE: OSTACOLO PERPENDICOLARE AL SENSO DI MARCIA

Completamente diverso è il discorso di un ostacolo che colpisce la ruota posteriore, sia che sia perpendicolare al senso di marcia, sia che sia obliquo. Cominciamo dal caso di ostacolo ortogonale.

Situazione in cui la ruota posteriore impatta contro un ostacolo ortogonale al senso di marcia, come può essere una radice, uno scalino oppure un dosso o una canalina, il cui spigolo comunque è ortogonale alla direzione di marcia.

Come nel caso della ruota anteriore l’ostacolo esercita una reazione F sulla ruota, reazione centripeta diretta verso il mozzo normale al cerchio. Questa reazione F può essere scomposta in due componenti: Fv, la forza verticale, che va a comprimere la sospensione posteriore e tende a sollevare bici e la reazione Fo, che tende a strappare via la ruota dal telaio spingendola verso il posteriore.

La Fo determina sul telaio essenzialmente una reazione di trazione sia dei foderi alti che dei foderi bassi del carro. Il carro viene praticamente tirato all’indietro, trazione che viene poi dissipata sul triangolo principale. A seconda dell’inclinazione della traiettoria ruota (che risulta sempre inclinata all’indietro per ragioni che qui non andremo ad analizzare) una parte della Fo viene assorbita dalla sospensione che si comprime. Questo è molto importante al fine di evitare che la bici subisca dei rallentamenti quando colpisce un ostacolo o un’asperità del terreno.

La Fv che tende a sollevare la bici, invece si scarica essenzialmente comprimendo il fodero alto e facendo ruotare il fodero basso o la biella inferiore attorno al suo infulcro (è ortogonale al fodero basso, che in questo caso svolge praticamente la sola funzione di guida per determinare la traiettoria ruota). Questa forza viene essenzialmente trasferita all’ammortizzatore e dissipata tramite la compressione dello stesso.

RUOTA POSTERIORE: OSTACOLO OBLIQUO

Anche in questo caso valgono le considerazioni del punto precedente. Tuttavia dobbiamo aggiungere che il fatto che la F non sia ortogonale all’asse della bicicletta ed applicata in un punto avanzato rispetto al mozzo (per lo stesso che abbiamo fatto nei casi precedenti, l’ostacolo, rialzato rispetto al terreno, impatta sulla ruota più in avanti rispetto al punto di contatto con il suolo in condizioni di terreno liscio), determina un momento M sul mozzo che tende a far sviare la ruota.

Naturalmente il carro si oppone a questo momento (che ad essere precisi non è perfettamente parallelo al terreno, ma leggermente ruotato) subendo una deformazione. Nel caso rappresentato ad esempio di due foderi DX saranno soggetti a compressione, i foderi SX a trazione. Se i due foderi DX e SX sono collegati attraverso un perno passante, il movimento relativo dei due elementi sarà minore. Il perno infatti è vincolato ai forcellini con un incastro. In caso si verifichi una sollecitazione come quella in questione che tende a generare uno spostamento relativo dei due foderi DX e SX e dei relativi forcellini, il perno si oppone a questo spostamento, irrigidendo il sistema.

URTO LATERALE

Situazione molto frequente, si verifica per esempio quando si attraversano pietraie o tratti molto sconnessi. Rientrano in questa categoria gli urti provocati dall’impatto con ostacoli praticamente paralleli alla direzione di marcia o le sollecitazioni indotte dalle contropendenze e dalle pendenze trasversali in genere.

In questo caso la forza è laterale e praticamente parallela al terreno. Che sia applicata esattamente nel punto di contatto con il terreno (caso di contropendenze) o sia leggermente avanzata a causa del contatto con una sporgenza, il succo del discorso non cambia: si genera un momento torcente M nel mozzo di braccio pari al raggio della ruota (molto elevato quindi, molto più dei momenti precedentemente analizzati). Questo determina, quindi una rotazione in senso orario del mozzo su di un piano quasi normale a quello formato dai foderi. Per questo motivo, specialmente su carri con foderi lunghi e unico punto di un fulcro (monocross con forcelloni lunghi ad esempio) questo tipo di sollecitazioni determinano una flessione molto pronunciata, tanto che in alcuni casi può causare persino il risucchio del deragliatore tra i raggi.

Nel caso rappresentato i foderi SX vengono spinti verso l’alto, i foderi DX verso il basso. La ruota quindi tende ad inclinarsi lateralmente. La presenza di un perno passante è estremamente importante per contrastare questa flessione: il perno infatti vincola tra di loro i foderi, riducendo lo spostamento relativo verso l’alto e verso il basso del lato SX e DX sul piano della ruota. Naturalmente il vincolo esercitato dal perno non è perfettamente rigido, così come il perno stesso e i foderi stessi che possono torcersi e flettersi. Ad ogni modo il perno passante migliora radicalmente la situazione irrigidendo il sistema, che comunque subirà lo stesso delle flessioni, seppur minori.

Inutile dire che un carro rigido è estremamente importante per il controllo nelle curve veloci, per la precisione di guida sullo sconnesso e per affrontare tratti in contropendenza.

ATTERRAGGI DAI SALTI

Argomento di cui spesso si parla, vediamo come si distribuiscono gli sforzi quando si atterra da un salto. Analizziamo i casi di atterraggio di posteriore, a ruote pari e di anteriore.

ATTERRAGGIO DI POSTERIORE
Situazione in cui si atterra toccando il suolo prima con la ruota posteriore, poi con l’anteriore.

