Materiali a confronto: vibrazioni e confort

fast pirate

Apprendista Passista
26 Agosto 2009
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Qual'è il miglior materiale per il telaio?
Viste le numerose discussioni in ambito di materiali, ho pensato di inserire un interessante articolo (presente anche su una rivista del settore) riguardante una ricerca americana del Center for Sport Innovation del MIT di Boston, che ha testato tre dei quattro materiali ricorrenti in ambito telaistico, ovvero acciaio, alluminio e carbonio. Cerco di sintetizzare il più possibile l'articolo, altrimenti il tutto risulterebbe troppo lungo. Ho sottolineato i risultati del test in maniera sintetica, per chi non volesse leggere l'articolo (seppure sia necessario farlo, per capire appieno lo scopo e il risultato di questo test). In allegato i dettagli del test: specifiche, foto e grafici statistici riguardanti il confronto tra alluminio(AL) carbonio(CF) e acciaio(ST).

'Premessa: la ricerca è stata effettuata su iniziativa dello stesso Center for Sport Innovation, e non è stata quindi commissionata da nessuna realtà commerciale esterna al centro; c'è stato solo il supporto di Cervelo che ha fornito le tre bici, tre modelli identici per geometria e dimensioni, ma costruiti in tre materiali differenti.
Lo scopo dell'esperimento è stato quello di misurare gli effetti delle vibrazioni trasmesse dalla strada sulle prestazioni ciclistiche, quindi l'analisi e la quantificazione della relazione intercorrente tra le vibrazioni prodotte dal fondo stradale e le prestazioni atletiche del ciclista.
Per condurre l'indagine il CSI ha provveduto ad approntare una pedana rotante, un treadmil, con velocità regolabile equipaggiata con un piccolo gradino in poliuretano in grado di produrre a ogni giro completo del tappeto una sollecitazione di intensità nota. La velocità di questo apparato è rimasta costante a 19,3 km/h per tutta l'esecuzione dei test, così come la sua inclinazione fissata a una pendenza del 5%. Per misurare la risposta dinamica dei telai e i conseguenti livelli di confort in sella, si è provveduto a dotare la bicicletta di un accelerometro a tre assi posizionato sul canotto reggisella in grado di registrare intensità e distribuzione in frequenza della sollecitazione. Inoltre la bicicletta è stata equipaggiata con una guarnitura Sram Powermeter allo scopo di poter monitorare potenza sviluppata, cadenza e frequenza cardiaca. E' stato poi monitorato il consumo di ossigeno del tester.
Tutte le variabili dipendenti sono state per quanto possibile ridotte o eliminate: le tre biciclette, costruite dal medesimo cotruttore, avevano il medesimo design e la medesima taglia, stessa componentistica e stesse ruote gommate e gonfiate nella stessa identica misura(7.6bar). Identica pure la posizione relativa dei punti di contatto con le mani, soprassella e piedi del tester, un soggetto di buon spessore agonistico (Kevin Monohan, US pro crit champ) di 182 cm e 79,5 kg. Il protocollo di test utilizzato ha considerato un avviamento progressivo del tappeto, e al raggiungimento della cadenza prefissata, impostata dalla velocità di rotazione del tappero(mantenuta costante), il mantenimento dell'attività a regime per la durata di cinque minuti consecutivi.
I segnali provenienti dall'accelerometro(rilevati al passaggio del gradino sulla ruota posteriore), nella loro specifica caratteristica energetica dipendente dalla risposta dei materiali dei telai, sono stati quindi accertati attraverso il calcolo dello spettro di densità di potenza (la densità spettrale di potenza di un segnale è, in sintesi, la distribuzione della potenza del segnale in funzione della frequenza). La richiesta energetica al vaglio dell'analisi del consumo di ossigeno dettata dall'impiego del telaio in alluminio si è dunque rivelata leggermente inferiore (38,6 ml/kg-m) rispetto alla fibra di carbonio(39,2 ml(kg-m) e all'acciaio(40,3 ml/kg-m), determinando una richiesta energetica per ciascuno dei telai citati pari a: 221W(alluminio), 224W(carbonio) e 227W(acciaio). Valori tutto sommato non troppo lontani tra loro, anche se rivelatori di una tendenzialmente differente efficienza energetica.
