CdA - Aerodynamic drag area estimation on the field

The author of this article is Mattia Michelusi. Decisions concerning use of the work, such as distribution, access, updates, and any use restrictions belong to the author.

Versione in italiano: CdA - Stima del coefficiente aerodinamico su campo

If you are riding on a flat road over 90% of the effort needed to maintain the speed is used to overcome air resistance (Fair). So, Fair is not the only factor (there is also rolling resistance and gravity resistance) but for sure it’s the most important:

Fair = 1/2 * Cda * P * s^2

Every factor of this formula is very important:

P - air density

In a previous article I have already talked about the importance of air density (Link: Record dell'ora e condizioni atmosferiche): a lower air density enables the cyclist to pedal faster for the same amount of power output due to the fewer air particles per square meter (the total air resistance to overcome is lower).

s - speed

Higher speed, higher air resistance. So, increasing your speed, the effort needed to overcome air resistance increases.

CdA - Drag area

CdA is the product of the drag coefficient of the system cyclist+bike and the frontal area (the portion of a body which can be seen by an observer placed exactly in front of cyclist):

CdA = Cd * A

Air density depends on the weather conditions, we can't artificially change them (unless you are in an indoor velodrome). If you want to go faster you need to keep an higher speed increasing the air resistance to overcome. So,  If you want to save energies or if you want to ride faster at the same power output, you just need to decrease your Drag Area (CdA). How can you do it? You can change your frame, your helmets, your clothing or your position on the bike. For sure the last one is the easiest and the cheapest.

The are many ways to measure CdA - drag area. The gold standard is wind tunnel testing where the wind is artificially generated from a fan on the cyclist-bicycle system. This technique is very sensitive to wheel type, yaw angle and cyclist position but it's very expensive and it doesn't simulate exactly the real conditions on the filed.

In order to simulate actual conditions, I chose a filed method called "Method of linear regression analysis" and I tried to measure my CdA on the field. This method consists of measuring mechanical power output using powermeter BePro (website: http://www.bepro-favero.com/en/) at different velocity to determinate the total resistive forces. According to the equation of cyclist's motion, the total resistive forces vary in a linear way with the square of the velocity. 

Average power as a function of average speed (hoods and drops position)

I found a flat road segment where I performed with my road bike five several trials at different velocities in hoods and drops position. For every step I recorded the average speed and power, and I estimated the air density considering the pressure, temperature and the realative humidity.

On the chart It's easy to see how keeping a drops position the output power is lower at the same speed than hoods position. It means that aerodynamic coefficient is better .

Anyway the purpose of this examination was to estimate my CdA, so with an algorithm I calculated the linear regression between total resistive forces and the  square of the velocity, estimating my CdA changing the position:

CdA hoods position: 0,363 m^2

CdA drops position: 0,314 m^2

So, keeping a drop positions my CdA decreased of about 13,5%.

What does this mean? 

It means that the final time to ride a 40km TT at 300 Watt with the same conditions (flat and straight road, no wind, same air density and Crr - Rolling Resistance) would be:

Hoods position: 1h 02' 42"

Drops position: 0h 59' 52"

The final time would be 2' 50" faster just changing the position.

I know that cycling is not just a mathematical algorithm, many factors can alterate the performance, but with this simple test it's easy to understand the importance and the advantages of keeping a more aerodynamic position.

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Dott. Mattia Michelusi
Email: mattia.michelusi@gmail.com
Web: www.coachmichelusi.blogspot.it 

Bibliography:
Capelli, C., Rosa, G., Butti, F., Ferretti, G., & Veicsteinas, A. (1993). Energy cost and efficiency of riding
aerodynamics bicycles. European Journal of Applied Physiology, 67, 144–149.
Capelli, C., Schena, F., Zamparo, P., Dal Monte, A., Faina, M., & di Prampero, P. E. (1998). Energetics of best
performances in track cycling. Medicine and Science in Sports and Exercise, 30, 614–624.
Di Prampero PE, Cortili G, Mognoni P, Saibene F. Equation of motion of a cyclist. J Appl Physiol. 1979 Jul; 47 (1): 201-6
Di Prampero P. E. La locomozione su terra, aria e acqua. Fatti e teorie. Edi-ermes Milano 1985
Di Prampero. Cycling on Earth, in space, on the Moon. Eur J Appl Physiol. 2000 Aug;82(5-6): 345-60
Martin, J. C., Milliken, D. L., Cobb, J. E., McFadden, K. L., & Coggan, A. R. (1998). Validation of a mathematical model for road cycling power. Journal of Applied Biomechanics, 14, 245–259.
Olds T.S., K.I. Norton, and N.P. Craig. Mathematical model of cycling performance. J. Appl. Physiol. 75 (2): 730-737, 1993

How important is upper body strength for cycling?

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Versione in italiano - link: L'importanza della muscolatura della parte superiore nel ciclismo?

How important is upper body strength for cycling?

Good question!

To reply it I always say: have you ever tried to do a maximal sprint without pulling with your arms?

A strong upper body is a fundamental part of bike riding. When you cycle you need to be able to create force from your legs, and transfer it to the pedals through your upper body. It means while the legs do the most work, you need lower back muscles for maintaining posture and stability, upper back muscles for fixing the arms, abdominal muscles for keeping the trunk stable and for diaphragmatic breathing, arms's muscles for transferring the force from the hands on the handlebar.

In order to demonstrate this thesis I tried to do on the field nine maximal standing starts:

• 3 sprints sit on the saddle without pulling with my arms (SWP);
• 3 sprints sit on the saddle pulling with my arms (SP) ;
• 3 sprints out of the saddle pulling with my arms (OP).

I performed these sprints on the same false flat segment road, with always the same gear combination and recording all data with a mobile power meter BePro mounted on my bike (website: www.bepro-favero.com/en/).

In the chart above it's easy to see how I definitely pushed an higher power in the sprints out of the saddle pulling with my arms (OP), whereas the lowest power was during the sprints sit on the saddle without pulling with my arms (SWP).

• Average maximal power for the sprints SWP: 717 Watt (lowest 664 W / highest 744 W)
• Average maximal power for the sprints SP: 806 Watt (lowest 797 W / highest 811 W)
• Average maximal power for the sprints OP: 1076 Watt (lowest 1029 W / highest 1114 W)

Moreover in the sprints out of the saddle pulling with my arms (OP) I was able to reach my maximal power faster than both the sprints sit on the saddle pulling with my arms (SP) and  the sprints sit on the saddle without pulling with my arms (SWP).

