Pedalando verso i 145 Km/h

In una sfida al limite tra sport e tecnologia, dove si raggiungono velocità autostradali con la sola forza muscolare, il Politecnico di Torino rappresenta l’Italia tra i top competitor mondiali grazie agli studenti del Team Policumbent.

Da 20 anni ormai, una curiosa comunità di appassionati si ritrova ogni settembre in una remota località sull’altopiano deserto del nord Nevada. Battle Mountain è una cittadina di circa 4.000 abitanti che vive di miniere e allevamenti, ma si popola una volta l’anno di strani veicoli che all’occhio comune hanno poca similarità con le biciclette. Anche per l’Union Cycliste Internationale (UCI) queste non sono biciclette: escluse dal ciclismo sportivo fin dagli anni ‘30 del secolo scorso, hanno trovato spazio all’interno della International Human Powered Vehicle Association (IHPVA), che ne promuove lo sviluppo attraverso competizioni, pubblicazioni ed eventi. Battle Mountain è collegata a sud dalla State Route 305, che offre un rettilineo di quasi 10 km accuratamente asfaltato e con una pendenza media (favorevole) inferiore allo 0.66%. A partire dall’anno 2000 si tiene qui la World Human Powered Speed Challenge, uno degli eventi sportivi più importanti per il settore.
A dominare la scena, per oltre un decennio, è stato il costruttore artigiano Georgi Georgiev: con i suoi Varna Mephisto, Diablo e Tempest ha portato il canadese Sam Whittingham fino ai 133,28 Km/h (2009) e la francese Barbara Buatois ai 121,81 Km/h (2010). Il record di Barbara è destinato a durare fino al 2019, mentre quello di Sam viene superato (di appena 0,5 Km/h) nel 2013 da Sebastiaan Bowier su VeloX3 (HPT Delft&Amsterdam), che segna l’inizio dell’era delle camera-bike, mezzi in cui, per ragioni aerodinamiche, il ciclista vede la strada tramite telecamere e schermi, anziché direttamente da una finestra. Successivamente, nel 2015 e nel 2016 il team canadese Aerovelo sviluppa Eta, con cui Todd Reichert porta il record mondiale maschile fino alla strabiliante velocità di 144,17 km/h.

Nell’ultimo decennio la progettazione CAD, l’impiego di materiali compositi e di manifattura additiva, le analisi in galleria del vento e le simulazioni FEM e CFD sono entrate a pieno titolo nella competizione, determinando una nuova era di sviluppo per questi record e per questi veicoli. Il testimone di top competitor è passato dalle mani dei talentuosi costruttori artigiani a quelle di team, privati o universitari, ben strutturati e organizzati.

igura 1- La rappresentativa del Team Policumbent al WHPSC 2019 (foto: Francesco Corda).

Il Team Policumbent

A fine 2008, gli autori e alcuni studenti del Politecnico di Torino decidono di formare un team dedicato ai veicoli a propulsione umana. Nel 2009 arriva l’investitura ufficiale dell’ateneo con il finanziamento del 1° progetto e nasce formalmente il Team Policumbent (da poli + recumbent, termine internazionale per le biciclette a pedalata supina). Dal 2010 al 2014 il team fa esperienza con progetti meno ambiziosi, partecipando a gare amatoriali in Europa, ma sognando di partecipare al WHPSC. Il sogno si concretizza nel 2015, quando il team realizza PulsaR, uno streamliner da alta velocità. E’ proprio l’anno in cui Reichert stabilisce il primo salto del record mondiale portandolo (temporaneamente) a 139,45 Km/h: assistere dal vivo ad un record, condividendo gli spazi di lavoro con il team Aerovelo, innesca un’ambizione ed un percorso di crescita che ha portato oggi Policumbent tra i big della competizione. Andrea Gallo, ciclista di San Damiano d’Asti nel team dal 2010, stabilisce il primo record italiano a 116,19 Km/h, ma ciò che il gruppo si porta a casa è un bagaglio enorme di nuove idee e di esperienza.

