Integrated aerodynamic and biomechanical analysis of paralympic tandem time-trial cycling

Paralympic tandem time-trial cycling represents a complex performance problem in which two athletes form a coupled aerodynamic and biomechanical system. Aerodynamic interaction between pilot and stoker and posture-dependent geometric constraints introduce challenges that cannot be addressed through single-rider optimisation alone. The main scientific question addressed in this thesis is how aerodynamic performance and biomechanical sustainability interact across different tandem configurations, and whether aerodynamically optimised postures introduce measurable biomechanical penalties. A fully integrated experimental–numerical framework was implemented. Computational fluid dynamics (CFD) simulations were performed on detailed three-dimensional reconstructions of real pilot–stoker configurations. Multiple tandem setups were analysed by systematically varying pilot posture, stoker posture, and inter-rider spacing. Aerodynamic performance was quantified through effective drag area (CdA), cumulative drag distributions, and qualitative flow-field analysis. Across the investigated configurations, global CdA varied by 7%, and the results demonstrated that tandem performance is dominated by nonlinear interaction effects and that aerodynamic improvements are inherently non-additive. Posture modifications that reduce drag in isolation may be offset by unfavourable wake coupling within the two-rider system. Biomechanical assessment was conducted using full-body inertial motion capture, musculoskeletal modelling, and surface electromyography (EMG) acquired under controlled laboratory conditions. Joint kinematics, cycle-averaged muscle activation patterns, and fatigue-related indicators were evaluated across riding positions. Results indicate that lower-limb kinematics and neuromuscular coordination timing remain robust despite substantial upper-body posture changes. Rather than inducing a global increase in fatigue, aerodynamically aggressive positions redistribute neuromuscular demand among muscle groups, typically shifting load from distal to proximal musculature. These findings suggest that aerodynamic optimisation in tandem cycling does not inherently compromise biomechanical feasibility. Perceived discomfort in aggressive positions may be more closely related to training specificity than to fundamental mechanical limitations. The study highlights the necessity of system-level optimisation strategies that simultaneously consider aerodynamic interaction, structural constraints, and neuromuscular adaptation. Future work should extend this framework through experimental validation, metabolic assessment, and dynamic aerodynamic modelling to further refine system-level optimisation strategies in elite Paralympic tandem cycling.

Le prove a cronometro nel tandem paralimpico rappresentano un problema prestazionale complesso in cui due atleti costituiscono un sistema accoppiato dal punto di vista aerodinamico e biomeccanico. L’interazione aerodinamica tra pilota e stoker e i vincoli geometrici dipendenti dalla postura introducono criticità che non possono essere affrontate mediante un’ottimizzazione concepita per il singolo ciclista. La principale questione scientifica affrontata in questa tesi riguarda il modo in cui la prestazione aerodinamica e la sostenibilità biomeccanica interagiscono nelle diverse configurazioni del tandem, e se posture ottimizzate dal punto di vista aerodinamico comportino penalizzazioni biomeccaniche misurabili. È stato implementato un approccio pienamente integrato di tipo sperimentale–numerico. Simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD) sono state eseguite su ricostruzioni tridimensionali dettagliate di configurazioni reali pilota–stoker. Sono state analizzate diverse configurazioni del tandem variando sistematicamente la postura del pilota, la postura dello stoker e la distanza longitudinale tra i due atleti. La prestazione aerodinamica è stata quantificata attraverso l’area equivalente di resistenza aerodinamica (CdA), distribuzioni cumulative di drag e analisi qualitativa del campo di moto. Tra le configurazioni investigate, il CdA globale ha mostrato variazioni dell’ordine del 7%, evidenziando come la prestazione del tandem sia dominata da effetti di interazione non lineari e come i miglioramenti aerodinamici siano intrinsecamente non additivi. Modifiche posturali che riducono il drag in condizioni isolate possono infatti essere compensate da effetti sfavorevoli di accoppiamento della scia all’interno del sistema a due ciclisti. La valutazione biomeccanica è stata condotta mediante acquisizione del movimento con sensori inerziali full-body, modellazione muscoloscheletrica ed elettromiografia di superficie (EMG) in condizioni di laboratorio controllate. Sono stati analizzati la cinematica articolare, i pattern di attivazione muscolare mediati sul ciclo di pedalata e indicatori legati alla fatica in diverse posizioni di guida. I risultati indicano che la cinematica degli arti inferiori e la tempistica della coordinazione neuromuscolare rimangono robuste nonostante significative variazioni posturali a livello del tronco e degli arti superiori. Piuttosto che determinare un incremento globale della fatica, le configurazioni aerodinamicamente più aggressive redistribuiscono la richiesta neuromuscolare tra i diversi gruppi muscolari, tipicamente spostando il carico da muscoli distali a muscoli prossimali. Questi risultati suggeriscono che l’ottimizzazione aerodinamica nel tandem paralimpico non comprometta intrinsecamente la fattibilità biomeccanica. Il disagio percepito in posizioni più aggressive può essere maggiormente correlato alla specificità dell’allenamento piuttosto che a limitazioni meccaniche. Lo studio evidenzia la necessità di strategie di ottimizzazione che considerino simultaneamente interazione aerodinamica, vincoli strutturali e adattamento neuromuscolare. Sviluppi futuri dovrebbero estendere questo approccio mediante validazione sperimentale, valutazione degli aspetti metabolici e modellazione aerodinamica dinamica, al fine di affinare ulteriormente le strategie di ottimizzazione nell'ambito del ciclismo su tandem paralimpico d’élite.