La situazione è la seguente: la bici atterra sulla ruota posteriore, su cui viene applicata tutta la forza peso dell’insieme massa-ciclista. Poiché il baricentro è più avanzato rispetto al punto di contatto ruota-terreno, si genera una rotazione che porta bruscamente l’anteriore a terra. Nel momento in cui la ruota anteriore tocca il suolo, l’inerzia del sistema bici/ciclista in rotazione che viene frenato dal contatto della ruota con il suolo, provoca una forte sollecitazione F diretta verso l’alto. Questa sollecitazione F, a causa dell’inclinazione dell’angolo di sterzo (il mozzo si trova più avanti rispetto alla serie sterzo), genera un momento M, il cui braccio è il segmento rappresentato in verde, ovvero l’avanzamento del mozzo rispetto alla scatola sterzo. Il momento M è negativo, ovvero orientato in senso antiorario, esattamente al contrario di quello generato dall’impatto con un oggetto, che è positivo. Considerata l’entità della forza di inerzia dell’insieme biker/bici, la sollecitazione del telaio è importante e spesso i telai non sono opportunamente dimensionati per momenti negativi in zona sterzo.

Ci sono poi due aggravanti, che aumentano lo stress del telaio in questa situazione:

– L’impatto del terreno con la ruota posteriore fa comprimere la sospensione posteriore prima che la ruota anteriore tocchi il suolo. Questo determina un abbassamento del movimento centrale e l’apertura dell’angolo di sterzo. Quando la ruota anteriore tocca terra (forcella completamente riestesa) l’angolo di sterzo è più aperto della configurazione neutra e il braccio del momento M maggiore
– Quando la ruota posteriore tocca il terreno, questa viene spinta all’indietro a causa dell’inerzia del sistema bici/biker che tenderebbe a rimanere ruotato, inclinato all’indietro. La velocità orizzontale della bici si riduce drasticamente e la spinta sulla ruota posteriore incrementa la velocità di rotazione in avanti. Questo fa si che da un lato la bici perda velocità in avanzamento, dall’altro che si generi un incremento della velcoità di rotazione e quindi della forza F applicata all’anteriore quando questo tocca terra. D’altronde l’energia non si può distruggere e se si presenta una riduzione di velocità, l’energia cinetica da qualche parte deve andare, in questo caso viene dissipata dalle deformazioni elastiche del telaio e dalla compressione degli elementi ammortizzanti.

ATTERRAGGIO A RUOTE PARI
Considerata da molti la tecnica migliore e meno stressante per il telaio, in realtà è una via di mezzo tra l’atterraggio di posteriore e quello di anteriore. Vediamo di capire il perché..

Nella fase di atterraggio a ruote pari la sollecitazione viene ripartita uniformemente su entrambe le ruote e quindi si dimezza, questo è vero. Tuttavia se guardiamo la zona sterzo, il braccio su cui si applica la F/2 anteriore è comunque elevato e il momento M sarà si inferiore al caso precedente, ma comunque non proprio trascurabile.

ATTERRAGGIO DI ANTERIORE
Tecnica utilizzata dai downhiller, l’atterraggio di anteriore permette di dissipare buona parte dell’energia dell’atterraggio trasformandola in un incremento di velocità e di stressare il minimo possibile sospensioni e telaio.
In questo caso quando la ruota anteriore tocca il terreno, la forza F lavora praticamente parallela alla forcella. Questo fa si che la forza F possa essere assorbita completamente dalla forcella, che lavora verticale. Il momento sulla scatola sterzo è praticamente nullo, essendo il braccio molto piccolo, indipendentemente dall’entità di F. Naturalmente poiché il baricentro è più arretrato rispetto al punto di contatto, si innesca una rotazione in senso antiorario. Per l’inerzia del sistema bici/biker però la ruota anteriore viene spinta in avanti, come succedeva al contrario per l’atterraggio di posteriore. Questo determina quindi un incremento di velocità, incremento che va a ridurre la sollecitaizone F che si genera quando il posteriore tocca terra.

I vantaggi sono quindi molteplici:

– Minore stress del telaio
– Si utilizza meno corsa a parità di setup e salto
– Si aumenta la velocità subito dopo l’atterraggio, senza bisogno di pedalare.

Per questo possiamo dire con certezza che questa è la tecnica migliore di atterraggio, naturalmente che il fondo sia sufficientemente liscio da non provocare il ribaltamento.

Considerazioni

Come avrete capito le sollecitazioni a cui è sottoposto il telaio sono tantissime, qui abbiamo elencato solo le principali, ma ne potremmo trovare tante altre.

I nostri telai sono sottoposti durante l’uso a moltissime sollecitazioni ed il modo in cui reagiscono è estremamente importante per quanto riguarda poi le sensazioni di guida e il loro comportamento sul campo.

La rigidità, che in molti ritengono essere un parametro fondamentale nella scelta di un telaio o di una forcella, è un fattore molto importante, ma non sempre. E’ pur vero che maggiore rigidità in molte situazioni significa avere una risposta pronta e precisa, ma dall’altro (basti pensare ai telai front) una struttura rigida non è in grado di assorbire vibrazioni e piccole sollecitazione che vanno a scaricarsi sulle braccia e sulle gambe del biker. In presenza di sospensioni comunque queste sollecitazioni vengono assorbite dagli elementi ammortizzanti, specialmente se si parla di sospensioni con abbondante escursione. Se quindi su una bici da DH, FR o anche solo da AM un’elevata rigidità comporta essenzialmente solo vantaggi legati alla maggior precisione di guida, su bici con poca o nulla escursione (front) un’elevata rigidità comporta anche un maggiore affaticamento del rider. Insomma un telaio rigido può essere un’arma a doppio taglio…

Chiudiamo qui il nostro articolo, senza parlare delle sollecitazioni indotte dalla pedalata e dai freni. Se l’argomento vi interessa, fatelo presente nel topic delle proposte o qui di seguito e ci occuperemo di preparare la parte 2!