Se questa ricerca non pare abbia fatto emergere novità eclatanti rispetto a quanto si sarebbe ipotizzato, per certo ha fornito qualche interessante spunto di riflessione, offrendo la possibilità di stabilire un punto fermo nella valutazione dei vari materiali usati nella telaistica nel loro essere interdipendenti con il rispettivo utilizzatore. Da un lato abbiamo la certezza scientifica che un materiale come l'alluminio si presta ad essere interpretato come il materiale più efficiente tra quelli esaminati, cosa che si desume dai dati relativi al consumo di ossigeno e alla potenza richiesta per eseguire lo stesso gesto atletico. La capacità di trasformare l'energia della pedalata in movimento di questo materiale è quindi evidente, anche se parliamo di una differenza tutto sommata abbastanza contenuta se ci riferiamo alla potenza: all'incirca l'1.7% in più rispetto alla fibra di carbonio e il 2.8% in più rispetto all'acciaio. Per contro, l'alluminio si rivela la meno confortevole tra i materiali esaminati con differenze più consistenti, contemplando delle sollecitazioni che arrivano a stimare anche fino al 10% in più rispetto agli altri materiali con cui si è confrontata.
Acciaio e Carbonio: la fibra di carbonio e l'acciaio si trovano molto vicini l'un laltra in termini di efficacia di riduzione delle sollecitazioni, anche se il carbonio si attesta su di un livello di ''damping'' leggermente inferiore, diciamo del tutto irrisorio (0.04 G) rispetto a quello dell'acciaio. Contemporaneamente il carbonio trasferisce alla sella un più ampio spettro di frequenze con un modulo segnato da minori valori di picco rispetto all'alluminio. Per il composito, l'effetto di maggiore smorzamento è stato registrato attorno al range dei 30-35Hz, mentre il minore attorno ai 60Hz.
Pur non avendo primeggiato nè in termini di smorzamento(ma avendo però quasi pareggiato con il composito) nè in termini di rendimento energetico, da un certo punto di vista la performance registrata dall'acciaio risulta commendevole. Si tenga infatti conto che il test è stato condotto su di una pendenza del 5%, troppo poco per parlare di salita impegnativa, ma sufficiente per cominciare a fare emergere la penalità gravitazionale che un materiale sensibilmente più pesante dell'alluminio e del carbonio registra e sconta inevitabilmente. Non abbiamo dati che ci indichino con esattezza quali siano stati i pesi dei telai in esame, ma riteniamo che la struttura costruita in acciaio possa essere considerata almeno il 20% più pesante dei telai concorrenti e quindi, se si analizzassero le prestazioni registrate in rapporto con questo dato, si potrebbe tranquillamente parlare di una prestazione piu che digitosa per l'acciaio, non data probabilmente per scontata il giorno prima del test del CSI. Interessante sarebbe stato verificare, nei fatti, anche l'incidenza di un materiale telaistico intrinsecamente più pesante anche in condizioni di salita più impegnativa, così come pure in perfetto piano, dove per certo l'acciaio si sarebbe mostrato ancora più competitivo, affrancandosi una volta per tutte dal suo status odierno che lo vuole in obsolescenza rispetto ai materiali allineati al trend corrente.
Non dimentichiamoci però che l'analisi del CSI è stata indirizzata all'identificazione e alla quantificasione della relazione tra le vibrazioni prodotte dal fondo stradale e le prestazioni atletiche del ciclista. Un limite che possiamo intravedere in questo test e riconosciuto dagli stessi autori, è la durata complessiva del test stesso, protratta solo per cinque minuti. In questo ristretto arco di tempo, la varianza(intesa come indice di dispersione statico) tra i dati di vibrazione trasmessi dalla strada osservati tra le tre biciclette appare non avere sostanzialmente un particolare effetto sulle performance ciclistiche. Insomma, tutto lascia ipotizzare che una bicicletta particolaremnte rigida possa essere associata al sensibile innalzamento del costo energetico quando utilizzata sulle lunghe distanze. Nello stesso testo del documento discusso dai tecnici del CSI, si rende evidente che vi è la motivata convinzione che l'azione di smorzamento propria del telaio possa determinare un benefico effetto sulla performance sportiva dell'atleta quando impegnato su lunghe distanze. In particolare, questa ipotesi viene riaffermata a proposito del telaio in fibra di carbonio, materiale in grado di risultare particolarmente efficace nel range di frequenze che, secondo la normativa ISO 2631-1, risultano più dannose nei confronti delle prestazioni fisiche.