Anyway it doesn't mean you can increase your maximal power doing many reps of "Pull-ups" in the gym, and it's not enough to ride out of the saddle for reaching your maximal power, but you need to be able to coordinate three different movements:

• Pushing with your legs;
• Pulling with your arms;
• Maintaining posture and stability with your trunk.

All together it's not so easy! So, for sure it's important core and strength training for your upper body in the gym, but just with practice on your bike you can get it more efficient.

For sure this examination has not a scientific value, because the sprints were just nine and the cyclist just me, but I thing it's a good way to demonstrate on the field that:

STRONGER UPPER BODY IS BETTER..WITH A GOOD COORDINATION!

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Strava's file training:

Dott. Mattia Michelusi

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54,526km/h: il nuovo record. Quanto ha inciso la densità dell'aria?

Si dichiara che l'autore esclusivo del presente articolo è Michelusi Mattia. A quest'ultimo sono riservati tutti i diritti sull'opera quali l'adattamento totale o parziale, la diffusione e la riproduzione in qualsiasi mezzo in quanto frutto di ricerca e di elaborazioni personali.

54,526

Immagine tratta da cyclingnews.com (Getty Images Sport)

Questo e' il nuovo record dell'ora ottenuto da Bradley Wiggins poche ore fa nel velodromo Lee Valley a Londra! 

Quasi 218 giri a un ritmo medio di 16,5 secondi al giro mulinando il 58X14 a una cadenza di pedalata media compresa tra le 102-105 RPM 

Un grande record che ha superato il precedente record di Dowsett di ben 1,59km, ma 724 metri inferiore dell'obiettivo di 55,250km/h che Wiggins e il suo staff si erano prefissati .

In un precedente articolo ho messo in luce come  le condizioni atmosferiche sono un elemento molto importante in prestazioni di questo tipo (Link: Record dell'ora e condizioni atmosferiche).

Secondo dichiarazioni trovate in internet le condizioni atmosferiche non erano ideali, o meglio non erano le condizioni che Wiggins e il suo staff si aspettavano:

• Pressione atmosferica: 1029mb
• Temperatura: 31-32 gradi
• Umidità: 34-41%
• Densità dell'aria pari a 1,17 kg/m3

Primo aspetto da valutare e' l'indice di temperatura percepita, un algoritmo che mette in relazione la temperatura con l'umidità. Ne risulta un indice pari a 35-36gradi che rientra (anche se di poco) nella fascia dove la sensazione di malessere e' abbastanza intensa e dove e' consigliato limitare alcune attività' fisiche gravose.

Considerando inoltre una stima della densità dell'aria pari a 1,17kg/m3 e standardizzando alcuni parametri come il coefficiente aerodinamico e l'area frontale possiamo dire che con una densità dell'aria 4% inferiore, Wiggins avrebbe raggiunto la velocità prefissata di 55,250km/h erogando la stessa potenza.

Ma come abbassare la densità dell'aria?

• Aumentando la temperatura di una decina di gradi. Ma con lo stesso livello di umidità la temperatura percepita sarebbe stata così elevata da alterare sicuramente in negativo la prestazione.
• Alzandosi di quota (di circa 320-330metri)

Facile da dire ma non altrettanto da fare ;)

Sarebbe interessante calcolare la potenza erogata, ma non conoscendo con precisione il CdA si rischia di stimare un valore errato.

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Corsa a punti - Analisi video di una gara categoria allievi

Avete mai provato a gareggiare in una "Corsa a punti" su pista?? Con questo video capirete cosa significa.

Assieme all'amico Davide Bastianello (che ringrazio per aver procurato il misuratore di potenza) abbiamo registrato con un telecamera e un misuratore di potenza una "corsa a punti" della categoria allievi. Successivamente abbiamo sincronizzato il video con la potenza, velocità, frequenza cardiaca, cadenza e posizione GPS.

Il risultato lo vedete qua sotto (oppure nel seguente link: Points Race - Kinomap)...buona visione:

In poche parole la gara consisteva nell'affrontare 35 giri della pista lunga 400 metri con un traguardo a punti per i primi 4 classificati (5,3,2 e 1)  ogni 7 giri. Vince colui che ottiene il maggior numero di punti al termine della prova.

La prova e' durata poco meno di 20 minuti a un velocità media di 44,2km/h.

La potenza media erogata dall'atleta e' stata di 301 watt ma e' importante considerare come per un 29,6% del tempo ha erogato una potenza compresa tra i 400 e i 600Watt, e per il 13,7% del tempo a potenze superiori i 600 Watt, segnale che ci fa capire come le variazioni sono state molte e l'intensità della gara elevata.

Il picco di potenza e' pari a 1291Watt ma sono molte le variazioni superiori ai 1000Watt come si può notare dal grafico.

Nella categoria allievi lo sviluppo del massimo rapporto consentito su pista è di 6,83metri, ciò comporta la necessità di sapere sviluppare alte cadenze di pedalata. Infatti la cadenza di pedalata media mantenuta e' pari a 107 RPM, con un picco massimo di 146 RPM.

Per un 63,2% del tempo totale di gara l'atleta ha pedalata a una cadenza compresa tra le 100 e 120 RPM, mentre per un 14,7% a RPM superiori le 120 RPM.

Per vedere il file della gara in maniera piu dettagliata cliccate nel seguente link: analisi selfloops.

Dott. Mattia Michelusi
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Campionato del Mondo su pista: quartetto Nuova Zelanda VS Gran Bretagna

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La Nuova Zelanda ha conquistato il campionato del mondo inseguimento a squadre con un tempo di 3' 54" 088 battendo in finale la Gran Bretagna. 

Il tempo è distante dal record del mondo ottenuto dalla Gran Bretagna durante le Olimpiadi di Londra 2012 (3' 51" 659), ma è importante considerare come la Nuova Zelanda in questi ultimi anni stia investendo molto in quelle che sono le discipline olimpiche ottenendo di anno in anno grandi miglioramenti. Basti pensare come nel campionato del mondo dell'anno scorso a Cali (COL) la Nuova Zelanda ha ottenuto il terzo posto con un tempo superiore di 4,9 secondi.

