Bicicletta - Tesina per tecnico industriale

Istituto tecnico industriale “I.S.I.S.S. A. Scarpa”

La bicicletta

Daniel Cardin

Classe 5 A ITIS A.S. 2011/2012

Indice

• 1 - Introduzione in inglese
• 2 - Rivoluzione industriale
• Sviluppo
• Produzione ciclistica
• Commercializzazione
• 3 - Telai
• 3.1 - Introduzione telai
• 3.2 - Telai in alluminio
• Idroforming
• Preparazione
• Procedimento
• Peculiarità
• 3.3 - Telai in acciaio
• Caratteristiche
• 3.4 - Telai in carbonio
• Prototipazione
• Realizzazione
• Caratteristiche
• 4 - Ciclo produttivo della bicicletta
• 5 - Galleria del vento
• Introduzione
• Aerodinamica nel ciclismo
• Forza aerodinamica
• Principio fisico
• Metodologia prova
• Software di simulazione
• 6 - Potenziometri
• SRM - funzionamento
• POWER TAP
• Funzionamento
• La scatola magica
• Il ricevitore
• La memoria
• Il software
• “La bicicletta” di G.
• 6 - Poesia Leopardi Bycicle

Introduzione in inglese

The bicycle is a human muscle-powered vehicle and it consists of a frame that has two wheels atached in a perfect alignment one behind the other and equiped with a mechanical system for the transmission of power to the drive wheel.

Structure and components

Throughout its long history there were many attempts to introduce changes in the structure of the bicycle, whether to improve efficiency in the light of scientific advances (especially biomechanics) or for design experiments, but nevertheless, the general structure of the bicycle can now be seen crystallized and is essentially unchanged in all the many types that exist these days.

The bearing element is constituted by the frame. On this there are attached many components that allow the functioning of the bycicle. These components can be grouped into a series of systems each having a specific function.

The steering, consisting of the fork that supports the front wheel connected by a sleeve (or pipe) tilted forward to the handlebar, allows to vary the direction of the front wheel which makes it possible to take curves.

The fork steering serves as attachment points for the front wheel, while the rear of the frame holds the rear wheel to which the driver transfers the movement through the transmission, which in many types of bicycle is associated with a change of speed, constituted by multiple gears on the rear wheel, or more rarely by systems of gears contained in the hub of the rear wheel (epicyclic gear).

On the rear wheel is normally mounted a free wheel mechanism, which allows the rear wheel to turn (in the only direction of travel) independently from the movement of the pedals, allowing the bicycle to move forward due to inertia.

Most bikes are also equipped with a braking system that usually operates on the disks (cantilever, v-brakes, ...). The brake commands are normally placed on the handlebar. There is also a countermovement command, which activates a brake drum generally if the pedals are rotated in the opposite direction to the movement.

The driver normally travels in a sitting position on a saddle of approximately triangular shape, connected to the frame by means of a tube sliding within, that allows the height adjustment of the saddle.

Rivoluzione industriale

Caratteristica fondamentale della seconda rivoluzione industriale fu la stretta integrazione tra scienza e tecnologia e fra quest’ultima e attività produttiva. Nuovi strumenti e oggetti d’uso domestico fecero la loro apparizione fra il 1887 e il 1900: la lampadina, il motore a scoppio, il tram elettrico, la bicicletta, il telefono e molti altri ancora. Questi nuovi oggetti mutarono radicalmente le abitudini, i comportamenti ed i modelli di consumo di centinaia di migliaia di uomini.

Alla base di questa nuova rivoluzione ci sono infatti, i progressi realizzati soprattutto dalle scienze fisiche e chimiche tra il 1850 e il 1860. Le scoperte e le invenzioni, comunque, continuarono ancora negli ultimi decenni del secolo, basti ricordare alla scoperta di Hertz sulle onde elettromagnetiche da cui ebbero origini i primi esperimenti di telegrafia senza fili di G. Marconi.

Vera importanza di questo periodo non sono tanto le conquiste della scienza, quanto l’applicazione su larga scala di essa. La prima rivoluzione industriale aveva avuto per protagonisti imprenditori e spiriti pratici spesso sprovvisti di una preparazione teorica, nella seconda rivoluzione industriale, scienziati di grande prestigio misero i loro studi a disposizione dell’industria, che applicarono in modo sistematico i risultati delle loro scoperte.

