Aerodinamica del modello Madone Gen 8

Un anno prima della presentazione della Madone Gen 7 e di IsoFlow, i nostri ingegneri stavano iniziando il lavoro di progettazione concettuale del modello Émonda di nuova generazione. Sapevamo che la Madone era la nostra bici da corsa più aerodinamica fino a quel momento ed eravamo entusiasti di vedere come avrebbero potuto contribuire alla Émonda con la nostra ricerca aerodinamica.  

Dopo aver creato i nostri primi concept della Émonda, che erano piuttosto radicali, ci siamo resi conto abbastanza rapidamente che il divario di prestazioni aerodinamiche tra la Madone e la Émonda stessa poteva essere significativamente ridotto. In quel momento è stata presa seriamente in considerazione la possibilità di realizzare un'unica bici da corsa ad alte prestazioni. Tuttavia, prima, dovevamo dimostrare a noi stessi che con questo cambiamento atleti e clienti non si sarebbero dovuti assoggettare a compromessi.  

Peso vs. aerodinamica

Le nostre prime concept bike del progetto Émonda di nuova generazione sono state la "A1" e la "A2". I nostri test nella galleria del vento e le analisi di fluidodinamica computazionale (CFD) effettuate hanno mostrato alcuni risultati promettenti che hanno permesso di ridurre il divario tra la Madone e la Émonda della generazione precedente. Tuttavia, ciò avrebbe comunque comportato una penalità aerodinamica inaccettabile qualora avessimo voluto produrre solo una bici da corsa ad alte prestazioni.  

Il nostro passo successivo è stato quello di esplorare a fondo lo spazio di progettazione. Abbiamo creato vari prototipi per aumentare le prestazioni aerodinamiche da introdurre sulla leggera serie A, fino ad arrivare alla serie E, prevalentemente aerodinamica. Dopo centinaia di iterazioni CFD e di analisi strutturali, abbiamo riportato le bici delle serie A, C ed E nella galleria del vento.  

Con i risultati della galleria del vento e le ipotesi di peso di tutti e tre i prototipi, abbiamo potuto testare virtualmente le prestazioni delle diverse opzioni in una varietà di condizioni di gara. A parità di ruote e pneumatici, volevamo un telaio con un design che, su qualsiasi pendenza, superasse le prestazioni sia della Madone Gen 7 che dell'Émonda.

Il grafico seguente mostra le prestazioni della Madone Gen 7 e dei prototipi Gen 8 rispetto alla Émonda su pendii che vanno da pianeggianti (pendenza 0%) a piuttosto ripidi (pendenza 12%). L'aerodinamica Madone Gen 7 (linea bianca tratteggiata) è più veloce della più leggera ma meno aerodinamica Émonda su pendenze che vanno dallo 0% a poco più del 3%. Questo perché in pianura e sulle salite lievi la differenza di peso ha un effetto ridotto e il ciclista si muove a una velocità maggiore, conferendo all'aerodinamica un impatto maggiore.  

Quando abbiamo analizzato i prototipi, tutti garantivano dei miglioramenti rispetto alla Madone Gen 7 e all'Émonda su determinate pendenze, ma solo il prototipo C3 è stato più veloce di entrambe le bici in tutte le condizioni. L'opzione leggera A1 offriva delle buone prestazioni di arrampicata, ma non era una buona soluzione per gli sprint veloci su terreni pianeggianti. La E2 era più aerodinamica ed era la migliore con pendenze dello 0%, ma richiedeva ai ciclisti di sacrificare le prestazioni in salita rispetto alla Émonda.  

Con questi risultati, abbiamo visto che il prototipo C3 era in grado potenzialmente di combinare le doti di leggerezza di una Émonda con le doti aerodinamiche di una Madone. Dopo molte ulteriori ottimizzazioni, questo ha aperto la strada alla nascita di una bici da corsa ad altissime prestazioni: la Madone Gen 8. 

Nuovi profili aerodinamici Full System Foil

Come sarebbe stato possibile arrivare a creare concept come l'A1 e l'E2, spaziando dall'estrema leggerezza all'estrema aerodinamicità, senza avere alle spalle anni di tentativi e di errori? La risposta è nel nostro nuovo sistema di sezioni trasversali dei tubi Full System Foil.  

Prima delle forme aerodinamiche Full System Foil, utilizzavamo principalmente i profili Kammtail Virtual Foil (KVF). All'epoca questi profili erano rivoluzionari. Essi avevano l'obiettivo di massimizzare le prestazioni aerodinamiche seguendo l'oramai defunta regola UCI che prevedeva un rapporto d'aspetto lunghezza-larghezza del tubo di 3:1. Le forme Kammtail sono molto aerodinamiche, ma le prestazioni peggiorano quando ci si allontana dalle proporzioni 3:1 tipiche delle bici aerodinamiche più tradizionali.

