La bicicletta (spesso abbreviata in bici) è un veicolo azionato dalla forza muscolare umana degli arti inferiori, costituito da un telaio cui sono vincolate due ruote allineate e dotato di un sistema meccanico di trasmissione della potenza fisica generata alla ruota motrice (la ruota posteriore). Dal punto di vista tecnico e normativo, in Italia la bicicletta rientra nella più ampia categoria dei velocipedi.
Storia
Si tratta di un veicolo relativamente recente. L'origine della prima bicicletta effettivamente utilizzata è da attribuirsi infatti al barone Karl Drais, un impiegato statale del Granducato di Baden in Germania. Karl Drais inventò la sua "Laufmachine" (macchina da corsa) nel 1817, che fu chiamata dalla stampa Draisine (in Italia: draisina); in precedenza esisteva il velocipede composto da due ruote e un pezzo di legno. Il maggiore miglioramento della draisina fu l'aggiunta dello sterzo. Si dice che l'interesse di Drais nel trovare un'alternativa all'uso del cavallo fosse dovuto all'inedia e alle frequenti morti dei cavalli causate dall'insufficienza dei raccolti del 1816 (il cosiddetto "anno senza estate").
Nel corso del XX secolo si credeva che la bicicletta fosse nata in Francia nel 1791, anno in cui Mède de Sivrac progettò e costruì il suo "celerifero".La bicicletta nacque due secoli fa, Quattroruote, aprile 1973, pag.168. È vero, invece, che il celerifero non è mai esistito e neppure il conte di Sivrac. La prima testimonianza sul celerifero risale infatti a più di un secolo dopo la sua presunta creazione: nell'ultimo decennio del XIX secolo, il divulgatore francese Louis Baudry de Saunier cominciò a parlarne in contrapposizione alla draisina, per dimostrare la superiorità dei francesi rispetto ai tedeschi.Dominique Formaz, Un célérifère attend les passagers du bateau à vapeur in Sur les traces de Dumas, BoD, 2013. L'unica traccia trovata per il celerifero è un brevetto del 1817 di tale Jean-Henri Siévrac per la costruzione di "mezzi chiamati celeriferi", mezzi che però erano trainati da cavalli.
Nel 1861 Ernest Michaux montò su una draisina i primi pedali, fissandoli al perno della ruota anteriore. Il termine bicicletta nacque in Francia verso la fine degli anni 1860 e rimpiazzò il termine velocipede dal modello della "High Bicycle" in poi. Il biciclo fu molto in voga fino agli anni ottanta del XIX secolo. Il sistema della trasmissione del moto generato dai pedali fu oggetto di grandi studi fino a quando, prima della fine del secolo, il problema della trasmissione del moto venne risolto collegando i pedali a una ruota dentata connessa a una catena; questa soluzione tecnica consentì di ridurre la dimensione della ruota anteriore. Nel 1884 John K. Starley realizzò a Coventry la prima Safety Bicycle ("bicicletta di sicurezza"), denominata "Rover" e destinata a ottenere un enorme successo commerciale: antesignana delle moderne biciclette, aveva ruote di dimensioni uguali e trasmissione a catena sulla ruota posteriore. In seguito ci furono altri progressi tecnologici. Nel 1888 Dunlop montò su un triciclo il primo pneumatico a camera d'aria. Nei primi anni del Novecento ci fu lo sviluppo delle prime competizioni sportive, come il Tour de France (1903) e nel 1909 il primo Giro d'Italia.
Descrizione Componentistica
Nel corso della sua lunga storia furono molti i tentativi di introdurre variazioni nella struttura della bicicletta, sia per migliorarne l'efficienza alla luce dei progressi scientifici, della biomeccanica in particolare, sia per esperimenti di design, ma nonostante ciò la struttura generale della bicicletta può ormai essere considerata cristallizzata e si trova sostanzialmente immutata in tutti i suoi numerosi tipi.
