Aerodinàmica de la bicicleta: rígida

1990/12/01 Lopez, Luis Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Ingeniaritza
• Garraioak

La bicicleta serà probablement un dels vehicles més simples inventats per l'ésser humà, i no obstant això difícilment es podria aconseguir un altre amb el mateix rendiment energètic que aquest instrument. A molts el sorprendrà, però la bicicleta és l'instrument més eficaç mai construït per a transformar la força humana en moviment.

Les dades publicades per Stuart Wilson en 1973 en la revista Scientific American demostren que el menor consum de calories per quilòmetre i gram de cos correspon al ciclista. D'entre els animals i màquines estudiats, el ratolí va ser la major energia dissipadora: 50 calories per quilòmetre. En el llibre Bicycling Science de 1982 de Frank Whitt i David Wilson s'informava d'aquesta eficàcia des d'un altre punt de vista: l'energia que es perd en la transmissió de les cames a la roda posterior és només d'un percentatge, sent la major part d'aquesta pèrdua la corresponent a l'entrada en l'aire.

Aquests càlculs es poden considerar realitzats en condicions especials: en el pla, sense vent, velocitat mitjana (20-25 km/h). I és que qualsevol sap que el rendiment energètic de la bicicleta és variable, que no és el mateix caminar en pla, en costa amunt o a baix, en una màquina lleugera o artefacte vell, oxidat, en un sòl regular o ple de batxes, etc. No obstant això, es reconeix a la bicicleta, dins dels seus límits, que és un instrument molt eficaç.

Aquesta eficiència es basa en el disseny de la bicicleta. Gràcies a això, utilitzem els músculs més forts del cos, de les cuixes, per a moure'ns, en una cadència raonable i en una posició còmoda. D'altra banda, la bicicleta té un pes raonable per a moure's amb força humana i un perfil exigent d'entrada a l'aire.

La millora d'aquestes característiques bàsiques en la història de la bicicleta ha estat un constant esforç de dissenyadors i autors. En la cerca de la màquina menys resistent a la mobilitat, els objectius a aconseguir serien alleugerir pes, millorar la idoneïtat i el funcionament dels components i augmentar l'aerodinàmica, sense oblidar que el vehicle resultant ha de ser manejable, segur i durador, amb un preu raonable.

Cap a la dècada dels 20 d'aquest segle van començar a veure's bicicletes similars a les actuals. Des de llavors, els avanços no han paralitzat: materials, tècniques de fabricació, mesures, etc. No obstant això, dues han estat les característiques de disseny que han romàs relativament fixes en la majoria de les bicicletes: el quadre trapezoidal i les rodes de ràdio. No obstant això, en els últims anys s'ha donat una gran revolució al disseny de la bicicleta. La raó és aconseguir una millor aerodinàmica.

Millora de l'aerodinàmica o transformació de la bicicleta

La resistència de l'aire és la barrera més dura que té el ciclista per a moure's a alta velocitat. Quan s'agi, el 90% de l'energia que es gasta a velocitat ràpida s'utilitza per a això. De fet, aquesta resistència és proporcional al quadrat de la velocitat, la qual cosa significa que si volem doblegar la nostra marxa, no hem de multiplicar per quatre el treball que hem de fer, o que amb una velocitat de 25 km/h, amb un doble de força, només aconseguirem una velocitat de 35 km/h, i que el doble de força que estàs fent pedalar no és un treball qualsevol.

La facilitat de moviment d'un sòlid a través d'un fluid es mesura mitjançant el coeficient de penetració Cx, que és funció de les característiques de tots dos. D'una banda, a mesura que augmenta la densitat i la viscositat del fluid, es dificulta el moviment. Això pot estar relacionat amb l'intent de trencar molts rècords de velocitat en “altituds altes”. D'altra banda, cal tenir en compte la superfície que mostra el sòlid en el sentit d'avanç i les característiques que té per a generar un flux laminar o turbulent en el moviment a través del fluid. Les mesures del coeficient Cx es realitzen en el famós túnel de vent, recolzat en l'actualitat en el disseny per ordinador. Una de les vies per a reduir el consum de combustible dels automòbils és reduir el seu Cx.

En la mateixa línia, una via per a augmentar l'eficiència del ciclista és l'optimització del Cx del parell home-màquina, i moltes de les novetats que han transformat la bicicleta en els últims anys han estat fruit de la voluntat de respondre a aquest objectiu. Els primers assajos van ser realitzats per Gitane en un túnel de vent, però molts situen l'inici d'aquesta nova manera de mirar a la bicicleta en 1984, quan Moser i el seu equip tècnic van utilitzar un gran potencial tecnològic per a construir una màquina òptima que permetés trencar el rècord mundial. És cert que des de llavors les bicicletes que s'utilitzen en carreres especials (tant individuals com col·lectives en proves cronometrades) semblen alguna cosa més i els resultats també es mostren a favor d'elles. Però, com va millorar aquest equip l'aerodinàmica de la bicicleta?