Il rinnovamento tecnologico si concentrò nell’industrie giovani: chimica, elettrica e dell’acciaio (la prima era stata dominata dal cotone, dal ferro e dal vapore). L’impiego su vasta scala dell’acciaio fu uno rivoluzione dei tratti distinti della nuova epoca. Questa particolare lega di ferro e di carbonio unisce in misura ottimale i vantaggi dell’elasticità con quelli della robustezza. I suoi pregi erano conosciuti da tempo, ma i costi elevati ne limitavano l’uso. Con il metodo Bessemer, il forno di Martin-Siemens ed il procedimento Gildcherist-Thomas, però, fu possibile produrre grandi quantità di questo materiale a costi modesti. Furono, così sostituite: le rotaie in ferro delle ferrovie, le corazze delle navi da guerra, gli utensili domestici e molte altre cose tra le quali L’uso dell’acciaio si allargò anche all’ingegneria civile e rese possibili le costruzioni di grandi edifici e grandi ponti (Tower Building di New York e la Tour Eiffel di Parigi).

Gli sviluppi della chimica furono notevoli. Essa abbracciava una grandissima varietà di produzioni: carta, vetro, medicinali, concimi e molti altri ancora. La stessa metallurgia, dal momento che usava procedimenti chimici, poteva essere considerata una sua branca applicata. Nel 1886 da un processo chimico della bauxite si ricavò l’alluminio. La crescita delle nuove industrie fece aumentare i prodotti “intermedi” destinati ad essere impiegati come reagenti chimici in altre lavorazioni (acido solforico e soda). Altri due settori di sviluppo in seguito ai progressi della chimica furono quello farmaceutico e quello alimentare. I nuovi metodi di conservazione degli alimenti segnarono la fine di mille incertezze, legate all’andamento dei raccolti, e la liberazione dall’incubo delle carestie.

Infatti nel 1888 lo scozzese John Boyd Dunlop, utilizzando il processo di vulcanizzazione del caucciù inventato dall’americano Charles Goodyear, costruì il pneumatico.

L’invenzione del pneumatico, assieme con quella dei cuscinetti a sfere e con l’impiego dell’acciaio, consentì la costruzione delle moderne biciclette. Nel 1880 applicata loro anche la catena, per trasmettere il moto dai pedali alla ruota posteriore.

Grazie a queste innovazioni ci fu un grande sviluppo e diffusione della bicicletta.

La bicicletta nasce nella città. È un prodotto tipico della civiltà industriale. La sua “preistoria”, ovvero il suo sviluppo, dalle prime strutture in legno senza pedali della fine del secolo XVIII, fino agli alti e pericolosi bicicli, coincide con questo periodo di innovazione tecnologica e scientifica con il conseguente processo di inurbamento. La bicicletta che oggi conosciamo può dirsi compiuta negli ultimi tre lustri dell’Ottocento, anni in cui diventa una vera e propria “moda”: due ruote di uguali dimensioni, trasmissione a catena, pneumatici, ruota libera. È una delle più significative innovazioni portate alla vita quotidiana dalla rivoluzione industriale. Si tratta di un oggetto individuale, normalmente di uso privato, però non domestico: lo si adopera quasi esclusivamente nello spazio pubblico.

L’introduzione della bicicletta nella vita sociale comportò una serie di cambiamenti nel modo di vivere urbano a cavallo tra Ottocento e Novecento.

La produzione ciclistica

Le prime biciclette circolanti nelle città italiane sono d’importazione. Nel 1895 si stimava che nei tre anni precedenti si erano importati circa 20.000 velocipedi (8.700 per il solo 1894). Cifra considerevole, se si calcolava in 30 mila il numero totale di biciclette circolanti in tutto il paese.

La commercializzazione

La bicicletta è una merce di lusso, essenzialmente “borghese”. Il prezzo è decisamente alto e come ogni prodotto di lusso che si rispetti si vende nelle vie principali della città. Alcuni negozi, oltre che dedicarsi alla vendita di biciclette al “consumatore finale”, vendevano anche le parti (anche queste importate) che poi venivano assemblate nelle officine meccaniche locali e poi offerte al pubblico a prezzi più convenienti.

La crescita del numero di velocipedi introdusse cambiamenti nel modo quotidiano di vivere la città e nella geografia urbana, modificando la percezione dello spazio e del tempo: si riducevano le distanze all’interno delle città e il raggiungimento del posto di lavoro o lo svolgimento dei propri affari diventava molto più spedito.