Telaio: è l'elemento portante, tipicamente a geometria triangolare in quanto più rigido e resistente alle deformazioni, su cui sono collegate due ruote che ne consentono il rotolamento sul piano o terreno d'appoggio. In particolare il carro posteriore del telaio regge la ruota posteriore a cui il conducente impartisce il movimento con la pedalata attraverso il sistema di trasmissione. Sul telaio trovano alloggiamento tutte le altre numerose componenti che consentono il funzionamento del mezzo. In genere sono regolabili l'altezza del manubrio, della sella e l'avanzamento/arretramento della sella. Queste componenti possono essere raggruppate in una serie di sistemi che assolvono ciascuno una specifica funzione. Solitamente il tubo superiore del telaio, nella versione della bici femminile, assume una forma ricurva rivolta verso il basso al fine di agevolare la salita indossando gonne o tubini. Sistema di trasmissione a corona-pignone: formato da pedali, pedivelle, movimento centrale, corona (la ruota dentata della guarnitura), catena di trasmissione e pignone (la ruota dentata sul mozzo posteriore). Pignone e corona attuano un certo rapporto di trasmissione che in molti tipi di bicicletta può essere variabile grazie al cambio di velocità, costituito da ingranaggi multipli sulla ruota posteriore ed eventualmente sulla corona, o più raramente da sistemi di ingranaggi contenuti nel mozzo della ruota posteriore (cambio epicicloidale). Il deragliatore è un componente fondamentale del cambio e serve a spostare la catena da un ingranaggio all'altro. Una volta si usava selezionare le marce direttamente con il manettino. Le biciclette senza cambio vengono chiamate single-speed. Sterzo: costituito dalla forcella che regge la ruota anteriore collegata, mediante il canotto o pipa inclinato in avanti, al manubrio, consente di variare la direzione della ruota anteriore rispetto all'asse longitudinale del mezzo per eseguire le curve. La forcella funge da punto di aggancio della ruota anteriore e la sua geometria, ovvero l'insieme delle principali misure (lunghezze e angoli) che definiscono una particolare configurazione, ha una grande influenza sulla guidabilità dell'intero mezzo. Ruote: sono dotate di raggi dal mozzo al cerchione per conferire loro il vincolo con il mozzo o asse della ruota e in numero e spessore tale da ottenere una rigidità in grado di opporsi alle deformazioni da sollecitazioni meccaniche del terreno e la torsione per effetto della rotazione dell'asse stesso. Completano le ruote le camere d'aria o tubolari e il copertone montati sul cerchione. Per ridurre l'attrito delle parti in movimento vengono utilizzati cuscinetti a sfere: sul mozzo delle ruote sono realizzati avvitando sui perni dei supporti a forma di cono con la superficie concava, su cui scorrono le sfere, trattenute in apposite cavità realizzate nel mozzo. I cuscinetti sono presenti anche nel movimento centrale, nei pedali, nello sterzo, nel meccanismo di ruota libera. Sulla ruota posteriore è normalmente montato un meccanismo di ruota libera, che permette alla ruota posteriore di girare nel solo senso di marcia indipendentemente dal movimento dei pedali, quando a questi non venga impressa una forza, consentendo alla bicicletta di avanzare per inerzia. Alcune biciclette montano invece il cosiddetto scatto fisso, inizialmente caratteristico delle bici da pista senza freni e senza cambio usate nei velodromi, ma che ultimamente trova sempre maggiore diffusione anche per l'uso su strada. Impianto frenante: può essere di vari tipi e può agire sul mozzo della ruota (a disco o a tamburo) o sui cerchioni (a bacchetta, cantilever, freni a V, .. ). I comandi dei freni sono normalmente sul manubrio. Esiste anche un comando di freno a contropedale che attiva un freno, generalmente a tamburo, se ai pedali viene applicata una forza in direzione opposta a quella del movimento. Sellino: il conducente viaggia normalmente in posizione seduta su un sellino di forma approssimativamente triangolare, posta leggermente arretrata rispetto alla verticale del movimento centrale e collegata al telaio mediante un tubo detto reggisella o canotto della sella che scorrendo all'interno del piantone consente la regolazione dell'altezza della sella. Da questa posizione gode di una ottima visuale sull'ambiente circostante e sull'eventuale traffico.