Ma andiamo a vedere meglio come è stata gestita questa prova nel velodromo di St Quentin-en-Yvelines in Francia.

In questo grafico sono messi a confronto i tempi al giro dei due quartetti (quartetto GB in blu, NZ in verde). La barre invece indicano il tempo di vantaggio (-) o di svantaggio (+) ogni giro della Nuova Zelanda rispetto la Gran Bretagna.

Dopo il primo giro (250 metri) il vantaggio della Nuova Zelanda è di 0,26 secondi. Segno evidente com

Per i primi 2000 metri la Nuova Zelanda rimane al comando guadagnando un vantaggio massimo di mezzo secondo al termine del secondo giro (500 metri). Dal terzo giro la Gran Bretagna inizia a riavvicinarsi alla Nuova Zelanda e solo dopo 9 giri la Gran Bretagna supera la Nuova Zelanda con un vantaggio di 6 centesimi.

Dopo 13 giri sia il quartetto della Nuova Zelanda che della Gran Bretagna perde un uomo rimanendo in 3.

Dopo 13 giri (3250metri) la Gran Bretagna è sempre in testa con un vantaggio di 0,38 secondi, ma da circa 2 giri la Nuova Zelanda sta recuperando terreno (0,13 secondi in 500metri).

Tra il 14º e 15º giro la Nuova Zelanda accelera in maniera importante effettuando 500 metri a 63,79km/h rispetto i 62,41km/h della Gran Bretagna. 

Questa accelerazione ha permesso alla Nuova Zelanda di guadagnare ben 0,63 secondi in 500 metri portandosi al suono della campana con  un vantaggio di 0,25 secondi

Sebbene stava rischiando di perdere il terzo uomo, negli ultimi  250metri la Nuova Zelanda riesce ancora a guadagnare terreno terminando la prova con un tempo di 3' 54" 088 e un vantaggio di 6 decimi rispetto alla Gran Bretagna.

Analizzando i tempi al km si può notare come la Gran Bretagna ha perso tutto nell'ultimo km, in particolare negli ultimi 750 metri (0,98 secondi in 3 giri). Questo dimostra ancora come nell'inseguimento a squadre gli ultimi 4 giri sono quelli che possono fare la differenza.

Anche la componente tecnica e l'affiatamento tra tutti i componenti della squadra è fondamentale. Notate infatti queste due fasi di gara:

    A                                                                                       B

• A: dopo il 13º giro i due quartetti sono rimasti in 3. L'atleta della Nuova Zelanda che conduceva probabilmente non ne era a conoscenza ritardando così il rientro in scia dei propri compagni dopo la fase di cambio. Tutto questo comporta uno sforzo ulteriore da parte dell'atleta in ritardo. Per chiudere un buco di un metro in uno spazio di 50 metri a 63km/h (la velocità di crociera del quartetto durante quel giro), l'atleta in ritardo deve portarsi a 64,26km/h (1,26km/h in più rispetto la velocità dei propri compagni).
• B: durante l'ultimo giro il quartetto della Nuova Zelanda è riuscito ancora a incrementare il vantaggio rispetto la Gran Bretagna. Questa velocità ha rischiato di fare saltare il terzo uomo della Nuova Zelanda che negli ultimi 50-70 metri era in leggero ritardo. Questo apparentemente leggero distacco può compromettere il risultato dell'intera prova in quanto il tempo finale viene preso sul terzo uomo della squadra. A 61km/h (la velocità di crociera del quartetto della Nuova Zelanda durante l'ultimo giro) un metro di distacco comporta un ritardo di 6 centesimi di secondo.

Articoli correlati:

Melbourne 2012: quartetto Gran Bretagna VS Australia

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Forza e Potenza: qual'è la correlazione?

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Per capire meglio questo nuovo articolo vi consiglio la lettura dei due precedenti posts riguardo la forza:

• Forza - Concetti chiave
• Forza nella pedalata

Negli articoli sopraindicati abbiamo visto che cos'e' la forza, quali sono i fattori che determinano i livelli di forza erogabili e l'applicazione di forza durante la pedalata.

• Ma la potenza che cos'è? 
• E' la stessa cosa parlare di forza o di potenza? 
• Qual'e' la correlazione tra forza e potenza?

Per capire tutto ciò riprendiamo il grafico della partenza da fermo massimale registrata con misuratore di potenza:

In questo caso, oltre all'andamento della cadenza di pedalata e della forza, troviamo anche la potenza. Mentre la forza ha un andamento discendente, si può notare come la potenza sia bassa all’inizio, aumenti in modo progressivo e successivamente cali:

• Il picco di potenza (1198 Watt) viene raggiunto dopo quasi 5” a una cadenza di pedalata di 93 RPM con un livello di forza pari a 703 Newton.
• Il picco di forza (1062 Newton) viene raggiunto nei primissimi secondi a una cadenza di pedata di 40 RPM con una potenza pari a 778Watt.

La forza erogata alla massima potenza e' circa 2/3 della forza a 40 RPM. La massima potenza quindi non coincide con la massima forza assoluta erogabile dall'atleta. La potenza infatti dipende da quanta forza applico e a che cadenza di pedalata:

Potenza = Forza X RPM 

Parlare di forza e di potenza non e' quindi la stessa cosa:

• In una partenza da fermo massimale i livelli più elevati di forza si hanno nelle prime pedalate, mentre i livelli massimi di potenza si raggiungono a RPM più elevate.
• In uno sprint massimale lanciato fatto a basse RPM i livelli di forza saranno più elevati rispetto uno sprint effettuato con un rapporto più agile.
• Erogare 300 Watt a 50 RPM o a 100 RPM non e' la stessa cosa. La potenza e' la stessa, ma non la forza.

                                 300 Watt a 50 RPM - 330 N

                                 300 Watt a 100 RPM - 160 N

In questo caso a 50 RPM la forza applicata è circa il doppio che a 100 RPM.

A conferma di quanto detto, nel grafico seguente è visualizzata la registrazione di una prova di 10' a potenza costante con variazioni della cadenza di pedalata:

• In verde la potenza in Watt
• In blu la cadenza di pedalata
• In giallo la forza applicata.