Resta l'obbligo di precisare di non incorrere in grossolane generalizzazioni nell'analizzare i risultati di questo test. Se da un lato le variabili che possono essere introdotte nella costruzione di un telaio metallico siano tutto sommato abbastanza circoscritte, sostanzialmente perchè i kit di tubazioni in acciaio e in alluminio appartenenti alla fascia qualitativa più alta tendono ad assumere caratteristiche simili tra loro(qualità del materiale, spessori,rinforzi e diametri), i margini di manovra che invece contempla la fibra di carbonio possono ritenersi ancora abbastanza ampi poichè il costruttore del telaio è al tempo stesso costruttore del materiale. In questa osservazione conviene anche lo stesso dottor Blair [l'artefice della ricerca]:''la trasmissione delle vibrazioni attraverso il telaio è condizionata da una varietà di variabili, incluso il materiale con cui è costruito, lo spessore dei tubi, lo stile dei raccordi, ecc. QUindi la valutazione è corretta, ma in questo senso il risultato vale solo rispetto ai tre telai testati. La ragione per la quale abbiamo selezionato questi tre telai è stata quella per cui tutti e tre adottano la stessa geometria e in questo modo possiamo quindi almeno eliminare questo fattore delle variabili che influenzano il risultato''. Aggiunge poi il dottor Kim Blair:''Con questi risultati non vogliamo assolutamente sostenere che ogni telaio in acciaio sia piu confortevole di qualsiasi telaio in carbonio. L'unica maniera per effettuare una valutazione è quella di testare specificatamente ognuno di essi. Il vero vantaggio del composito è costituito dalla libertà che hai di poterne manipolare ogni aspetto a livello molto localizzato. Puoi costruire delle parti che intendi far risultare rigide quanto vuoi e altre parti che dovranno risultare cedevoli quanto vuoi che lo siano''.
Si attende una seconda parte del test relativa alla valutazione sulle lunghe distanze.'
 

Allegati

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fast pirate

Apprendista Passista
26 Agosto 2009
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Inserisco i significati dei grafici presenti nell'allegato.
Grafico 1, Result-Vibration: in ordinata l'intensità della vibrazione rilevata dall'accelerometro posto sotto la sella in una scala di valori espressa in 'g'; in ascissa i valori di tempo espresso in 's'. Una buona approssimazione del valore medio di 'g' è pari a 9,822 m/s2, quindi posto a circa 2,8 g il valore massimo rilevato nell'impatto della ruota anteriore, la vibrazione registrata sul reggisella avrà una intensità pari a 27,5 m/s2 e una durata inferiore al decimo di secondo.
Grafico 2, Result-Vibration: in questo grafico, relativo agli effetti sulla ruota posteriore, è possibile osservare i dati di massima accelerazione, che per il telaio in alluminio sono di circa il 10% piu alti che negli altri due materiali. Oltre al valore massimale, però, la risposta all'accelerometro visualizza per l'alluminio anche un range più ampio rispetto ad acciaio e carbonio. ENtrambi questi risultati sono statisticamente rilevanti.
Grafico 3, Results Vibration: in questo grafico è possibile osservare il risultato dell'analisi PSD(Power Spectarl Density), calcolata come media aritmetica su sedici singole rilevazioni PSD. Si ribadiscono il picco del risultato del telaio in lega di alluminio e la distribuzione spettrale del risultato del telaio in carbonio, che mostra una spiccata propensione a smorzare intorno alle frequenze a 35Hz.
Grafico 4, Results- Rider Parameters: in questo grafico ad essere presi in considerazione sono i parametri fisiologici del tester. I tre istogrammi, da sinistra a destra, si riferiscono alla potenza erogata (in watt misurati con la guarnitura sram) per esprimere l'identico lavoro a cui sono stati chiamati i tre telai, alla frequenza cardiaca(in battiti per minuto) e al consumo di ossigeno(in millimetri per kg di peso al minuto). Tanto maggiore è questo valore, tanto minore è l'efficienza energetica della tipologia di telaio utilizzato.
 