Per migliorare i profili KVF, abbiamo ideato un generatore di sezioni trasversali più flessibile. Esso consente di sviluppare un'enorme varietà di forme "spingendo" o "tirando" le pareti della sezione trasversale. Quindi, abbiamo abbinato questo profilo base a un algoritmo di ottimizzazione che spinge/tira per generare una nuova forma e testa virtualmente l'aerodinamica e l'efficienza strutturale. L'ottimizzazione apprende dalle iterazioni di progettazione precedenti e, con tempi e calcoli sufficienti, arriva a un fronte di Pareto che è l'insieme di sezioni trasversali che rappresentano le migliori combinazioni in termini di peso e aerodinamica.   

Questa animazione mostra un piccolo sottoinsieme di alcune delle forme testate con l'algoritmo di ottimizzazione. Come si può notare, la natura flessibile delle modifiche push/pull (spingi-tira) ci ha permesso di creare forme pazzesche ma irrealizzabili, consentendoci tuttavia di esplorare l'intero spazio di progettazione, anche le soluzioni non all'altezza. L'ampiezza del campo di esplorazione è importante poiché permette di generare forme che potrebbero non venire in mente a un progettista umano. 

Mentre monitoravamo i progressi della nostra ottimizzazione, abbiamo notato che, in generale, le forme ottenute presentavano estremità posteriori più arrotondate rispetto ai profili KVF e mostravano caratteristiche aerodinamiche migliori nelle situazioni instabili del mondo reale, in cui la direzione dell'aria cambia rapidamente. Le estremità anteriori di molte forme strutturalmente efficienti presentavano una forma relativamente rettangolare, il che intuitivamente poteva avere un senso.  

Dove l'aerodinamica non è tutto 

Armati di una raccolta di forme - da quelle strutturalmente più efficienti (leggere) a quelle super aerodinamiche - il passo successivo è stato quello di identificare dove utilizzare le diverse opzioni a livello di telaio. Questa operazione è sempre fondamentale nella progettazione del telaio delle nostre bici, ma per la Madone Gen 8 l'abbiamo portata a un livello superiore, utilizzando migliaia di simulazioni CFD e di analisi a elementi finiti (FEA) per identificare sul telaio i punti migliori per ciascuna opzione di sezione trasversale.  

Ad esempio, la forma del tubo obliquo favorisce l’efficienza strutturale più che l’efficienza aerodinamica. Questo, perché la scia d'aria che si muove lentamente dietro la ruota anteriore riduce il contributo delle forme a bassa resistenza in quell’area. Al contrario, la parte superiore del tubo sella, l'IsoFlow e il reggisella sono tutti progettati con forme molto aerodinamiche in quanto il flusso d'aria tra le gambe del ciclista viene accelerato, amplificando la resistenza aerodinamica in quella regione. Essenzialmente, ogni forma è progettata tenendo conto di come l'aria si muove sopra, davanti e dietro di essa.   

I cilindri sono lenti

Sappiamo da tempo che i cilindri non hanno una forma particolarmente efficace dal punto di vista aerodinamico. Già nel 1953, il predecessore della NASA, il Comitato consultivo nazionale per l’aeronautica (NACA), dimostrò che la trasformazione di un cilindro in un'ellisse 2:1 riduce la resistenza del 40%.

Molto prima di allora, nel 1912, Gustave Eiffel (sì, proprio quell'Eiffel) stava approfondendo con il suo test di caduta dalla Torre Eiffel gli aspetti relativi alla resistenza aerodinamica a cui erano sottoposti oggetti anche di forma cilindrica.

Quindi, perché mettiamo delle borracce cilindriche su delle bici da corsa aerodinamiche altamente ottimizzate? Le borracce aerodinamiche non sono una novità ma spesso non vengono utilizzate per via della loro scarsa praticità. Abbiamo deciso di riprogettare per il team Lidl-Trek un sistema borraccia/portaborraccia con caratteristiche di elevata praticità, soprattutto in situazioni di gara. I corridori e lo staff del team hanno stabilito due requisiti: la compatibilità del portaborraccia aerodinamico con le borracce standard e l'intercambiabilità delle borracce sul tubo obliquo e sul tubo sella.  

Questi requisiti impedivano l'uso di prodotti aerodinamici quali la borraccia per tubo obliquo Speed Concept. Per rimediare a questo impedimento, abbiamo progettato le sezioni trasversali del tubi obliquo e del tubo sella in modo che telaio e ruote andassero a costituire un profilo alare virtuale. Nell'immagine seguente, proveniente dalle nostre simulazioni CFD, l'aria che si muove lentamente è mostrata in grigio. L'aria in rapido movimento "vede" queste scie più lente in modo molto simile a degli oggetti solidi, scorrendo dolcemente attorno ad esse e riducendo la resistenza.  