Le biciclette divennero il principale mezzo di trasporto individuale, almeno fino alla seconda guerra mondiale, caratterizzando in buona misura la circolazione urbana.

Il telaio

Il telaio è il componente principale di una bicicletta, su di esso vengono montati elementi come manubrio, forcella, ruote. Nella sua evoluzione vi sono state numerose configurazioni, ma la struttura più comune è quella della cosiddetta forma “a diamante”. È costituito da tubi di vario materiale che vanno a intersecarsi formando grossomodo due triangoli con un lato in comune.

Il triangolo anteriore (detto anche triangolo principale), in realtà un tetraedro irregolare, è formato da due tubi pressoché verticali (aventi in realtà un’inclinazione rispetto al suolo di poco superiore ai 70° variabile a seconda di modelli e tipologie) detti piantone (il tubo più lungo su cui si innesta la sella mediante l’apposito tubo reggisella) e sterzo (il più corto dei tubi del telaio), collegati nella parte alta da un tubo orizzontale, detto appunto semplicemente orizzontale (tubo che acquista una certa inclinazione nei modelli detti “sloping” dall’inglese “slope” = pendenza e che appare ricurvo nelle bici da donna) e nella parte bassa da un tubo obliquo, anch’esso detto semplicemente obliquo. Alla giunzione tra piantone e obliquo si trova l’unico tubo perpendicolare all’asse longitudinale del mezzo che serve ad accogliere il movimento centrale, ovvero l’asse dei pedali.

Il triangolo posteriore (detto anche carro posteriore), oltre al tubo piantone che condivide con il triangolo principale è costituito da due coppie di “foderi” che, partendo dagli estremi del piantone, si congiungono formando il punto di aggancio della ruota posteriore attraverso i forcellini. I foderi si distinguono in alti o verticali e bassi o orizzontali.

Telai in alluminio

Le prime applicazioni dell’alluminio nel campo ciclistico si sono avute nei primi anni 80 grazie ad aziende come Cannondale e Alan, che per prime hanno creduto nelle proprietà delle leghe di alluminio.

In genere è stata comunque l’industria d’oltre oceano, legata allo sviluppo negli anni 80 della MTB, a concentrarsi sull’evoluzione di telai basati sull’alluminio.

L’alluminio è l’elemento più abbondante della crosta terrestre, da dove è estratto attraverso le rocce di bauxite, per le quali rappresenta il minerale base, tanto che l’industria mondiale dell’alluminio ne produce ogni anno 10 milioni di tonnellate.

Il processo per l’estrazione dell’alluminio puro (processo Bayer) è molto dispendioso energeticamente (per estrarre 1 kg di alluminio necessitano quasi 20 kilowatt!!) ed è per questo che, pur essendo presente sulla terra in grandi quantità, il suo costo è abbastanza elevato, specie se paragonato con quello degli acciai.

Il 20-30% dei costi di produzione viene assorbito dalla spesa energetica. Le recenti tecnologie dei processi estrattivi stanno però colmando il gap e l’alluminio sta diventando sempre più economico.

Come succede per l’acciaio, anche per l’alluminio vengono utilizzate nell’ambito ciclistico leghe speciali, create attraverso l’aggiunta al metallo puro, di percentuali minori di altri elementi, allo scopo di modificarne positivamente le proprietà meccaniche.

Esistono perciò molti tipi di leghe di alluminio sul mercato, ognuna con le sue caratteristiche uniche; in genere, a seconda degli elementi aggiunti, si raggruppano le leghe in classi specifiche.

Queste sono le più utilizzate in campo ciclistico:

• Classe 2000 leghe alluminio-rame
• Classe 5000 leghe alluminio-magnesio
• Classe 6000 leghe alluminio-silicio-magnesio
• Classe 7000 leghe alluminio-zinco-magnesio

La classe 2000 è utilizzata per telai più economici, solitamente non per bici da corsa, mentre le altre rappresentano praticamente l’intero panorama della telaistica in alluminio attualmente sul mercato.

Legare quindi altri elementi all’alluminio rappresenta il sistema per rafforzarne le proprietà meccaniche e fisiche; ad esempio il magnesio ne limita la corrosione e ne esalta la lavorabilità, mentre lo zinco lo “rinforza” conferendogli più durezza e maggiore resistenza.

Un altro processo a cui vengono sottoposte le leghe di alluminio per migliorarne le caratteristiche meccaniche è il trattamento termico.