La prima scelta importante da affrontare è la pianificazione del percorso verso il record, che sarebbe ingenuo credere di agguantare in breve tempo data l’esperienza decisamente superiore degli altri competitor. Ogni università partecipante ha un approccio diverso: alcune impongono agli studenti di progettare e realizzare un nuovo veicolo ogni anno, una scelta interessante per il percorso formativo degli studenti, ma non mirata ad un target di periodo medio-lungo. Altre portano invece lo stesso veicolo in gara su un arco di 2-3 edizioni con progressivi upgrade e mostrano un trend di velocità in costante crescita. Il Team Policumbent sceglie questa strategia e torna nel 2016 con PulsaR migliorata, alzando il record nazionale a 126,90 km/h e avviando contestualmente la progettazione di un secondo veicolo. Nel 2017, alcuni ritardi nella realizzazione non permettono di completare i collaudi e la messa a punto della nuova bici: Andrea Gallo spinge Taurus a “soli” 123,2 Km/h. Tuttavia il team è sicuro della validità del progetto e lo porta a completamento per il WHPSC 2018, dove Andrea viene fermato solo da condizioni meteo particolarmente avverse, raggiunge 133,26 Km/h a 0,52 Km/h dal record europeo (ex mondiale di Bowier) e chiude sul gradino più alto del podio maschile. Il team porta a casa ulteriore consapevolezza e una mole di dati dalla cui analisi emerge che un target verosimile, per la combinazione Gallo+Taurus in buone condizioni meteo, si attesta tra 136 e 138 Km/h. La stima si rivela corretta e nel 2019 Andrea tocca 136,49 Km/h. Sarebbe record europeo se il francese Fabien Canal (IUT Annecy) non avesse alzato poco prima l’asticella a 136,78 Km/h: chapeau, si cercherà la rivincita nel 2020, con un nuovo mezzo ancora più performante, puntando direttamente al primato mondiale di Reichert (Figura 2).

Figura 2 – Progressione di velocità negli anni di Todd Reichert e Andrea Gallo a confronto.

Il 2019 porta anche una novità all’interno del Team Policumbent. Già dal 2018 si avvia un percorso di reclutamento per una ciclista che voglia sfidare il record femminile di 121,8 Km/h stabilito nel 2010 dalla francese Barbara Buatois. Dalle 25 candidate iniziali viene selezionata Vittoria Spada, ciclista 23enne di Pino Torinese, per la quale si avvia la costruzione di Taurus-X una quasi replica di Taurus.

Nonostante un forte ritardo costruttivo che le concede pochissima pratica sul mezzo, Vittoria esordisce al WHPSC 2019 con una settimana in crescendo. Nell’unica occasione “buona” (per meteo e per messa a punto del veicolo) sfreccia a 123,88 Km/h, ben 2 Km/h oltre il record ormai decennale della Buatois. Anche per lei però si alza l’asticella, perché pochi minuti prima la francese Ilona Peltier (IUT Annecy) porta il record mondiale a 126,52 Km/h: doppio chapeu. Il Team Policumbent è consapevole che sia Vittoria sia Ilona (anche lei all’esordio) hanno ampi margini di miglioramento e il prossimo anno la sfida sarà sicuramente avvincente.