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carlo b.

Guest
ok. allora l'alu e'il + reattivo. se lo si associa ad una geometria nn esasperata, dovrebbe essere il max...
altro che carbonio :mrgreen:

pero': "Per contro, l'alluminio si rivela la meno confortevole tra i materiali esaminati con differenze più consistenti, contemplando delle sollecitazioni che arrivano a stimare anceh fino al 10% in più rispetto agli altri materiali con cui si è confrontata."

han scoperto l'acqua calda...
 

cicquetto

Apprendista Velocista
14 Novembre 2006
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massa [BN]
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Bici
cervélo r3 2009
finalmente in bel thread tecnico e interessante.

penso sia stato detto gia abbastanza ma non tutto.

il composito oltre a poter giocare a piacimento sulle sezioni può essere progettato localmente secondo le specifiche esigenze. inoltre il test è stato effettuato su un "generico" telaio in carbonio, andrebbe fatta un'analisi tra i vari tipi di fibra per vedere la piu comfortevole e paragonare questa con i telai in metallo.

a fronte di queste considerazioni il composito esce maggiormente vincitore, se invece valutiamo il rapporto qualità prezzo (e la possibilità di avere un telaio in acciaio su misura a prezzi ragionevoli) allora l'acciaio dovrebbe essere piu che rivalutato.

un vero peccato che manchi il titanio
 

fast pirate

Apprendista Passista
26 Agosto 2009
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Si vero, peccato manchi il titanio!!!
Comunque certo, il test non è generico, e come specificato alla fine, quei specifici risultati sono validi esclusivamente per i tre telai testati.
Ma sarete comunque daccordo che possano essere presi come risultati medi..
 

teo541

Pedivella
3 Giugno 2009
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Wilier Izoard XP
il composito oltre a poter giocare a piacimento sulle sezioni può essere progettato localmente secondo le specifiche esigenze. inoltre il test è stato effettuato su un "generico" telaio in carbonio, andrebbe fatta un'analisi tra i vari tipi di fibra per vedere la piu comfortevole e paragonare questa con i telai in metallo.
un vero peccato che manchi il titanio

Vero anche che allora sarebbe necessario testare le diverse leghe dell'acciaio, visto che tra una comune tubazione CrMo e i "nuovi" inox passa una differenza di rigidità notevole.
Quoto per il titanio, visto che sento parlare tanto di comodità leggendaria di questo materiale, sarebbe interessante sapere più o meno come si attesta nel confronto.
 

TripleAcc

via col vento
2 Ottobre 2009
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Premesso che lo studio non pare recentissimo e che il carbonio avrebbe potuto nel frattempo guadagnare qualcosina parrebbe che complessivamente il materiale