Sebbene la potenza sia costante, si nota come la forza vari continuamente in maniera inversa alla cadenza di pedalata (forza alta a basse RPM, forza bassa ad alte RPM).

Quello che in apparenza sembrava una ripetuta da 10' a potenza costante è in realtà un lavoro con variazioni di forza.

Mai quindi dimenticarsi di indicare anche la cadenza di pedalata quando si imposta un programma d'allenamento!

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Mattia Michelusi
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Altri articoli riguardo Scienza & Sport nel seguente link: Scienza & Sport

La potenza in salita: concetti chiave

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Le gare in salita sono quelle competizioni che presentano difficoltà altimetriche più o meno impegnative.

File SRM di una gara con diverse difficoltà altimetriche

In uno studio che ho effettuato si e' riscontrato che, mediamente, nelle gare con elevate difficoltà altimetriche della categoria Elite/Under 23 si erogano principalmente wattaggi compresi tra 300 e 400 watt (28,78% del tempo totale di gara), mentre vengono erogate potenze superiori ai 600 watt solo per l’1,12% del tempo totale (2’50” dei 253’ medi totali) (Articolo Modello di prestazione).

Particolare attenzione pero' va posta quando si valuta una singola salita.

File SRM di una salita affrontata in gara da un atleta professionista

La salita in analisi presenta le seguenti caratteristiche:

• Distanza:12 km.
• Velocità media: 18,4 km/h.
• Tempo: 39’05”.
• Potenza media assoluta: 296 Watt.
• Dislivello: 882 metri.
• Potenza media relativa: 4,3 Watt/kg.
• Pendenza media: 7,3%.
• Velocità ascensionale media: 1354 m/h.

Quale di questi è il parametro più importante da analizzare per valutare la prestazione ottenuta dal ciclista? 

Per rispondere a questa domanda vi rimando ai due grafici successivi che rappresentano la prestazione ottenuta da due atleti nella stessa salita della lunghezza di 1,86 km con una pendenza media del 6,2%.

Quali dei due ciclisti ha affrontato la salita con il minor tempo? Probabilmente la risposta più scontata sembrerebbe l’ATLETA 2 perché ha erogato una potenza maggiore (50 watt in più rispetto l’ATLETA 1). In realtà per rispondere a questa domanda dobbiamo chiederci qual'e' il peso dei due corridori.
Infatti non dobbiamo dimenticare come il lavoro meccanico esterno compiuto dal ciclista per poter avanzare è condizionato anche dal lavoro compiuto contro la forza di gravità – Wg. Questo lavoro dipende:

• dalla forza di gravità g (che equivale a 9,81 m/s2);
• dalla massa del ciclista più quella della bicicletta (espressa in kg);
• dall’inclinazione del terreno rispetto l’orizzontale (sen γ)

Wg = M · g · sen γ

La componente di forza per vincere la forza di gravità aumenta quindi all’aumentare della pendenza della strada e all’aumentare del peso del ciclista. Un ciclista di peso maggiore deve quindi erogare una potenza maggiore per avanzare alla stessa velocità di un atleta con un peso inferiore. In salita la potenza in Watt deve essere messa in relazione con il peso corporeo dell’atleta (potenza relativa espressa in W/kg). (Maggior informazioni nel seguente link: "Che cos'e' la potenza?" )

Conoscendo il peso dei due atleti presi in analisi si riscontra come la potenza relativa (W/kg) sia la stessa (6,7 W/kg), in quanto l’ATLETA 1 pesa 7 kg in meno rispetto l'ATLETA 2.

ATLETA 1:

Potenza: 357 Watt.
Tempo salita: 3’50”.
Peso atleta: 53 kg.
Potenza/kg: 6,7 W/kg.
Velocità ascensionale media: 1800 m/h.

ATLETA 2:

Potenza: 407 Watt.
Tempo salita: 3’50”.
Peso atleta: 60 kg.
Potenza/kg: 6,7 W/kg.
Velocità ascensionale media: 1800 m/h.

I due atleti hanno quindi affrontato la salita con lo stesso tempo (3' 50").

Continuate a seguire il blog, nel prossimo articolo ulteriori analisi che ci aiuteranno a capire meglio quanto incide il peso dell'atleta e la pendenza della salita 

(Eccovi il link: Potenza in salita nel dettaglio)

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Mattia Michelusi
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www.coachmichelusi.blogspot.it 

Ulteriori articoli riguardo la scienza applicata nello sport clicca qui: Scienza & Sport

Bibliografia:
Di Prampero PE, Cortili G, Mognoni P, Saibene F. Equation of motion of a cyclist. J Appl Physiol. 1979 Jul; 47 (1): 201-6
Di Prampero P. E. La locomozione su terra, aria e acqua. Fatti e teorie. Edi-ermes Milano 1985
Di Prampero. Cycling on Earth, in space, on the Moon. Eur J Appl Physiol. 2000 Aug;82(5-6): 345-60
Michelusi M, Capelli C, Colli R: Tesi di laurea specialistica: Modello di prestazione del ciclista della categoria Elite/Under 23: analisi della potenza meccanica e metabolica erogata (2011)

Scienza e sport

Quelli che s’innamorano di pratica
senza scienza sono come il nocchiero
che entra in naviglio senza timone
o bussola e mai ha la certezza di
dove si vada. Sempre la pratica deve
essere edificata sopra buona teoria.

Leonardo da Vinci 

In questa aforisma di Leonardo Da Vinci è riassunto quello che verrà trattato in questa apposita sezione denominata "Scienza & Sport"; verranno infatti raccolti una serie di articoli che tratteranno metodologia d'allenamento, alimentazione, fisiologia e tutto ciò che può interessare a uno sportivo per allenarsi al meglio!

Vi aggiornero' man mano saranno inseriti nuovi articoli!

Di seguito gli articoli di vostro interesse:

Abstract - Modello di prestazione del ciclista

Allenamento cronosquadre

Analisi della performance

Allenarsi in discesa / Training on downhill

BePro powermeter: BePro VS Ciclomulino

CdA - Stima del coefficiente aerodinamico su campo / CdA - Aerodynamic drag area estimation on the field

Forza - L'interpretazione della forza nel ciclismo

Quanto e' importante la muscolatura del tronco nel ciclismo? / How important is upper-body strength for cycling?