Taurus e Taurus-X

Arrivare a velocità così elevate con meno di mezzo cavallo vapore è una sfida che coinvolge competenze multidisciplinari. La prima grande resistenza da abbattere è quella aerodinamica, che dissipa potenza con il cubo della velocità. Il progetto nasce quindi dall’esterno con pochi vincoli di ingombro (pedalata, casco e spalle del ciclista). Per capire come possano questi mezzi dissipare così poca potenza in drag occorre liberarsi di alcuni preconcetti aerodinamici. Non basta evitare la separazione del flusso in coda e ridurre al minimo la scia, si deve spostare l’attenzione su un fenomeno più raffinato: la transizione dello strato limite dal regime laminare a turbolento. Tanto più ampia è l’estensione della zona laminare, tanto minore la resistenza aerodinamica, sempre a patto di non separare in coda. Il Team Policumbent approfondisce l’uso della CFD già nel 2014/15 e ne affina i modelli negli anni. Il primo requisito di ogni modello numerico è la validazione sperimentale e per questo motivo il team ha sviluppato un modello Matlab in grado di dare stime attendibili dei coefficienti di drag e di rotolamento (entrambi funzioni della velocità) a partire dai dati su strada. Combinando queste stime con alcune misurazioni in galleria del vento, ha quindi affinato i modelli CFD fino ad implementare una propria funzione di strato limite per il calcolo della transizione, riducendo la discrepanza modello-realtà a meno del 2%. La seconda resistenza da vincere viene dal rotolamento degli pneumatici. Tanto migliore è l’aerodinamica, tanto più il rotolamento acquista peso sulla prestazione. L’effetto della massa è attenuato dalla lieve pendenza della strada, ma non trascurabile per via dell’inerzia, dato che gli 8 km di rincorsa sono ormai stretti per le bici più performanti. Poiché gli atleti del team sono entrambi small size e quindi leggeri in confronto ai competitor, si è sempre data minore importanza alla riduzione masse, ponendo comunque attenzione al tema, ma senza cercare soluzioni estreme in tal senso. Taurus era nata nel 2017 con una massa di 39 Kg, poi ridotta a 31 Kg nel 2018 e 2019. La successiva costruzione di Taurus-X ha permesso di limare ulteriori 3 Kg scendendo a 28 Kg di veicolo.
La prima scelta importante è la dimensione della ruota, che però deve fare i conti con altri parametri di progetto: ergonomia di pedalata, guidabilità e forma e dimensione della carena.

Figura 3 – Stima CFD della zona di transizione dello strato limite da laminare a turbolento.

La posizione supina del ciclista pone la ruota anteriore tra il cavallo e i pedali (Figura 3) il che introduce limiti di ingombro. L’ideale con le misure disponibili sarebbe una ruota da 22” o 24”, ma il mercato degli pneumatici offre poco/niente di performante su queste misure e la scelta diventa tra una taglia grande (26” o 28”) o una piccola (20”). Quest’ultima è stata adottata per Taurus potendo contare su copertoncini speciali che hanno rivelato buone prestazioni nei test a banco sul range di velocità da 30 a 150 Km/h. Il banco prova ha permesso anche di confrontare la prestazione in base ai diversi montaggi, con camera d’aria in butile, in lattice oppure in versione tubeless ove possibile, così come su cerchi di larghezza diversa alla ricerca della minima resistenza.

Figura 4 – Layout di progetto di Taurus/Taurus-X.

Dimensioni e scelta di copertoncini e camere però non bastano. Per minimizzare resistenza e vibrazioni alle alte velocità anche la tolleranza di circolarità delle ruote è fondamentale. Le vibrazioni incidono sulla sicurezza percepita dal ciclista (e quindi sulla sua confidenza a spingere “a tutta”) e possono inoltre anticipare la transizione laminare-turbolenta nello strato limite. Insoddisfatti dalle ruote in commercio di taglia 20”, i ragazzi del Team Policumbent hanno optato dal 2018 per l’autocostruzione, grazie a un set di stampi gentilmente offerto da Arol S.p.A. e alla collaborazione con Renna Rowing Boats per la laminazione dei compositi in fibra di carbonio (Figura 5). Ciò ha permesso di controllare il processo ottenendo tolleranze finali inferiori al decimo di millimetro.

Figura 5 Costruzione ruote in sandwich composito con cerchio e mozzo in lega di alluminio.