La fisica della bicicletta
Meccanica La bicicletta è una macchina che trasforma l'energia muscolare in energia cinetica: durante il movimento della pedalata viene infatti applicata sui pedali una coppia di forze che vengono trasferite e amplificate, a mezzo delle pedivelle che fungono da leva, al movimento centrale. Così facendo si genera una rotazione dell'asse del movimento centrale: questo, una volta in movimento, con dei vincoli meccanici trasferisce il momento risultante alla corona anteriore che la trasferisce alla catena. La catena applica una coppia di forze ai rapporti posteriori, mettendoli in rotazione. Gli ingranaggi, essendo vincolati alla ruota posteriore, producono il movimento di rotolamento o avanzamento sul terreno di appoggio. L'energia è trasferita infine a tutto il telaio e alla ruota anteriore attraverso dei vincoli meccanici, come per esempio la forcella anteriore.
La bici ha un rendimento maggiore della corsa a piedi perché, a livello logico-meccanico, è intrinsecamente una leva costituita dal movimento della pedivella (il braccio della leva), a cui è agganciato il pedale, attorno al perno del cosiddetto movimento centrale della pedalata. A differenza della corsa, dove parte dell'energia meccanica è spesa per vincere la forza di gravità, nella bicicletta gran parte del movimento è trasmesso in avanti in maniera molto più efficiente. Tuttavia questi vantaggi, per concretizzarsi in una superiorità della bici rispetto alla corsa, necessitano di una “strada”, ossia di un terreno con determinate prerogative di liscezza e “sinuosità”., primi due capitoli.
L'equilibrio
La bici si (auto)stabilizza, controbilanciando la componente della gravità, grazie all'angolo di inclinazione del vincolo della ruota rispetto alla perpendicolare (rispetto al suolo) (la proiezione dello sterzo sul terreno (avancorsa) deve risultare più avanti rispetto al centro della ruota), alla distribuzione del peso delle parti anteriori che sono poste più in avanti rispetto all'asse sterzante e alla precessione dell'effetto giroscopico della ruota anteriore che tende a farla sterzare in maggior grado, facendo così intervenire i due fattori precedenti (avancorsa e distribuzione dei pesi delle parti anteriori); affinché quest’ultimo effetto sia sufficiente a instaurare il regime di (auto)equilibrio della bicicletta, occorre che si generi un adeguato momento angolare, ossia che la velocità di rotazione della ruota anteriore sia superiore a un valore minimo. Una ricerca ha mostrato che dilettanti e ciclisti esperti mantengono l'equilibrio in maniera diversa quando sono in bici.
I consumi energetici
L'energia necessaria per far avanzare la bicicletta (fino ai 10–20 km/h), su strada piana e in assenza di vento, è prevalentemente quella necessaria a vincere gli attriti meccanici, da tenere in considerazione che l'attrito volvente degli pneumatici è molto variabile a seconda della tipologia del mezzo e quindi degli pneumatici, in quanto per le biciclette da montagna si ha un valore di coefficiente di attrito volvente pari a circa 0,13, che scende fino a 0,0034 per le biciclette da corsa. Alla velocità di circa 18–20 km/h la resistenza aerodinamica, che cresce col quadrato della velocità, non è più trascurabile e diventa di gran lunga preponderante al crescere della velocità il coefficiente di resistenza aerodinamica moltiplicato per la sezione frontale. In linea di massima si ha una superficie di resistenza aerodinamica (drag area) pari a 0,276 per le biciclette da montagna che decresce fino a 0,193 per le bici da corsa. A influenzare la velocità ci sono vari fattori come la condizione del fondo stradale, la sezione dei copertoni, la resistenza aerodinamica, ecc. In generale con il diminuire della sezione delle coperture diminuisce la resistenza e a parità di potenza aumenta la velocità.