Ripetuta VS Intermittente

Potenza - Che cos'e'?

Potenza in salita - Concetti chiave

Potenza in salita - Analisi in dettaglio

Potenza VS Frequenza Cardiaca

Record dell'ora e condizioni atmosferiche

Team Time Trial - some considerations

Test di valutazione funzionale

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Mattia Michelusi
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Introduzione alla forza

Ecco voi alcuni concetti chiave da sapere quando si parla di FORZA.

La forza muscolare è quella capacità motoria che permette di vincere una resistenza o di opporvisi tramite lo sviluppo di tensione da parte della muscolatura.

I livelli di forza erogabili da un atleta dipendono principalmente da tre fattori:

• Sezione traversa del muscolo - Dimensione del muscolo
• Coordinazione intramuscolare - Coordinazione delle varie fibre che compongono un muscolo
• Coordinazione intermuscolare - Coordinazione dei muscoli che entrano in azione per effettuare un gesto motorio

Come e' possibile vedere dall'immagine seguente la componente nervosa (coordinazione intramuscolare e coordinazione intermuscolare) concorre a dare miglioramenti immediati nei livelli di forza erogabili, mentre l'aumento di massa avviene in tempi più lunghi. 

Grafico ricavato da W. McArdle–E. Katch–V. Katch : Fisiologia applicata allo sport– C.E.Ambrosiana -2000

Infatti il fatto che il principiante al secondo allenamento in palestra alle macchine sollevi i carichi con maggiore facilità rispetto al primo allenamento, è dovuto proprio ad un miglioramento delle capacità di coordinazione muscolare, non certo della massa.

I livelli di forza erogabili dipendono inoltre dalla tipologie delle fibre muscolari attivate:

• Fibre lente - Tipo 1
• Fibre veloci - Tipo 2A e Tipo 2B

Immagine ricavata da W. McArdle–E. Katch–V. Katch : Fisiologia applicata allo sport– C.E.Ambrosiana -2000

Le varie tipologie di fibre rispondono infatti in maniera differente alle scosse motorie inviate dai motoneuroni. Le fibre rapide infatti con una singola scossa erogano livelli di forza più elevati e più velocemente rispetto alle fibre lente.

Le fibre lente, meglio conosciute come fibre rosse, erogano dei livelli di forza più bassi ma sono anche più resistenti alla fatica rispetto le fibre veloci (fibre bianche) in quanto hanno un maggior contenuto di enzimi aerobici.

Immagine ricavata da "Manuale di condizionamento fisico e di allenamento della forza" - a cura di Baechle e Earle

Nelle metodiche di allenamento per gli sport di endurance l’allenamento metabolico ha erroneamente sempre riservato un ruolo molto più importante rispetto all’allenamento della FORZA.

Diversi studi hanno dimostrato come l'allenamento della forza porta dei benefici nella prestazioni di endurance, nella figura a sinistra si può infatti vedere i risultati di uno studio dove viene messa a confronto la media del consumo d'ossigeno durante alcuni minuti di corsa alla velocità submassimale di 4,17m/s in un gruppo E sperimentale che per nove settima ha affrontato un allenamento simultaneo di forza esplosiva ed endurance e in un gruppo C di controllo che per nove settimane ha lavorato esclusivamente sulla componente metabolica (Paavollainen et al. 1999). Si può facilmente notare come alla stessa velocità il gruppo E dopo nove settimane ha un netto miglioramento del consumo energetico.

Prossimamente qualche articolo interessante riguardo la forza applicata nel ciclismo. Link: Forza nella pedalata.

Mattia Michelusi

Email: mattia.michelusi@gmail.com

Modello di prestazione del ciclista - Abstract

Si dichiara che l'autore esclusivo del presente articolo è Michelusi Mattia. A quest'ultimo sono riservati tutti i diritti sull'opera quali l'adattamento totale o parziale, la diffusione e la riproduzione in qualsiasi mezzo in quanto frutto di ricerca e di elaborazioni personali.

Il modello di prestazione deve essere il punto di partenza di ogni allenatore che non vuole commettere errori che possono compromettere la performance dell’atleta. Il modello di prestazione quindi non è altro che una linea guida identificata da una serie di parametri che riassumono le caratteristiche tecniche che mediamente vengono mantenute durante il gesto più specifico di tutti gli sport: la gara.

L’allenatore di ciclismo è sempre andato alla ricerca di uno strumento che fosse in grado di valutare, nel modo più preciso possibile, lo stato funzionale dello sforzo per poter programmare al meglio l’allenamento: tempi addietro ci si basava sulla distanza da percorrere, poi nei primi anni Settanta si iniziò a lavorare basandosi sulla frequenza cardiaca, che però è un dato non del tutto preciso: giornate di stress, con negativi stati psicofisici dell’atleta, la temperatura, l’alimentazione e altri fattori possono infatti alterare la normale risposta cardiaca all’esercizio. È solo negli ultimi trent’anni che ha preso piede tra i ciclisti uno strumento che ormai è diventato un apparecchio affidabile e irrinunciabile per tutti quelli che vogliono raggiungere il massimo delle proprie performance: il misuratore di potenza. Fino ai primi anni Ottanta ci si poteva rivolgere all’ergometro di potenza soltanto nei laboratori, e quindi i corridori non potevano avere una misura istantanea della potenza espressa nel corso dell’allenamento o di una gara. Fu a partire dagli anni Ottanta che cominciò a svilupparsi uno strumento innovativo e sofisticato: l’SRM, un dispositivo da applicare alla bicicletta che permette di rilevare la potenza erogata proprio nell’istante in cui pedaliamo. La potenza infatti è un dato oggettivo, rilevato con precisione, che non viene influenzato da fattori esterni; questo strumento, e tutti i misuratori di potenza nati negli anni a seguire, hanno quindi contribuito in modo preponderante allo sviluppo delle metodiche di allenamento, rendendole molto più precise e specifiche al modello di prestazione richiesto.

