Tutti sanno guidarle ma nessuno sa come funzionano.

di mauriziopolese

Le due ruote, bici e moto: credo pochi c’abbian chiare le idee. La maggior parte delle persone sa guidarle ma nessuno sa spiegare come funziona. No, non è l’effetto giroscopico. Non solo quello.

Cos’è che ci affascina del guidarle? E cos’è che le fa stare su, in equilibrio? Cos’è, stregoneria? Che vince il buon senso della fisica? È colpa della loro instabilità. È l’instabilità che le rende così stabili. Eccome può essere??

Qui potete scaricare un eccellente PDF di Matteo G.A. Paris, del dipartimento di Fisica Alessandro Volta dell’Università di Pavia, sulla bicicletta.

Lo stesso vale per una moto. Se avete tempo e voglia di leggerlo capirete tante cose.

Se non avete voglia di leggere il PDF ve ne riporto qualche pezzo, per invogliarvi. Qui “s’analizzano in termini semplici i meccanismi intrinseci di stabilità di una bicicletta senza ciclista e la dinamica quasi stabile di una bicicletta cavalcata. Si mostra dapprima come in assenza di ciclista la bicicletta sia stabile rispetto a perturbazioni laterali: la bicicletta si porta infatti in una traiettoria circolare tale che l’inclinazione viene bilanciata dalla forza centrifuga. Nel caso di bicicletta cavalcata il sistema é stabile rispetto all’angolo di inclinazione, cioè non cade, ma é instabile rispetto alle oscillazioni dell’angolo di sterzo la cui ampiezza tende ad aumentare. Guidare una bicicletta significa dunque correggere i cambiamenti di direzione che sono indotti dalle perturbazioni, ed operare ripetuti reset alla dinamica deIl’angoIo di sterzo, ovvero mantenere il sistema in un regime di piccole oscillazioni.
La maggioranza delle persone (e dei fisici) é in grado di imparare a guidare una bicicletta, apparentemente nessuno é in grado di spiegare, in termini semplici, quali siano i meccanismi fisici che glielo permettono. Nelle trattazioni più complete ed estese che io conosco l’insieme bicicletta + ciclista é modellizzato come un sistema di tre masse ‘con otto gradi di libertà, per integrare il quale si debbono risolvere otto equazioni differenziali accoppiate in cui compaiono piu! di settanta parametri. In un simile modello é probabilmente racchiusa tutta la fisica della bicicletta, ma é sicuramente molto difficile trovare in esso delle risposte semplici alla domanda “Perché una bicicletta rimane in equilibrio ? ”. […]
La risposta più semplice ai quesiti é che il ciclista bilancia la bicicletta, cioé muove se stesso e/0 la bicicletta stessa in modo che il centro di massa del sistema cada sempre sulla linea che congiunge i punti di contatto tra le ruote ed il suolo. Questo é un modello di stabilità statica, che appare però poco plausibile: é infatti facilmente sperimentabile come una bicicletta ferma sia sostanzialmente ingovernabile e come viceversa una in moto si possa facilmente mantenere in equilibrio. La stabilità dclla bicicletta dovrà dunque essere il risultato di un processo dinamico. […] Si mostrerà poi come il centro di massa del sistema possa rimanere in equilibrio se il ciclista, quando sente la bicicletta cadere, sterza nella direzione della caduta in modo da portarsi in una traiettoria circolare di raggio tale da generate una forza centrifuga che controbilanci la caduta. Questo modello concorda con almeno due fatti sperimentali basilari: innanzittutto che una bicicletta piu veloce é meglio governabile di una più lenta (poiche é necessario un raggio di curvatura minore per generare la medesima correzione centrifuga) ed in secondo luogo che una bicicletta il cui sterzo sia bloccato é sostanzialmente impossibile da mantenere in equilibrio. Nonostante ciò questo modello, che trascura la dinamica interna, non può essere totalmente corretto: una bicicletta in moto possiede infatti un suo equilibrio dinamico intrinseco che si oppone, entro certi limiti, alla caduta anche quando il ciclista tenti di provocarla. Consideriamo, ad csempio, una bicicletta senza alcun ciclista che la guidi: da ferma cade in circa 2 sec. mentre in moto (se la lanciamo) essa si porta in una traiettoria curva e collassa a terra dopo un tempo che in media é di 20 sec. Ciò che accade, ed é l’arg0mento del paragrafo 3, é che la bicicletta é realmente in equilibrio per un bilanciamento tra forza di gravità e forza centrifuga ma non é vero che sia necessariamente il ciclista a muovere il manubrio ed a portarla in una traiettoria circolare. Considerando i gradi di libertà interna della biciclctta si mostrerà infatti l’esistenza di meccanismi di autostabilità che danno ragione ai fenomeni indicati sopra. ” […]

Se avete voglia di leggerlo capirete ad esempio perchè per curvare a destra dovete girare il manubrio a sinistra.

No. Non ho scritto male, è così.

Avrete un potente mezzo meccanico, quindi fateci caso. Come fate a curvare? Buttate il peso da una parte? No. Non funziona così. Azione reazione, voi vi spostate, pure la moto si sposta dalla parte opposta. Andate dritti, se solo vi spostate.
Dovete piegare. Per piegare agite sul manubrio girandolo verso l’esterno della curva che volete. Sì, l’esterno, attenzione. Lo tirate e girate dalla parte opposta. Per andare a destra dovete girare a sinistra. Buffo no? Ma solo la accennate, quindi, una curva contraria. Il mezzo risentirà della forza centrifuga, e s’inclinerà nella direzione scelta all’inizio. Ora state scendendo in piega; non potete scendere per molto, e per controllarla, la piega, userete prontamente il manubrio, tirandolo dalla parte opposta per fermare la caduta, ma non preoccupatevi che già si auto-bilancerà da sola, compensando la forza che vi sbatteva verso terra con la nuova forza che si viene a creare. Il mezzo seguirà ora una traiettoria circolare, la forza centrifuga annullerà la componente del peso fuori dal baricentro che vi vorrebbe far cadere all’interno, e potrete fare la curva in equilibrio dinamico. Siete piegati, il peso vi tira verso il basso, la forza centrifuga vi tira verso l’esterno, la risultante si scarica giusta giusta sulle ruote, dove toccano l’asfalto. Siete su un binario incollati all’asfalto, insomma. Per ritornare in posizione eretta basterà fare come prima, una curva contraria, tirare cioè ancor di piu il manubrio a voi all’interno della curva stringendola per un’attimo, la forza centrifuga aumenterà, e vi sbalzerà all’esterno, verso la verticale, dove compenserete con un’altra curva minore contraria, impercettibile quasi, per mantenervi in equilibrio.

Non sarete in equilibrio per molto però. In bicicletta o in moto è impossibile andare dritti. Con un po di approssimazione si può dire che si va dritti, ma ogni traiettoria è un insieme di leggere curve, in un regime di piccole oscillazioni, resettato continuamente dal pilota.

Ora prendete il vostro potente mezzo, fate un giro, e sentitelo.

Che la forza centrifuga sia con voi.

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