Il misuratore di potenza nel ciclismo

Il misuratore di potenza nel ciclismo è uno strumento elettromeccanico che trasforma la forza fisica impressa ai pedali in un segnale elettrico. Oltre alla forza sui pedali un’altra grandezza fisica viene misurata tramite un giroscopio. Si tratta della velocità di rotazione della pedivella. Queste 2 grandezze fisiche sono acquisite, ridotte e opportunamente manipolate ed infine messe in fase tra loro. Vengono poi inviate ad un ciclocomputer. Il ciclocomputer riceve quindi due segnali digitali in modalità wireless che, opportunamente combinati tra loro, risultano nella potenza.

Principio di funzionamento dei moderni misuratori di potenza nel ciclismo

Tranne rare eccezioni, tutti i misuratori di potenza nel ciclismo si basano su un unico principio di misura: il ponte estensimetrico. Il ponte estensimetrico trasforma la forza impressa al pedale in un segnale elettrico proporzionale alla forza impressa sul pedale. In materia di misure meccaniche, il ponte estensimetrico lo si ritrova anche con il nome di ponte di Wheatstone.

Figura 1 Ponte estensimetrico (ponte di Wheatstone)

Il ponte estensimetrico si compone di un generatore di tensione che alimenta due rami resistivi posti in parallelo. Il primo ramo è composto da un resistore campione in serie a una cassetta di resistori (resistenza variabile tramite opportune manopole). Il secondo ramo è invece composto da un resistore campione in serie alla resistenza incognita. Si pone un galvanometro (a zero centrale) tra i due resistori del primo ramo e i due del secondo ramo. Alimentando il circuito si noterà che il galvanometro segnala il passaggio di una corrente elettrica. Si varia quindi il valore della cassetta di resistenze fino a quando il galvanometro non indica più il passaggio di una corrente. In questa situazione il valore di resistenza elettrica del resistore incognito è calcolabile con una formula matematica

Figura 2 Esempio di applicazione di estensimetri su una pedivella

Dalla fisica sappiamo che una resistenza varia la sua caratteristica di resistività in funzione della deformazione che subisce. In un misuratore di potenza, la resistenza variabile è annegata in un componente meccanico che si deforma sotto la forza che il ciclista applica sui pedali. I componenti che meglio si prestano per questo scopo sono i pedali, la pedivella, la guarnitura e l’asse del movimento centrale.

Tipologie di misuratore di potenza nel ciclismo: vantaggi e svantaggi

Misuratore di potenza sulla pedivella

La pedivella può essere schematizzata come un parallelepipedo. Il ponte estensimetrico può essere applicato sul lato stretto o sul lato largo. La deformazione della pedivella, soprattutto nella zona vicino all’asse di inerzia principale, è ridotta. La pedivella è infatti progettata per essere più rigida possibile (per esigenze di guidabilità e performance).

Figura 3 Esempio di applicazione commerciale di un ponte estensimetrico ad una pedivella (www.stagescycling.com)

Questa posizione di misura nasce quindi con lo svantaggio di non essere l’ideale sotto l’aspetta della sensibilità. Altro svantaggio di questa posizione è l’essere esposta ad urti contro ostacoli accidentali che si trovano sul percorso.  Tra i vantaggi è da segnalare che questa misura è semplice da eseguire, il peso della strumentazione aggiuntiva è ridotto e tutto il sistema risulta ben compatto. Infine, altro vantaggio importante, è poter misurare i due flussi di potenza (destro e sinistro) separatamente. La misura può essere implementata solo sulla pedivella destra, solo sulla pedivella sinistra, su entrambe le pedivelle.

Misura di potenza sulla guarnitura

Applicare il ponte estensimetrico sulla guarnitura comporta un ingombro notevole. Questi tipi di misuratori di potenza nel ciclismo sono, solitamente, abbastanza ingombranti e pesanti. In questo caso il ponte estensimetrico misura una torsione. Misurare una torsione è più semplice rispetto a misurare una flessione visto che ci si allontana dall’asse neutro e le deformazioni sono maggiori. Lo spazio a disposizione per la circuiteria è molto quindi, per amplificare ulteriormente il segnale, le celle di carico possono essere molteplici. Il segnale diventa quindi più sensibile e leggibile anche da un voltmetro.

Figura 4 Ponte estensimetrico annegato in una moderna guarnitura (www.sram.com)

Il misuratore di potenza nell’immagine, ultimo ritrovato del 2020, possiede addirittura 8 celle di carico. Un altro aspetto positivo è la protezione contro gli urti: la posizione è tale che risulta difficile compromettere l’elettronica o la meccanica con un semplice incidente. Vi è ampio spazio per la batteria che però non è necessario: in virtù della posizione di misura sensibile non è necessario amplificare il segnale dunque anche il dispendio energetico del circuito sarà ridotto.

Passando agli aspetti negativi la prima problematica riguarda il non poter discernere il contributo della potenza che transita nella pedivella destra rispetto alla potenza che transita nella pedivella di sinistra. La potenza rilevata in questo punto di misura è la somma di tutti i contributi (destro + sinistro). Va ricordato che mentre l’atleta spinge con una gamba sul pedale (fase di spinta), nello stesso istante, con l’altra gamba, tira verso l’alto l’altro pedale (fase di tiro). Il misuratore di potenza non può distinguere questi due contributi.

Misura di potenza nel movimento centrale

Il ponte estensimetrico è annegato all’interno dell’asse del movimento centrale. L’asse può essere schematizzato come un cilindro cavo quindi, il ponte, rileva una deformazione torsionale come accade nei MP sulla guarnitura. Gli ingombri sono molto ridotti e ovviamente la possibilità di rottura accidentale per urto è nulla. Anche il peso è ridotto rispetto agli altri MP e, in questo caso, il peso del MP si riduce alla sola circuiteria (non c’è bisogno di metallo ulteriore o chassis).

Lo svantaggio è che è possibile rilevare solamente la potenza che transita nella pedivella sinistra. La pedivella destra è direttamente collegata alla guarnitura e il flusso di potenza non transita dall’asse del movimento centrale. Per non fornire al ciclista una potenza relativa solo ad un arto, semplicemente, la si moltiplica per due. L’ipotesi è quella che non vi siano eterometrie né della forza, né della coordinazione tra i due arti. La potenza finale sarà quindi poco precisa a meno di un atleta biomeccanicamente perfetto. Fisiologicamente, in atleti ben allenati, la differenza finale di potenza tra i due arti rientra nel 2-3%. Questa percentuale forma parte dell’errore di misura che dobbiamo aspettarci.

Figura 5 Ponte estensimetrico applicato all’asse del movimento centrale (www.rotorbike.com)

Misura di potenza nei pedali

La misura diretta nei pedali è la più accurata tra tutte le misure. Permette con estrema precisione di individuare la potenza che transita dall’asse di ognuno dei due pedali, separatamente. Il ponte ha ingombri e peso abbastanza ridotti. Il rischio di rottura è maggiore che negli altri MP vista la zona tipicamente più esposta. Lo spazio per la batteria non è molto e questa non è una classica batteria industriale ma è una batteria creata su misura; ne consegue che anche la ricarica avviene on-site e anche il charger è uno strumento dedicato. Il ponte è completamene annegato nell’asse del pedale e, una rottura del pedale (frequente), può rivelarsi fatale anche per il MP. Oltre alla zona esposta dobbiamo considerare che le ripercussioni della rottura del pedale.

Figura 6 Ponte estensimetrico applicato all’asse di un pedale (www.favero.com)

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