Test aerodinamici in velodromo

Il 14 Settembre 2013 abbiamo condotto un test presso il velodromo di Montichiari con l’obiettivo di mettere a confronto i valori di potenza meccanica e frequenza cardiaca misurati su bicicletta reclinata endorphin 700 e su bicicletta da corsa. I risultati ottenuti durante questo test ci hanno permesso anche di verificare i valori ottenuti durante i test in salita che si sono svolti nei mesi scorsi, dove abbiamo messo a confronto le stesse biciclette su diverse pendenze.

Gli strumenti utilizzati sono un power meter PowerTap SL+ alloggiato nel mozzo della ruota posteriore, che misura i valori di potenza meccanica ogni secondo, con un errore di 1,5%, e un GPS Garmin 500 con fascia cardio. La coppia ruote utilizzata (peso 1580 grammi) è composta da cerchi in fibra di carbonio (profilo 40 mm) con tubolari 700×23 gonfiati alla pressione di 10 bar. Il test è stato eseguito da un ciclista di 65 kg di peso,  183 cm di statura, 41 anni di età, abituato a pedalare sia su recumbent che su bici da corsa.

La potenza media misurata a velocità costante di 40 km/h è di 301,5 +/- 4,5 Watts sulla bici da corsa, mentre è pari a 206,9 +/- 3,1 Watts sulla reclinata. Il grafico seguente mette a confronto la potenza meccanica (valore medio per 10 secondi) misurata in velodromo su bicicletta reclinata con inclinazione dello schienale di 23°, e su bicicletta da corsa con le mani sulla parte alta del manubrio.

Il valore misurato dal power meter è un’indicazione della potenza meccanica esterna sviluppata dal ciclista, mentre la frequenza cardiaca ci informa sulla potenza metabolica interna sostenuta dall’organismo umano durante l’esercizio fisico. La Fc media misurata in velodromo alla velocità di 40 km/h è di 175,6 bpm sulla bici da corsa, mentre è di soli 152,0 bpm sulla recumbent. Il grafico seguente mette a confronto l’andamento della frequenza cardiaca.

Il costo metabolico (Cm) misurato in numero di battiti cardiaci per minuto per metro, si ottiene dividendo la frequenza cardiaca media (Fc) al netto della frequenza a riposo (Fc base) per la velocità media (V) espressa in metri/minuto, secondo la formula:

Cm = (Fc – Fc base) / V

Le misure della frequenza cardiaca a riposo sono state eseguite in sella alle due biciclette ferme per un tempo di alcuni minuti. La posizione distesa assunta in sella alla recumbent permette alla frequenza cardiaca a riposo (62,2 bpm) di scendere al di sotto della frequenza misurata in sella alla bicicletta da corsa (75,7 bpm). La differenza misurata è di 13,5 bpm corrispondente ad un risparmio del 17,8% a favore della recumbent. Il costo metabolico calcolato per i test in velodromo è di 0,15 bpmm sulla bici da corsa, mentre è pari a 0,13 bpmm per la recumbent, con un risparmio del 11% a favore del modello reclinato.

La potenza necessaria per vincere la resistenza aerodinamica (Pa) è proporzionale al prodotto della densità dell’aria (rho) per l’area frontale (A), moltiplicata per il coefficiente di penetrazione aerodinamica (C), per la velocità (V) elevata alla terza potenza.

Pa = 0,5 x rho x A x C x V³

Il valore di densità dell’aria alla temperatura di 27° con umidità relativa del 50% e pressione di 1013,25 mbar, è uguale a 1,17 kg/m³. Se ipotizziamo che la potenza necessaria per vincere gli attriti di rotolamento (dovuti al contatto dei tubolari con la pista) e gli attriti meccanici (dovuti ai cuscinetti dei mozzi ruota) siano trascurabili, allora possiamo assimilare la potenza meccanica misurata dal power meter (P) con la potenza necessaria per vincere la resistenza aerodinamica. Questa approssimazione ci permette di ricavare il valore del coefficiente aerodinamico (Cx) che per la bici da corsa è di 0,39 mentre per la reclinata è uguale a 0,26 corrispondente ad un risparmio di potenza del 34%.

Cx = A x C = Pa / 0,5 x rho x V³

Una volta noti i valori di Cx possiamo calcolare la Pa necessaria per spingere la bicicletta reclinata e la bici da corsa alla stessa velocità a parità di condizioni ambientali, come illustrato nel grafico seguente.

Abbiamo confrontato fino a questo punto la potenza meccanica misurata a parità di velocità, ma il grafico appena visto ci permette di osservare anche le differenze di velocità tra le due biciclette, a parità di potenza meccanica espressa. Ritornando ai valori misurati in velodromo, con una potenza media di 207 Watts la bicicletta reclinata raggiunge i 40 km/h, mentre si può calcolare che la bici da corsa con la stessa potenza raggiungerebbe solo i 35 km/h. Dal valore della velocità espresso in km/h si ricava il tempo necessario per percorrere un chilometro:

T (s) = 3600 / V (km/h)

La recumbent alla velocità di 40 km/h percorre un chilometro in poco meno di 90 secondi, mentre la bici da corsa alla velocità di 35 km/h percorre un chilometro in 103 secondi, accumulando un ritardo di 13 secondi al chilometro, che corrisponde a oltre 21 minuti di ritardo in una gara di 100 km. Il grafico seguente mette a confronto i tempi di percorrenza per un chilometro in funzione della potenza media disponibile.

I risultati ottenuti in velodromo hanno confermato ciò che l’esperienza sulla strada ci suggeriva. La bicicletta reclinata endorphin, oltre allo straordinario comfort garantito dal sedile ergonomico, comporta importanti vantaggi rispetto alla bici da corsa tradizionale. La posizione coricata permette al cuore di pompare il sangue con più facilità, e questo si traduce in una frequenza cardiaca inferiore (a riposo e sotto sforzo), e in un costo metabolico inferiore del 11% alla velocità di 40 km/h in pianura. La migliore penetrazione aerodinamica permette di risparmiare il 34% di potenza rispetto alla bici da corsa tradizionale, e permette di raggiungere velocità superiori a parità di potenza, che si traducono in diversi minuti di vantaggio.