Il concetto di lavoro in fisica applicato al ciclismo.
In fisica si compie lavoro quando, in un sistema (atleta + bicicletta), una forza (sistema muscolare dell’atleta) viene applicata ad un corpo (sulla pedivella attraverso il pedale), per produrne uno spostamento (rotazione del perno centrale = avanzamento atleta + bicicletta).
Grandezza vettoriali
La forza dell’atleta che spinge sui pedali, e l’effetto di creare il movimento di rotazione del perno centrale, sono due grandezze vettoriali: la forza e lo spostamento.
Sia la Forza che lo Spostamento sono vettori perché per essere definiti hanno bisogno di essere rappresentati da un modulo, una direzione e verso. La forza di spinta sul pedale, ad esempio, per capirne l’effetto sul movimento centrale, oltre che dall’intensità è definita anche dalla sua direzione e verso.
Per indicare le grandezze vettoriali si utilizzano le frecce.
Come si calcola il lavoro nel ciclismo (grandezza scalare)
A partire dalla forza applicata dall’atleta sul pedale, con lo spostamento scaturito da essa è possibile calcolare il lavoro come prodotto scalare di questi due vettori:
Lavoro = Forza x Spostamento
L = F x s
Il lavoro è unagrandezza scalare, perché per essere definito necessita unicamente di modulo (quanto lavoro compie il nostro Fausto Masnada? Non serve alcuna freccia per definirlo ma solo un numero).
Concetto di momento di forza e di coppia di forza in fisica applicata al ciclismo
Il momento di una forza o momento torcente è una grandezza fisica di tipo vettoriale (grandezza vettoriale) che causa la rotazione di un corpo rigido.
Consideriamo una forza F (forza dell’atleta) il cui punto di applicazione (sul pedale) è ad una distanza r (lunghezza pedivella) da un generico punto O (perno centrale).
Il momento della forza F rispetto al punto O è il prodotto vettoriale tra il vettore forza e la distanza tra il punto di applicazione della forza ed O.
Il momento della forza F si calcola con la seguente formula:
Momento di forza = Forza atleta x r lunghezza pedivella
M = F x r
Definizione di momento di una coppia di forze applicata al ciclismo
Se in un sistema agiscono più forze, come in una pedalata (arto inferiore che spinge + arto inferiore che tira), sono presenti più momenti di forze diverse.
Il momento risultante delle forze (spinta + trazione) rispetto ad un punto O (perno centrale) è dato dalla somma vettoriale dei momenti delle singole forze agenti sempre rispetto al punto O.
L’azione di pedalata, è un sistema particolare di applicazione di più forze, in cui agiscono due forze di verso opposto e posizionate sue due rette diverse tra loro e parallele (atleta che spinge e tira contemporaneamente sulle due pedivelle posizionate a 180° tra di loro).
Tale sistema è detto coppia di forze e la sua applicazione provoca sempre una rotazione:
La distanza tra i punti di applicazione delle due forze (lunghezza delle due pedivelle) prende il nome dibraccio della coppia (che si indica con la lettera b), e pertanto il momento della coppia avrà modulo pari a:
Momento di coppia = (Forza di spinta + Forza di trazione) x b somma della lunghezza delle due pedivelle
M = F x b
Il concetto di potenza in fisica applicato al ciclismo.
La Potenza è una grandezza fisica che indica il lavoro compiuto in un determinato tempo.
Potenza = Lavoro / Tempo
Ma abbiamo visto precedentemente che il Lavoro viene definito come
Lavoro = Forza x Spostamento
Quindi
Potenza = Forza x Spostamento / Tempo
Dallo studio dei moti, sappiamo che la definizione di Spostamento (Fausto ha fatto 15,7Km) nel Tempo (in 18’47”) rappresenta la Velocità (Velocità media di Fausto 50,151 Km/h).
Perciò la Potenza si può definire come
Potenza = Forza x Velocità
P = F x V
Ritornando all’analisi della pedalata, ricordiamo che la forza di Fausto Masnada, che spinge e tira sui pedali, viene definita attraverso il concetto di Coppia di forze le quali creano la rotazione del movimento centrale.
La velocità del movimento centrale, essendo un moto rotatorio, può essere espressa in giri al minuto, nel caso del ciclismo può essere definito dalla Cadenza, numero di pedalate al minuto.
Perciò la Potenza nel ciclismo è rappresentata dal Momento di Coppia di Forze per la Cadenza.
Potenza = Momento di coppia x Cadenza
P = M x C
Unità di misura
FORZA
Il newton (simbolo N) è l’unità di misura della forza. Viene definita come la quantità di forza necessaria per imprimere a un chilogrammo di massa un’accelerazione di un metro al secondo quadrato.
1N = 1 kg ⋅ 1 m / s2 FORZA = massa x accelerazione F = m ⋅ a
LAVORO
Il Joule (simbolo J) è l’unità di misura del Lavoro. Un joule è il lavoro svolto esercitando la forza di un newton per una distanza di un metro.
1J = 1N ⋅ 1m LAVORO = forza x spostamento L = F ⋅ s
POTENZA
Il watt (simbolo W) è l’unità di misura della potenza. Per definizione 1 watt è il rapporto tra joule e secondo.
1W = 1J ⋅ 1s POTENZA = lavoro / tempo P = L / t