L’oggetto quindi della presente ricerca è quello di studiare il modello di prestazione del ciclista (categoria Elite/Under 23) attraverso l’analisi delle gare registrate con misuratore di potenza soffermandosi sui seguenti due aspetti:

• sull’aspetto meccanico: descrizione della potenze meccaniche erogate e tempi durante le quali sono espresse;
• sull’aspetto metabolico: percentuali di % V’O2 Max corrispondenti a tali potenze.;

Hanno partecipato a questo studio 7 ciclisti della categoria Elite - Under 23, i quali si sono sottoposti a tre sessioni di test di valutazione funzionale (misure antropometriche, test incrementale massimale e test a onda quadra) presso il laboratorio di fisiologia dell’Università degli studi di Verona (Novembre 2010, Aprile 2011, Luglio 2011). Ai dati sperimentali oggetto di questa tesi, sono stati affiancati quelli che ho raccolto nel corso della stagione agonistica del 2009 in collaborazione con il Centro Studi della Federazione Ciclista Italiana.

Nel complesso si sono individuate le seguenti informazioni:

• il gran numero di azioni ci conferma che in gara c’è una continua variazione di ritmo, quindi allenamenti a intensità costante non sono specifici al modello di prestazione: in particolare vicino al periodo agonistico è preferibile inserire nell’allenamento lavori di tipo intervallato.
• la cadenza di pedalata maggiormente erogata si installa intorno le 80-110 RPM, mentre non sono presenti tratti in cui si pedala a cadenze di pedalata inferiori le 60 RPM; non è quindi specifico al modello di prestazione lavorare a cadenze di pedalata inferiori le 60 RPM.
• se un corridore vuole competere in salita deve avere almeno 5 – 5,5 W/kg alla VAM (considerando che la VAM, Velocità aerobica massima, può essere mantenuta per un tempo che può andare dai 5 ai 10 minuti).
• si riscontra un’alta percentuale di tempo in cui si lavora a intensità pari al 90-110% del VO2 Max; risulta quindi molto importante inserire nel programma d’allenamento lavori per innalzare la capacità di lavorare a queste intensità
• I ciclisti di questa categoria hanno mediamente una capacità di erogare potenze corrispondenti alla VAM per tempi superiori ai 5’.
• si riscontrano azioni da 5 minuti a wattaggi corrispondenti al 110- 130% del VO2 Max: il ciclista deve quindi essere in grado di erogare queste potenze per almeno 5 minuti.

Ringrazio il Settore Studi della Federazione Ciclistica Italiana, Roberto Colli, Carlo Capelli, Cantor Tarperi e tutti gli atleti coinvolti per la proficua collaborazione che ha portato alla realizzazione di questo studio.

Si dichiara che l'autore esclusivo del presente articolo è Michelusi Mattia. A quest'ultimo sono riservati tutti i diritti sull'opera quali l'adattamento totale o parziale, la diffusione e la riproduzione in qualsiasi mezzo in quanto frutto di ricerca e di elaborazioni personali.

L'articolo completo e' stato pubblicato anche nella rivista "Scienza & Sport" n° 17, un periodico trimestrale, diretto da Ferretto Ferretti e destinato agli allenatori, ai preparatori, ai tecnici e ai riabilitatori di tutte le discipline sportive (http://www.scienzaesport.it ). 

Mattia Michelusi

Email: mattia.michelusi@gmail.com

Ulteriori articoli riguardo la scienza applicata nello sport clicca qui: Scienza e Sport

CdA - Stima del coefficiente aerodinamico su campo

Si dichiara che l'autore esclusivo del presente articolo è Michelusi Mattia. A quest'ultimo sono riservati tutti i diritti sull'opera quali l'adattamento totale o parziale, la diffusione e la riproduzione in qualsiasi mezzo in quanto frutto di ricerca e di elaborazioni personali.

English version: CdA - Aerodynamic drag area estimation on the field

In pianura più del 90% della forza erogata dal ciclista serve per superare la resistenza dell'aria (Fair). Fair non e' l'unica forza che il ciclista deve superare per avanzare (c'e anche la resistenza aerodinamica e la resistenza gravitazionale) ma sicuramente e' la più importante:

Fair = 1/2 * Cda * P * s^2

Ogni variabile di questa formula e' da tenere in considerazione:

P - densità dell'aria

In un precedente articolo abbiamo già parlato dell'importanza della densità dell'aria (Link: Record dell'ora e condizioni atmosferiche): alla stessa potenza con una densità dell'aria più bassa il ciclista  riesce andare a una velocità maggiore perchè l'aria è più rarefatta.

s - velocità 

Una maggiore velocità comporta una maggiore resistenza dell'aria. Aumentando la velocità aumenta quindi la forza necessaria per superare la resistenza dell'aria.

CdA - Drag area

CdA e' il prodotto tra il coefficiente aerodinamico del sistema ciclista+bicicletta (Cd) e l'area frontale (A):

CdA = Cd * A

La densità dell'aria dipende delle condizioni metereologiche che non possiamo cambiare artificialmente a meno che il test non venga effettuato in un velodromo coperto. Una velocità maggiore comporta una maggiore resistenza dell'aria da superare. Quindi, se si vuole risparmiare energie o a pari potenza andare a una velocità maggiore, l'unico fattore che possiamo cambiare e' il CdA - Drag Area. Ma come possiamo diminuire il nostro CdA? Cambiando il telaio della bicicletta, le ruote, il caschetto, il vestiario o la posizione in bicicletta. Sicuramente l'ultima soluzione e' la più semplice e la più economica.

Ci sono diversi metodi per misurare il CdA - Drag Area del sistema atleta + bicicletta. Il più preciso e' effettuare un test in galleria del vento. E' una tecnica molto sensibile per valutare la componente aerodinamica delle ruote e la posizione del ciclista, ma e' molto costosa e non simula le reale condizioni che poi il ciclista incontra nella strada.

Con l'obiettivo di simulare le reali condizioni he il ciclista incontra nella strada, ho scelto una metodo da campo denominato "Method of linear regression analysis" per provare a misurare il mio CdA su campo con misuratore di potenza BePro (sito internet: http://www.bepro-favero.com/). Questo metodo consiste nel misurare la potenza erogata a varie velocità con l'obiettivo di determinare la resistenza che il ciclista deve superare per avanzare, che, secondo l'equazione del moto del ciclista, varia in maniera lineare con il quadrato della velocità.

Average power as a function of average speed (hoods and drops position)

In un tratto di strada pianeggiante ho effettuato con la mia bici da strada varie prove a differenti velocità in posizione alta e in posizione bassa. Ho stimato la densità dell'aria considerando la pressione atmosferica, la temperatura e l'umidità e per ogni step ho registrato la potenza e la velocità media.

