Come si resta in equilibrio su una bici?

Le biciclette esistono da quasi 200 anni – il primo velocipede (l’antenato della bicicletta) è del 1817 – e quasi tutti le sanno usare. Una volta imparato e tolte le rotelle è piuttosto facile pedalare da un punto A a un punto B senza cadere, ma capire come lo si è fatto è una cosa più complicata di quanto possa suggerire il luogo comune sulla facilità dell'”andare in bicicletta”. Un gruppo di ricercatori guidati da Stephen Cain, del dipartimento di ingegneria meccanica dell’Università del Michigan, ha provato a mettere in fila quello che sappiamo del modo in cui stiamo in equilibrio su una bici, cercando di capire anche se ci siano modi migliori di altri per farlo.

Cain ha spiegato a The Conversation il punto di partenza del suo studio, che è stato pubblicato a febbraio ed è intitolato “On the Skill of Balancing While Riding a Bicycle” (“Sulla capacità di rimanere in equilibrio mentre si va in bicicletta”):

Anche se andare in bicicletta può sembrare semplice e immediato, il modo in cui un essere umano controlla una bicicletta è in qualche modo un mistero. I ricercatori sono riusciti a spiegare con equazioni matematiche come una bicicletta senza sopra un ciclista può stare in equilibrio e hanno capito quali sono le parti essenziali di una bicicletta perché ciò avvenga. La stabilità di una bicicletta con sopra un ciclista – e quindi, la capacità del ciclista di rimanere in equilibrio – è però più difficile da quantificare e descrivere in modo matematico, soprattutto perché ogni ciclista ha un diverso grado di abilità.

Come si resta in equilibrio su una bicicletta?
Chi va in bicicletta sa che ci sono tre cose che bisogna fare per non cadere: pedalare (quindi muoversi in avanti), sterzare e spostare il peso del corpo.

Se si pedala molto piano solitamente si fa più fatica a rimanere in equilibrio, e ci si aiuta sterzando. Pensate a un principiante che parte da fermo: le prime pedalate quando la velocità della bicicletta è ancora molto ridotta sono accompagnate sempre da sterzate piuttosto repentine a destra e a sinistra: quando la velocità aumenta lo sterzo diventa gradualmente meno rilevante e il ciclista principiante riesce a stare in equilibrio prevalentemente pedalando. Il motivo per cui una volta in movimento è più facile rimanere in equilibrio è l’effetto giroscopico: semplificando molto, è quella cosa che permette di restare in equilibrio a una trottola o a una ruota di bicicletta fatta rotolare sulla strada. Nel caso della bicicletta, tuttavia, l’effetto giroscopico non è sufficiente a spiegare come mai si riesca a rimanere in equilibrio: anche andando piano, e con un effetto giroscopico trascurabile, i ciclisti riescono a non cadere usando lo sterzo.

Immaginate di tenere in equilibrio un manico di scopa sul palmo della mano: il manico resta in equilibrio fino a che resta in verticale sopra la mano; quando il manico di scopa si inclina e rischia di cadere si deve spostare la mano e rimetterla sotto il bastone. Con lo sterzo della bicicletta succede una cosa simile. Se immaginate che la strada sia il palmo della mano, quando la bicicletta si inclina da un lato e si rischia di cadere – non potendo muovere la strada – si sterza da quella parte “riportando” l’area di contatto tra la strada e la bici verso il ciclista. La stessa cosa, con minor efficacia, la si può fare spostando il peso del ciclista da una parte all’altra della bicicletta.

Cosa cambia tra un ciclista esperto e un principiante?
Per capire in modo scientifico quali siano gli elementi più importanti che determinano l’equilibrio di un ciclista, Cain e i ricercatori che hanno collaborato allo studio hanno preso 14 ciclisti: 7 di loro erano ciclisti esperti – che si allenano, fanno parte di squadre o club e fanno gare da anni – e altri 7 erano persone che sapevano semplicemente andare in bicicletta.

Ai 14 ciclisti è stato chiesto di salire su di una normale mountain bike (una bicicletta che va bene anche per i terreni sterrati, con le ruote più larghe rispetto alle biciclette da corsa) e di pedalare su dei rulli. I rulli stanno all’andare in bici su strada come il tapis roulant sta al correre su strada: li usano anche i ciclisti professionisti per riscaldarsi o allenarsi. Grazie ai rulli si può pedalare su una vera bicicletta senza spostarsi, in pratica. Come spiega Cain, sui rulli «un ciclista deve stare in equilibrio pedalando, curvando e inclinandosi con il corpo, così come si farebbe all’aperto».

Per Cain e i suoi colleghi, i rulli avevano due vantaggi: permettevano di studiare al chiuso e in condizioni uguali per tutti il modo in cui i 14 ciclisti mantenevano l’equilibrio e, in più, i rulli sono piuttosto complicati da usare e permettevano quindi di accentuare le differenze tra chi è abituato ad andare in bicicletta e chi no. Dopo aver dato ai ciclisti il tempo di fare pratica con i rulli (serve, altrimenti c’è il rischio che succeda questo) i ricercatori hanno iniziato a rilevare i dati di cui avevano bisogno.

I ricercatori si sono concentrati sui parametri relativi al modo in cui i 14 ciclisti pedalavano: velocità, ritmo di pedalata, angolo di sterzo, posizione del corpo, e così via. Mettendo insieme tutti questi dati hanno visto che c’era una semplice ma fondamentale differenza tra i due gruppi di ciclisti: «I ciclisti esperti stanno meglio in equilibrio perché fanno pochi ma efficaci movimenti del corpo e usano meno il manubrio». Una sintesi ancora maggiore l’ha fatta il Washington Post, in un articolo dedicato alla ricerca di Cain: «I ciclisti scarsi curvano usando il manubrio. I ciclisti bravi lo fanno usando il loro corpo».

I risultati della ricerca di Cain sono ben sintetizzati da un grafico che mostra da una parte la potenza impiegata per curvare e dall’altra la velocità, in metri al secondo. I ciclisti esperti coinvolti nell’esperimento (le righe nere tratteggiate) riuscivano a controllare la bicicletta con piccoli spostamenti del proprio corpo e senza dover mettere troppa forza nelle sterzate, quelli meno capaci (rappresentati dalle righe grigie) per rimanere in equilibrio hanno bisogno di sterzate più vigorose.