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CNR: Alamanacco della Scienza

N. 9 - 4 set 2019
ISSN 2037-4801

Focus - Oggetti smarriti (e ritrovati)  

Socio-economico

Antica bicicletta, moderna, immortale

La bicicletta è un mezzo di trasporto universale ed economicamente accessibile a tutti. Nonostante la maggior parte delle persone preferisca l'auto o lo scooter per gli spostamenti quotidiani in città, l'uso della bici è ampiamente diffuso, soprattutto a scopo ricreativo, per gite all'aperto o semplicemente per tenersi in forma. Grazie anche ad alcune migliorie, che l'hanno resa adatta agli attuali bisogni e desideri del ciclista.

Già nel 1817, il barone tedesco Karl Von Dreis aggiunse lo sterzo al biciclo, l'antenato della bicicletta, brevettando la sua Laufmaschine in legno nel 1818: curiosamente, alcune aziende ora propongono telai costruiti proprio con questo materiale, in grado di smorzare le vibrazioni e di resistere alle sollecitazioni per via della particolare microstruttura alveolare. Solo nel 1860 Pierre Michaux aggiunse i pedali sulla ruota anteriore (prima la propulsione avveniva spingendosi con i piedi a terra!) ma il peso raggiungeva quasi 45 kg, a cause delle ruote e di altre parti strutturali in ferro. Un primo passo verso bici più leggere fu l'introduzione degli pneumatici, applicati per la prima volta nel 1888, brevettati lo stesso anno da John Boyd Dunlop. 

“Se le camere in gomma riempite di aria di Dunlop erano un derivato del lattice naturale costituito dal polimero poliisoprene, le attuali gomme sintetiche sono a base di polibutadiene mescolato con additivi, come la silice e il nerofumo, che la rinforzano, permettendo di dissipare efficacemente il calore durante la frenata, aumentandone quindi la durata”, spiega Pietro Calandra, dell'Istituto per lo studio dei materiali nanostrutturati (Ismn) del Consiglio nazionale delle ricerche. “Di imminente commercializzazione sono le nuove mescole con aggiunta di grafene, “foglietti” in carbonio derivati dalla grafite, che modulano la forza di attrito e la durezza della gomma mantenendo lo pneumatico rigido in corsa e più morbido in frenata. La ricetta esatta delle mescole è, per la maggior parte delle volte, coperta da brevetto”.

La costruzione del telaio è fondamentale. “Dopo legno e ferro, l'acciaio in lega, in particolare l'Astm 4130-cromo molibdeno, è stato il materiale più utilizzato. Presenta migliori resistenza alla trazione e carico di rottura rispetto a un acciaio non legato, oltre a essere più leggero”, continua il ricercatore.

Dal 1980 si è diffuso l'uso di alluminio in lega con altri elementi: “mentre il magnesio aumenta la resistenza alla corrosione e il rame migliora le proprietà meccaniche, l'aggiunta di zinco, specie se assieme al magnesio, ne riduce l'elasticità”, precisa Calandra.

Le migliori perfomance sono assicurate dal telaio in fibre di carbonio allineate o intrecciate in maniera tale da conferire un'alta resistenza alla trazione e rigidezza e peso inferiore al chilogrammo, il Carbon Fiber Reinforced Polymer (Cfrp). Le fibre sono protette da una di resina termoplastica. "I telai in Cfrp sono costruiti assemblando più foglietti, orientati in maniera diversa per ottenere un materiale anisotropo, le cui proprietà meccaniche dipendono dalla direzione dello sforzo. Se costruiti bene, attenuano le vibrazioni trasmesse dalla bici all'atleta, che affaticano non poco le braccia”, commenta il ricercatore del Cnr-Ismn.

Eppure alla quarta tappa del Tour de France 2019, lo scorso 13 luglio, l'intero team Ineos è caduto a terra, coinvolgendo il corridore trentino Gianni Moscon e il telaio in fibra di carbonio della sua bici si è letteralmente spezzato in due. "Questi materiali all'avanguardia sono progettati per resistere agli sforzi direzionati dall'atleta che ci pedala sopra. Diversa è la sollecitazione dovuta a una caduta laterale: la fibra di carbonio è un materiale anisotropo, la risposta al carico sarà perciò diversa, arrivando alla rottura. Probabilmente una bici in acciaio si sarebbe semplicemente ammaccata", aggiunge Calandra. “Le fibre di carbonio soffrono la rottura di schianto, quindi eventuali microlesioni, molte volte asintomatiche, causano improvvise e inaspettate rotture. I materiali del futuro sono gli ibridi, dove una matrice organica leggera è indurita da nanoparticelle inorganiche, sfruttando l'accoppiamento sinergico dei due materiali”.

Alcune start-up promettono di produrre in meno di un giorno una bici completa in poliuretano termoplastico, Tpu, attraverso la stampa 3D. Inoltre, partendo dai componenti in polimeri resistenti e leggeri come il Peek (Polietere-eter-chetone) per l'industria aerospaziale, si stanno muovendo i primi passi anche nell'industria delle biciclette: sono stati stampati, infatti, i primi prototipi di pedali in una variante resistente e lavorabile del Nylon.

A. F.

Fonte: Pietro Calandra, Istituto per lo studio dei materiali nanostrutturati, tel. 06/90672409 , email pietro.calandra@ismn.cnr.it -