Il telaio è realizzato in pannelli sandwich con fibra di carbonio, schiuma PVC e resina epossidica successivamente sagomati e incollati. Il sedile è realizzato su uno stampo ricavato dalla schiena del ciclista, per distribuire al meglio la pressione e garantire la massima ergonomia. La carena è laminata sottovuoto in appositi stampi con una stratificazione sandwich che include anche honeycomb e fibra aramidica con funzione anti-intrusione in caso di crash. La sicurezza è un tema di massima priorità quando le velocità in gioco sono così elevate e gli accorgimenti adottati sulle due Taurus (inclusi rollbar e “gabbia” di ritenuta ciclista) si sono rivelati estremamente efficaci durante le cadute a oltre 100 Km/h sperimentate sia nei collaudi sia in gara a seguito di forature.

Figura 6 – Taurus in velocità sulla SR305 del Nevada (foto: Giorgio Nicola).

Un’innovazione al cuore della trasmissione

Raggiungere velocità così elevate richiede uno sviluppo metrico fuori standard. Si definisce sviluppo metrico la distanza percorsa con un giro completo di pedale, che in una normale bicicletta da corsa a 11 rapporti è compreso tra 2 e 10 metri. Per il WHPSC servono sviluppi metrici superiori a 20 metri, ma quello di partenza deve comunque essere al massimo di 7-8 metri per permettere l’abbrivio. Inoltre, agendo su ruote piccole, occorrono una corona piuttosto grande (108 denti) ed un doppio ramo di catena: questo ha sia funzione di moltiplica sia di rendere il tiro catena alla ruota quanto più possibile parallelo all’asse di sterzo per minimizzarne l’effetto sterzante che inficerebbe la guidabilità del mezzo.

Gli streamliner con trazione anteriore hanno sempre sofferto una limitazione del numero di rapporti (5-6) per via della distanza ravvicinata tra corona e pacco pignoni, che limita il disallineamento consentito della catena. Per risolvere questo problema il team ha sviluppato una soluzione che prevede di mantenere fermo il tendicatena e far traslare il pacco pignoni (11 velocità) su un albero scanalato. In questo modo la catena lavora sempre in allineamento con la corona. L’attuazione avviene per mezzo di servomotori e il comando di cambiata è dato tramite due pulsanti sul manubrio. Tale soluzione è stata oggetto di due depositi di brevetto e ha vinto un bando Proof of Concept finalizzato a riprogettare il sistema per bici tradizionali. La versione nata da questo sviluppo è attualmente in corso di prototipazione e deposito di ulteriore brevetto (motivo per cui si mostra qui solo la 2° versione già depositata). È inoltre in corso di creazione una startup innovativa, denominata Gregario, riconosciuta spinoff del Politecnico di Torino, che tra le sue attività intende proseguire lo sviluppo per portare il cambio elettronico a cassetta traslante sul mercato ciclistico.

Figura 7 – Vista in sezione e assemblato del cambio elettronico a cassetta traslante.

Sviluppi futuri

Attualmente il team sta avviando la costruzione di una nuova bici da portare in gara nel 2020 con Andrea Gallo, avendo ottimizzato la forma esterna fino a un’ulteriore riduzione di resistenza aerodinamica (−18%) che lo metterebbe in condizione di toccare i 145 Km/h necessari per il record mondiale maschile. Sono inoltre in programma alcuni upgrade sulla Taurus-X di Vittoria Spada a caccia del record femminile. Infine, grazie a un percorso di sponsorizzazione avviato con Eaton S.r.l., è nata quest’anno una sezione dedicata al record handbike, che lavorerà alla progettazione nel 2019/2020 per poi costruire il veicolo e gareggiare al WHPSC 2021 in questa categoria. L’atleta destinato a sfidare il record handbike (maschile Ken Talbot 83,02 Km/h o femminile Karen Darke 74,91 Km/h) è ancora in fase di definizione e si sono avviati contatti con nomi di rilievo della scena handbike nazionale, ma per il momento le candidature restano aperte.

di Paolo Baldissera e Cristiana Delprete

www.semprepresenti.it

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