NON CONTI UN TUBO! :mrgreen:
 

teo541

Pedivella
3 Giugno 2009
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Bici
Wilier Izoard XP
il modulo elastico è praticamente lo stesso di conseguenza a parità di sezione la rigidità è la stessa.
;nonzo%
Round mi vuoi dire che tra i tubi del mio "povero" telaio artigianale fatto coi Deda Zero1 e quelli di un Columbus XCR, l'unica differenza è sostanzialmente... il peso? Cioè che i tubi inox si possono lavorare a spessori più sottili e quindi parità di sezione...?
(tralasciando il fatto che un tubo CrMo non è inossidabile e non posso piangerci sopra quando arrivo alla meta)
 

round

Apprendista Passista
26 Giugno 2007
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;nonzo%
Round mi vuoi dire che tra i tubi del mio "povero" telaio artigianale fatto coi Deda Zero1 e quelli di un Columbus XCR, l'unica differenza è sostanzialmente... il peso? Cioè che i tubi inox si possono lavorare a spessori più sottili e quindi parità di sezione...?
(tralasciando il fatto che un tubo CrMo non è inossidabile e non posso piangerci sopra quando arrivo alla meta)

non proprio così , non solo il peso , sono sostanzialmente uguali dal punto di vista della rigidità a parità di diametro e spessore in sezione.

Cioè che i tubi inox si possono lavorare a spessori più sottili e quindi parità di sezione...?sono praticamente uguali.
 

teo541

Pedivella
3 Giugno 2009
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non proprio così , non solo il peso , sono sostanzialmente uguali dal punto di vista della rigidità a parità di diametro e spessore in sezione.

Cioè che i tubi inox si possono lavorare a spessori più sottili e quindi parità di sezione...?sono praticamente uguali.

Eh, s'impara!
Vale lo stesso per le leghe di alluminio? O ci sono leghe più o meno rigide/elastiche?
Tipo: un classico del linguaggio markettaro è che le leghe con lo scandio sono rigidiSSime. Vero?
 

round

Apprendista Passista
26 Giugno 2007
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Eh, s'impara!
Vale lo stesso per le leghe di alluminio? O ci sono leghe più o meno rigide/elastiche?
Tipo: un classico del linguaggio markettaro è che le leghe con lo scandio sono rigidiSSime. Vero?
i benefici dell' aggiunta di scandio nella lega di al sono altre , incrementa di molto poco il modulo di elasticità sel materiale , dal punto di vista della rigidità è praticamente lo stesso.
 

abatta68

Scalatore
7 Novembre 2008
6.191
319
torino
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Bici
Gios Prodigiosa
...si si...possiamo disquisire all'infinito su materiali, sezioni dei tubi, leghe varie... ma tornando all'indagine del test (fatto da Cervelo e proposto anche su una rivista italiana pochi mesi fa e che ho letto nella sua interezza) quello che sostanzialmente si dice è che il risultato più "eclatante" se cosi vogliamo definirlo è un 10% di vibrazioni in più dell'alluminio rispetto all'acciaio e al carbonio. Sai che roba, vien da dire! Tra l'altro questo 10% è la quantificazione di tutte le vibrazioni rilevate alle varie frequenza alle quali i telai sono stati sottoposti, anche a quelle meno probabili e comunque meno comuni nell'uso comune. Dopodichè questo famoso 10% sta a significare, sempre secondo la prova proposta,che il telaio inciderebbe sul comfort generale della bici completa per un esiguo 10%, il che induce a pensare che ci siano componenti di gran lunga maggiormente responsabili al raggiungimento di un elevato livello di comfort in sella, presumibilmente ruote, copertoncini o tubolari, sella e, non per ultima la corretta postura. Credo sia importante questa prova proposta dal nostro amico, non tanto per la completezza (come si diceva la prova è stata fatta per un periodo di 5min, in laboratorio,ecc) ma perchè ci riporta un pò alla vera dimensione del problema tanto discusso in questo forum, ovvero quanto incide il materiale utilizzato per la costruzione di un telaio sul comfort generale della nostra bicicletta? al max per il 10%...
 

abatta68

Scalatore
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Gios Prodigiosa
pero': "Per contro, l'alluminio si rivela la meno confortevole tra i materiali esaminati con differenze più consistenti, contemplando delle sollecitazioni che arrivano a stimare anceh fino al 10% in più rispetto agli altri materiali con cui si è confrontata."