Le nostre borracce RSL Aero offrono un risparmio di 1,8 Watt (a 35 km/h) rispetto alle borracce standard da 21 once. Inoltre, sono più veloci rispetto a qualsiasi altra borraccia.

Sebbene queste borracce siano ottimizzate per il modello Madone Gen 8, sono state anche collaudate con strumenti di analisi CFD su una vasta gamma di telai di biciclette, contribuendo a ridurre la resistenza aerodinamica rispetto alle borracce standard.  

Progettare attorno al sistema-ciclista 

Le biciclette non viaggiano da sole e un ciclista comporta un impatto enorme sul flusso d'aria attorno al mezzo. Ecco perché, partendo dalle prime simulazioni al computer fino ai collaudi nella galleria del vento, nel nostro processo di design aerodinamico consideriamo e testiamo l'intero sistema (bicicletta, ciclista, componenti, borracce/portaborraccia) utilizzando Manny, il manichino che pedala. Questa enfasi sull'aerodinamica del ciclista è ciò che ha portato a sviluppi come l'IsoFlow della Madone Gen 7. L'IsoFlow viene riproposto sulla Madone Gen 8 con alcune sottili ottimizzazioni, aumentando il comfort del ciclista e garantendo vantaggi strutturali e aerodinamici.  

Sulla Madone Gen 8, il manubrio potrebbe sembrare meno aerodinamico rispetto a quello di generazione precedente, e questo perché è effettivamente così! Almeno se considerato isolatamente.  

La sezione trasversale delle parti superiori del manubrio della Gen 8 è diventata più spessa e rotonda rispetto a quella della Madone Gen 7. Se la bici viene testata da sola nella galleria del vento, il manubrio aumenterà la resistenza. Tuttavia, quando il ciclista è in sella, la scia di un manubrio più spesso riduce leggermente la resistenza sulle gambe, rallentando l'aria che le investe. L'effetto è minimo, ma durante la pedalata le gambe contribuiscono maggiormente ad aumentare resistenza totale del sistema. Quindi, anche le piccole modifiche al flusso d'aria possono avere un impatto significativo. Proprio come i nostri profili Full System Foil, anche la sezione trasversale del manubrio è stata ottimizzata utilizzando lo stesso processo, ma considerando l'effetto sulle gambe. 

I risultati

Alla fine, i risultati nella galleria del vento hanno dimostrato che la Madone Gen 8 si posizionava su un livello aerodinamico superiore a quello della Émonda. Rispetto alla Madone Gen 7, la Gen 8 concentra la maggior parte dei miglioramenti aerodinamici negli angoli di imbardata bassi, che sono quelli più comunemente incontrati dai ciclisti.

Abbiamo testato le bici nella galleria del vento a diverse velocità per supportare le simulazioni di un'ampia varietà di scenari di gara. Qui sono mostrati i risultati nella galleria alla velocità di 35 km/h. Si tratta di una velocità inferiore, che rende i test un po' più impegnativi, ma che è più raggiungibile rispetto ai ritmi di un gruppo di professionisti. Abbiamo anche testato a velocità fino a 64 km/h per alimentare le simulazioni per i nostri atleti professionisti del team Lidl-Trek (ne parleremo più avanti).  

Le simulazioni hanno chiarito agli atleti del team Lidl-Trek che, negli scenari cruciali, la Madone Gen 8 non richiedeva alcun sacrificio rispetto alla Madone Gen 7 o alla Émonda. Una pendenza al 10% è tipicamente il punto dove ci si trova a rintuzzare un attacco ed è il punto in cui i ciclisti vorrebbero avere una Émonda (cioè il minor peso possibile): tuttavia, in questo scenario la Madone Gen 8 batte leggermente l'Émonda. Negli scenari legati agli sprint, dove l'aerodinamica assume la massima importanza, entrambe le generazioni della Madone sono in una classe a parte. Tuttavia, la Gen 8 supera la Gen 7, addirittura un po' più comodamente se l'arrivo è in salita.

In tutti questi scenari sono stati simulati gli effetti dell'accelerazione. Sebbene si tratti di un effetto leggero, è più facile accelerare il telaio più leggero della Madone Gen 8 rispetto, ad esempio, a quello della Madone Gen 7. 

Alla fine, quello che era iniziato come un aggiornamento della Émonda ha dato vita a una bici da arrampicata e da sprint definitiva, che offre prestazioni eccellenti nelle condizioni impegnative in cui operano i ciclisti del team Lidl-Trek e che assicura, allo stesso tempo, l'esperienza di guida esaltante di una bici da corsa leggera e performante anche a coloro che possono solo sognare di sprintare a 1500 Watt (come me).