Si tratta di un’operazione di “riscaldamento” a temperature elevate (400-500°), per permettere alla struttura del materiale di omogeneizzare i suoi elementi, seguita da un raffreddamento e, a seconda del tipo di trattamento termico, di un nuovo riscaldamento a 100-150°.

Tutto ciò per cementare e consolidare gli elementi della lega in una struttura cristallina più resistente.

Le leghe che subiscono un trattamento termico vengono appellate anch’esse con una terminologia internazionale che sta indicare il tipo di trattamento; i più utilizzati nel campo ciclistico sono il T0, il T4 e il gettonatissimo T6 una garanzia più che sperimentata.

L’idroformatura

Sebbene l’idroformatura non sia una novità, la sua applicazione in ambito ciclistico ha subito un forte incremento negli ultimi anni, diventando oramai una vera e propria moda.

Il procedimento di idroformatura permette la realizzazione di un pezzo unico senza saldature, riducendo i costi ed i tempi di lavorazione ed eliminando punti di discontinuità e debolezza.

L’idroformatura o hydroforming (HF) in inglese, è un procedimento di stampaggio a freddo di elementi metallici, solitamente lamiere o tubazioni, che permette di ottenere delle forme più complesse rispetto ad altri tipi di stampaggio.

Il procedimento di stampaggio avviene posizionando l’elemento (nel caso delle nostre bici dei tubi) all’interno di uno stampo di formatura. Nel caso dei profilati (come sono le tubazioni delle bici) lo stampo è di forma cilindrica. Posizionato il tubo grezzo all’interno dello stampo si riempie di un fluido in pressione che esercitando una spinta uniforme sulle pareti deforma il tubo grezzo facendogli assumere la forma dello stampo.

Idroformatura di un tubo. In questo caso il fluido viene immesso all’interno del tubo che viene quindi spinto contro le pareti dello stampo.

Il processo è definito a bassa o ad alta pressione a seconda che il fluido sia a pressioni minori o maggiori di 830 bar (12000 psi). Le pressioni più elevate sono necessarie con le geometrie più complesse. Nel caso delle biciclette si arriva a pressioni di 1000 bar per cui si parla di idroformatura ad alta pressione.

La preparazione

Prima di sottoporre un profilato a idroformatura, ci sono una serie di passaggi di preparazione del tubo grezzo che vanno rispettati:

• Trafilatura: il procedimento di trafilatura serve per ottenere lo spessore desiderato del profilato. Spesso la trafilatura per l’idroformatura avviene a spessore costante, ovvero tutta la sezione ha spessore uguale, mentre per lavorazioni particolari o telai particolarmente ricercati, si possono effettuare delle trafilature a sezione variabile in modo da ottenere ad esempio delle tubazioni più sottili al centro, dove le sollecitazioni sono minori, e più spesse alle estremità dove le sollecitazioni sono maggiori. La trafilatura comunque produce un profilato (solitamente un tubo) di sezione costante e forma rettilinea.

Immagine 04: schema che illustra il procedimento di trafilatura. Nel caso dei tubi all’interno del tubo stesso viene posizionato un cilindro calibrato. Il tubo con all’interno il cilindro viene fatto passare attraverso la matrice (filiera) e sottoposto ad una forza di trazione. Il procedimento di trafilatura a sezione variabile è invece più complesso.

• Piegatura: una volta trafilato il tubo, tramite un apposita macchina si procede alla piegatura. Il tubo viene piegato assumendo la curvatura definitiva. La curvatura avviene solitamente a freddo. A questo punto il tubo è pronto per essere messo nello stampo di idroformatura. Naturalmente nel caso di tubazioni rettilinee questo passaggio viene bypassato.

Piegatubi idraulica

• Stampaggio: talvolta dopo la piegatura i tubi possono venire stampati in modo da fargli assumere una forma quanto più possibile vicina a quella definitiva, procedimento utilizzato ad esempio per sezioni scatolate.

Una volta che il manufatto ha assunto una forma simile a quella definitiva, si può intervenire con il processo di idroformatura vera e propria.

Il procedimento avviene secondo questo schema:

• 1. Posizionamento: il tubo viene posizionato all’interno dello stampo. Alle sue estremità due cilindri provvedono a garantire la tenuta; uno di questi presenta un canale di alimentazione attraverso cui passerà il fluido. Gli stampi sono realizzati in acciaio ad alta resistenza e sono tenuti chiusi da una pressa da 400-500 tonnellate.