han scoperto l'acqua calda...
...beh...per scoprire l'acqua calda serve qualcuno che inventi un termometro per misurarne la temperatura! il test fatto attraverso apparecchiature specifiche serve proprio a questo... quello che ognuno di noi sa o pensa di sapere viene da quello che ha letto, o no? :mrgreen:
 

bicimix

Ammiraglia
6 Agosto 2009
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ABRUZZO sulla costa adriatica!
www.strava.com
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7 Tour de France consecutivi!
...si si...possiamo disquisire all'infinito su materiali, sezioni dei tubi, leghe varie... ma tornando all'indagine del test (fatto da Cervelo e proposto anche su una rivista italiana pochi mesi fa e che ho letto nella sua interezza) quello che sostanzialmente si dice è che il risultato più "eclatante" se cosi vogliamo definirlo è un 10% di vibrazioni in più dell'alluminio rispetto all'acciaio e al carbonio. Sai che roba, vien da dire! Tra l'altro questo 10% è la quantificazione di tutte le vibrazioni rilevate alle varie frequenza alle quali i telai sono stati sottoposti, anche a quelle meno probabili e comunque meno comuni nell'uso comune. Dopodichè questo famoso 10% sta a significare, sempre secondo la prova proposta,che il telaio inciderebbe sul comfort generale della bici completa per un esiguo 10%, il che induce a pensare che ci siano componenti di gran lunga maggiormente responsabili al raggiungimento di un elevato livello di comfort in sella, presumibilmente ruote, copertoncini o tubolari, sella e, non per ultima la corretta postura. Credo sia importante questa prova proposta dal nostro amico, non tanto per la completezza (come si diceva la prova è stata fatta per un periodo di 5min, in laboratorio,ecc) ma perchè ci riporta un pò alla vera dimensione del problema tanto discusso in questo forum, ovvero quanto incide il materiale utilizzato per la costruzione di un telaio sul comfort generale della nostra bicicletta? al max per il 10%...

Ora capisco perchè alcuni ciclisti un pò attempati con telai in carbonio più o meno top poco dopo che comprano le fulcrum 0, shamal o simili le danno via, perchè quel famoso 10% di differenza viene recuperato appunto dalle ruote!!!:azz :azz :azz
 

fast pirate

Apprendista Passista
26 Agosto 2009
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...si si...possiamo disquisire all'infinito su materiali, sezioni dei tubi, leghe varie... ma tornando all'indagine del test (fatto da Cervelo e proposto anche su una rivista italiana pochi mesi fa e che ho letto nella sua interezza) quello che sostanzialmente si dice è che il risultato più "eclatante" se cosi vogliamo definirlo è un 10% di vibrazioni in più dell'alluminio rispetto all'acciaio e al carbonio. Sai che roba, vien da dire! ...........
Solo due cose: il test non è stato fatto da cervelo, ma dal Center for Sport Innovation del Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, USA, diretto dai dott Blair, Culligan e Hastings e coadiuvato dal Department of Exercise Science; Cervelo si è esclusivamente proposta di offrire i telai; al posto di cervelo poteva esserci qualsiasi altra azienda.. Con i tests e i risultati e l'iniziativa Cervelo non centra nulla. Chiariamo questa cosa per evitare di pensare che possano esserci interessi a riguardo (del resto è stato specificato anche nel testo).
Poi, il 10% del confort è scaturito in relazione a quei mezzi(=quei telai specifici, con quella specifica geometria, con quelle specifiche ruote, con quella specifica pressione di gonfiaggio, ecc) con quelle variabili (pendenza pari al 5%, determinata altezza X del gradino, ecc). Innanzitutto con altri telai di diverse marche e diverse geometrie i risultati (come già evidenziato) potrebbero essere diversi (15% piuttosto che 6% o 2%, certo non differenze clamorose); poi il risultato devi svilupparlo per un periodo di tempo ed una distanza più vasta.. 10% nell'arco di 6 ore permetti che non sono proprio un inezia.
Ma discorso analogo (secondo me) vale anche se piuttosto consideriamo i vantaggi dell'alu rispetto al carbonio.