Nel grafico a sinistra e' facile intuire come nella posizione bassa la potenza erogata e' minore a pari velocità rispetto al posizione alta. Ciò significa che il coefficiente aerodinamica della posizione bassa e' migliore.

Comunque l'obiettivo di queste prove era quello di stimare il mio CdA delle due posizioni. Con un algoritmo ho così potuto calcolare la regressione lineare tra la resistenza totale che il ciclista deve superare e il quadrato della velocità stimando così i seguenti valori di CdA:

CdA posizione alta: 0,363 m^2

CdA posizione bassa: 0,314 m^2

Quindi il mio CdA della posizione bassa e' inferiore di circa il 13,5% rispetto la posizione alta

Tutto questo cosa significa?

Ciò significa che il tempo finale per effettuare una cronometro di 40km a 300Watt nelle stesse condizioni (strada piatta e dritta, senza vento, stessa densità dell'aria e Crr - resistenza al rotolamento)  sarebbe:

Posizione alta: 1h 02' 42"

Posizione bassa: 0h 59' 52"

Il tempo finale sarebbe quindi 2' 50" più basso solo cambiando la posizione (da posizione alta a posizione bassa).

Si sa che il ciclismo non e' solo matematica, molti fattori possono alterare la prestazione, ma questo semplice test ci permette di capire l'importanza e i vantaggi di una posizione aerodinamica.

Si dichiara che l'autore esclusivo del presente articolo è Michelusi Mattia. A quest'ultimo sono riservati tutti i diritti sull'opera quali l'adattamento totale o parziale, la diffusione e la riproduzione in qualsiasi mezzo in quanto frutto di ricerca e di elaborazioni personali.

Dott. Mattia Michelusi
Email: mattia.michelusi@gmail.com
Web: www.coachmichelusi.blogspot.it 

Bibliografia:
Capelli, C., Rosa, G., Butti, F., Ferretti, G., & Veicsteinas, A. (1993). Energy cost and efficiency of riding
aerodynamics bicycles. European Journal of Applied Physiology, 67, 144–149.
Capelli, C., Schena, F., Zamparo, P., Dal Monte, A., Faina, M., & di Prampero, P. E. (1998). Energetics of best
performances in track cycling. Medicine and Science in Sports and Exercise, 30, 614–624.
Di Prampero PE, Cortili G, Mognoni P, Saibene F. Equation of motion of a cyclist. J Appl Physiol. 1979 Jul; 47 (1): 201-6
Di Prampero P. E. La locomozione su terra, aria e acqua. Fatti e teorie. Edi-ermes Milano 1985
Di Prampero. Cycling on Earth, in space, on the Moon. Eur J Appl Physiol. 2000 Aug;82(5-6): 345-60
Martin, J. C., Milliken, D. L., Cobb, J. E., McFadden, K. L., & Coggan, A. R. (1998). Validation of a mathematical model for road cycling power. Journal of Applied Biomechanics, 14, 245–259.
Olds T.S., K.I. Norton, and N.P. Craig. Mathematical model of cycling performance. J. Appl. Physiol. 75 (2): 730-737, 1993

Gran Bretagna VS Australia - Melbourne 2012

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Gran Bretagna VS Australia: finale della prova inseguimento a squadre quartetto a Melbourne (4 aprile 2012).

Non avendo dati di potenza ho dovuto effettuare questa analisi dai video della prova e dal cronometro:

Andamento tempi al giro dal 2° al 16° giro (confronto tra Gran Bretagna e Australia):

Tempo al giro: confronto tra Gran Bretagna e Australia

Andamento ritardo del quartetto Australia sul giro e sul tempo totale:

Andamento ritardo del quartetto Australia sul giro e sul tempo totale

Si può notare come il tempo medo mantenutio dall'AUSTRALIA dopo il primo giro (14,17'') sia leggermente inferiore (-0,02 sec) rispetto il tempo mantenuto dalla GRAN BRETAGNA (14,19''); infatti un punto dolente in questa prova del quartetto AUS è stata la partenza dove ha lasciato alla GB 0,320 secondi.

Dall'ultimo grafico si può notare come il quartetto AUSTRALIANO dopo un primo giro in ritardo di 0,320 secondi abbia subito aumentato il ritmo con un progressivo calo del ritardo totale fino a stabilizzarsi sul tempo del quartetto GB intorno il 7° - 8° giro. Successivamente il quartetto GB ha aumentato ritmo riportandosi così in testa.

Sia il quartetto GB che AUS a meno tre giri avevano perso un uomo, questo ha causato un calo netto del ritmo alla GB, mentre il quartetto AUS è riuscito gestirsi meglio recuperando ben quasi 0,7 secondi solo nellultimo giro.

Interessante sarebbe analizzare le tirate di ogni uomo del quartetto e la cadenza di pedalata effettivamente erogata, cosa però non fattibile con i video a mia disposizione.

Un altro interessante particolare è la diversa posizione delle braccia mantenute dagli atleti del quartetto GB rispetto il quartetto AUS.

Confronto posizione mantenuta dagli atleti del quartetto GB e AUS

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Mattia Michelusi

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Milano - Sanremo 2012

Analisi della Milano - Sanremo 2012 vinta da Simone Gerrans. I dati sono stati ricavati dal sito www.trainingpeaks.com

Mattia Michelusi
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Analisi cronometro mondiale Richmond categoria prof

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Article in english: Men Elite ITT WC: pacing analysis

Vasil Kiryienka ha vinto a Richmond il titolo mondiale della chronometer individuale percorrendo i 53,5 km in 1:02:29 davanti all'italiano Adriano Malori, che e' giunto con 9 secondi di ritardo. Il francese Jerome Coppel e' giunto terzo con un ritardo di 27 secondi.

Chart 1: ritmo dei primi dieci classificati

Ecco i primi dieci arrivati:

1 - KIRYIENKA Vasil BLR

2 - MALORI Adriano ITA

3 - COPPEL Jerome FRA

4 - CASTROVIEJO Jonathan ESP

5 - DUMOULIN Tom NED 

6 - DENNIS Rohan AUS

7 - MARTIN Tony GER 

8 - BODNAR Maciej POL

9 - BIALOBLOCKI Marcin POL

10 - MOSER Moreno ITA

Nel grafico e' rappresentato il ritmo mantenuto dai primi dieci classificati considerando l'andamento della velocità media nei tre intertempi e all'arrivo.

