Il momento d’inerzia di un volano

VolanoSpesso si valuta l'efficienza di una spinning bike o ellittica o cyclette tramite la misura di questo componente. Ma cosa è un volano e perchè è così importante?

VolanoSpesso si valuta l’efficienza di una spinning bike o ellittica o cyclette tramite la misura di questo componente. Ma cosa è un volano e perchè è così importante?

Il momento di inerzia I è una grandezza fisica utile per descrivere il comportamento dinamico dei corpi in rotazione attorno ad un asse. Tale grandezza tiene conto di come è distribuita la massa del corpo attorno all’asse di rotazione e dà una misura dell’inerzia del corpo rispetto alle variazioni del suo stato di moto rotatorio: maggiore è l’inerzia e più difficile sarà variare lo stato – la velocità – di rotazione del corpo.

I volani (o ruote) di spin bike, ellittiche e cyclette sono a tutti gli effetti dei corpi in rotazione attorno ad un asse, pertanto possono e devono essere classificati sulla base del loro momento d’inerzia. Anzi, tale grandezza è l’unica in grado di descrivere o meglio misurare l’efficienza di questi attrezzi dal punto di vista biomeccanico.

Ma cosa è un volano e perchè viene utilizzato? E’ un organo che serve a stabilizzare la velocità di rotazione di un sistema meccanico.
 

Un po’ di teoria

Il momento d’inerzia di un corpo rispetto a un asse dato descrive quanto è difficile cambiare il suo moto angolare attorno al proprio asse. Per esempio, si considerino due dischi (A e B) della stessa massa. Il disco A ha un raggio più grande del disco B. Assumendo che abbiano spessore e massa distribuita uniformemente, è più difficile accelerare il disco A (cambiare la sua velocità angolare) poiché la sua massa è distribuita in maniera più distante del suo asse di rotazione: la massa che è più distante dall’asse deve avere, fissata la velocità angolare, più velocità, e quindi più energia rispetto alla massa che è più vicina al centro di rotazione. In questo caso il disco A ha un momento d’inerzia maggiore del disco B.
Per questo motivo il momento di inerzia di un corpo è anche funzione della sua geometria, in particolare di come è distribuita la massa al suo interno.
L’energia cinetica del volano, direttamente correlata all’energia fornita dall’utilizzatore, è data dalla seguente formula:

E = ½Iω2

dove I è il momento d’inerzia e  ω la velocità angolare (velocità di rotazione).

Nel caso del disco rigido omogeneo di massa M, raggio R il momento d’inerzia è:

I = ½ M R2

ed è quindi funzione della massa e del raggio al quadrato.

In concreto

In un attrezzo quale ad esempio una spin bike l’energia fornita dall’atreta attraverso i pedali non è costante durante il ciclo di pedalata, in quanto ci sono delle fasi in cui la forza applicata è maggiore. Il volano ha dunque lo scopo di rendere più stabile ed omogenea la velocità di rotazione dei pedali, e di conseguenza più costante lo “sforzo” applicato dall’atleta. Maggiore sarà il momento d’inerzia del volano, maggiore sarà la precisione dell’attrezzo e quindi migliore il rendimento atletico.

Dalle formule appena viste si traggono alcune facili conclusioni:

  • a parità di raggio avrà un momento d’inerzia maggiore il volano di massa maggiore
  • a parità di massa avrà un momento d’inerzia maggiore il volano con raggio maggiore
  • a parità di massa e di raggio avrà momento d’inerzia maggiore il volano con massa distribuita più esternamente

Quest’ultimo punto è cruciale: è possibile costruire volani con massa (e raggio) contenuta ma con elevato momento d’inerzia semplicemente distribuendo la maggior parte della massa sul perimetro. Per questo motivo i volani sono più spessi nella parte esterna e più sottili verso il centro.

Non sempre dunque il maggior peso di un volano è indice di qualità o di elevata efficienza. Esistono attrezzi con volano da 22 Kg qualitativamente superiori ad altri con volano da 26 Kg. I parametri in gioco per valutare un prodotto sono molti e vanno tutti tenuti in considerazione. La qualità di componenti e materiali, l’elettronica, il software, sono tutti elementi che concorrono ad ottenere un buon prodotto.

Vsb:t

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