La velocità di Vasil Kiryienka e' stata di 51,37km/h, e' stato il piu' veloce sin dal primo intertempo , ma Adriano Malori e' riuscito diminuire il distacco durante la cronometro. 

Chart 2: velocità media erogata in ogni segmento dai primi dieci classificati

Infatti piu' interessante e' analizzare la velocità media in ogni segmento di gara dei primi dieci classificati (chart 2).

Vasil Kiryienka ha effettuato il tempo migliore ma non e' sempre stato il più veloce durante la cronometro, infatti nel secondo e terzo segmento il più veloce e' stato Adriano Malori.

Nell'ultimo segmento il più veloce e' stato il polacco Bialoblocki, ma Malori ha confermato anche in questo tratto il trend positivo rispetto Kiryienka.


Ottima seconda parte di cronometro dell'altro italiano Moreno Moser che ha affrontato l'ultimo segmento della cronometro allo stesso ritmo dei migliori.

Il favorito Tony Martin e' partito veloce (secondo tempo nel primo tratto) ma poi non e' riuscito mantenere il ritmo adeguato. In un'intervista a cyclingnews.it ha affermato:

"From the start and in the first eight kilometres I felt okay and that I had the power but when I entered the tailwind section I quickly lost my rhythm. It was too fast for me and I couldn’t handle the RPM and I didn’t expect this. Then on the uphill sections I couldn’t find my rhythm and I lost morale. I couldn’t get it back and it wasn’t my day. For the second half of the race it was more of a mental problem than a physical one."

Quanto detto da Tony Martin conferma l'andamento riscontrato nel grafico (chart 2). Si nota infatti  che dal secondo segmento il suo ritmo non e' mai stato a livello dei primi classificati.

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Dott. Mattia Michelusi

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Data: 24/09/15

Che cos'e' la Potenza?

Ogni locomozione umana è costituta da un lavoro meccanico che devono compiere i muscoli interessati per un determinato movimento; il lavoro meccanico totale (Wtot) è quindi il risultato della somma del lavoro esterno (West), che consiste nel lavoro compiuto per vincere le forze esterne con l’obiettivo di ottenere lo spostamento del centro di massa,  con il lavoro interno (Wint), cioè le variazioni di energia cinetica dei segmenti corporei i cui spostamenti non causano uno spostamento del centro di massa, ma servono per accelerare o decelerare i segmenti corporei rispetto il centro di massa stesso, per vincere le resistenze dei tessuti corporei. 

I punti di contatto tra il ciclista e la propria bicicletta sono cinque, suddivisi tra sella, pedali e manubrio. Questo permette al centro di massa di rimanere ad un’altezza costante rispetto al terreno, a differenza ad esempio della corsa a piedi dove c’è una continua variazione dell’altezza del centro di massa. Questa standardizzazione del gesto atletico permette al ciclista di compiere un lavoro in quantità minore per accelerare gli arti inferiori, mentre quasi esclusivamente per vincere le forze esterne che sono costituite dagli attriti dovuti al rotolamento dei pneumatici sul terreno, dai vari ingranaggi della bicicletta (movimento della catena sui pignoni e corone, rotazioni mozzi delle ruote, movimento pedivelle rispetto il movimento centrale dei pedali), dalla resistenza dell’aria e dalla forza di gravità (che interagisce quando il ciclista avanza in salita). Tutti questi fattori variano a secondo del luogo, del mezzo utilizzato, della posizione assunta dal ciclista e delle caratteristiche del percorso.

Riassumendo quindi il lavoro meccanico esterno (West), che è espresso in J/m, è dato dall’attrito dei pneumatici con il terreno e degli ingranaggi (Wr espresso in J/m), dalla resistenza dell’aria (Wa espresso in J/m) e dal lavoro compiuto contro la forza di gravità (Wg espresso in J/m).

West = Wr + Wa + Wg

A riguardo P. E. di Prampero fu uno degli studiosi più importanti, che infatti analizzò in modo approfondito questo argomento, individuando un’equazione di moto del ciclista, descrivendo così quali sono i parametri che vanno a determinare la potenza meccanica erogata dal ciclista (Di Prampero, P. E., G. Cortili, P. Mognini, e F. Saibene, Equation of motion of a cyclist.- 1979).

Moltiplicando infine il West (J/m), per la velocità di percorrenza (espressa in m/s), si ottiene la potenza meccanica esterna (W’est che si esprime in Watt) che il ciclista deve erogare per avanzare a una determinata velocità rispetto il suolo:

W’est = West ∙ v

Questo però è vero solo se la velocità è costante e si è in assenza di vento, ovvero la velocità rispetto al suolo sia uguale alla velocità rispetto all’aria.

Oltre al lavoro esterno c’è da considerare quello interno per unità di tempo (W’int che viene espresso in Watt) che dipende dalla frequenza di pedalata (f espressa in Hertz) e dalla massa del soggetto (m espressa in kg). Si è visto che W’int corrisponde a circa il 6-8% della potenza totale sviluppata dal soggetto data dalla somma di W’est più W’int (di Prampero, 1985).

W’int = 0,1 ∙ m ∙ f³

Da tutto questo si può quindi ricavare: 

W’ tot = W’ est + W’ int

La potenza erogata dal ciclista è quindi un parametro meccanico facilmente stimabile conoscendo principalmente il peso dell’atleta e del mezzo meccanico, la pendenza della strada e la velocità del ciclista. 

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Mattia Michelusi

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Ulteriori articoli riguardo la scienza applicata allo sport nel seguente link: Scienza e Sport

Bibliografia:

Di Prampero PE, Cortili G, Mognoni P, Saibene F. Equation of motion of a cyclist. J Appl Physiol. 1979 Jul; 47 (1): 201-6

Di Prampero P. E. La locomozione su terra, aria e acqua. Fatti e teorie. Edi-ermes Milano 1985

Di Prampero. Cycling on Earth, in space, on the Moon. Eur J Appl Physiol. 2000 Aug;82(5-6): 345-60