En primer lloc es va estudiar la necessitat de baixar l'altura del sistema ciclista-bicicleta. Per a això, perquè pogués adoptar una postura més inclinada, es va dirigir l'antecessor del quadre cap avall, inclinant la barra horitzontal tradicional, descrivint en uns sofisticats quadres les corbes. El ciclista pot aconseguir d'una manera més natural portar l'esquena horitzontal. Aquest nou disseny exigia que la roda davantera fos més petita i que el manillar també es pegués al quadre per un punt inferior a l'anterior. D'altra banda, en anar “tombat” amb bicicleta, el punt d'agarri més còmode i alhora més eficient del manillar és l'aspecte corb, que és l'única cosa que ens interessa ara. Aquests són dos factors que han influït en la creació d'un manillar en forma de “sarde”.

El següent problema és reduir les turbulències generades pels radis de les rodes en girar. Aquestes turbulències es produeixen en colpejar l'aire contra els radis. A algú se li va ocórrer abordar una invenció inventada llavors a la fi del segle passat però que mai va tenir èxit: la roda lenticular. En aquella època va ser menyspreat per tenir més pes que les rodes de radi, però la roda lenticular és molt més fàcil penetrar en l'aire quan la bicicleta circula en línia recta, és a dir, sense corbes o sense vent lateral.

Per a finalitats com el de Moser, semblava i era el mateix. De fet, en el túnel de vent s'ha demostrat que un lenticular enfront d'una roda de 36 radis presenta un avanç d'una mica més d'un minut en 40 km a 48 km/h. L'avantatge secundari d'aquesta mena de rodes és el pes, ja que a causa de l'alta inèrcia és més fàcil mantenir la marxa, si es va ràpid i a velocitat constant.

La innovació d'última hora la vam veure en l'última etapa del Tour de France de fa dos anys. Greg Lemond munta un manillar complementari tipus O sobre el tipus de reixeta tradicional. No hi ha dubte que si va guanyar per la seva forma i la seva valentia, s'ha comentat en nombroses ocasions l'impacte d'aquest manillar especial en la victòria. Tampoc va faltar la polèmica, argumentant si aquell complement era avui acceptable segons les normes de la Societat Ciclista Internacional. No obstant això, el manillar tipus O no va ser utilitzat per Lemond com extrañero.

Ja en les proves de triathlon s'ha pogut veure amb assiduïtat un manillar similar, en lloc de ser una peça auxiliar tipus O, fet amb una sola barra. La qüestió és que alguns assajos realitzats en túnel de vent van evidenciar que s'aconsegueix un major coeficient de penetració, disminuint la superfície en amplària respecte a l'altura. Per a això, la clau estava en estirar els braços cap endavant. L'ús d'un manillar d'aquestes característiques suposa un avantatge de dos segons per quilòmetre a 40 km/h. Uns altres afirmen que la distància de 40 km es fa 90 segons més ràpid. A més, sembla que el ciclista respira més tranquil i aconsegueix una postura més adequada per a fer força.

La secció del quadre ha canviat últimament. El quadre estàndard té una secció circular (circumferencial) i des de fa temps se sap que en moure's per un fluid es produeixen turbulències en la part posterior del sòlid d'aquesta forma. Està demostrat que la secció en llàgrima és la més adequada per a generar flux laminar. Aquesta secció es denomina làmina aerodinàmica. En l'actualitat s'ha començat a construir quadres basats en aquesta idea.

A les innovacions anteriors cal afegir, per descomptat, el gust del propi ciclista. És a dir, que la roba que porta el ciclista ha de facilitar al màxim l'entrada de l'aisa en l'aire. Per això utilitza cascos especialment dissenyats (també de làmina aerodinàmica, estirats per la part posterior), samarretes de seda,...

A l'hora d'utilitzar tots aquests nous elements, la diferència no és lenta. L'equip de la Unió Soviètica, campió del món en la prova anti-rellotge per equips de 100 km, va estimar que l'avantatge era de 10 minuts.

Millora de l'aerodinàmica per poc valor

Si una de les tasques més importants que té el ciclista és la superació de la resistència de l'aire, podria pensar-se que qualsevol cosa que suposi una millora en la mateixa hauria de tenir una aplicació immediata. Però al marge de les proves contrarellotge, l'aspecte de la bicicleta es manté principalment. Per què?

En l'etapa normal (una vegada en línia), els carreristas van en escamot i és evident que no tots suportaran la resistència de l'aire en la mateixa mesura. Tot aquell que ha anat amb bicicleta en la quadrilla sap perfectament el dur que és anar fent davant mentre uns altres van units a la nostra roda. Mentre els ciclistes van darrere de la bautización, està demostrat que el primer ha de mantenir unes 20 pulsacions cardíaques més que el segon per a córrer a 35 km/h. Aquest ritme de pulsacions va baixant, encara que en menor mesura, del segon.

En les posicions 6 o 7, en canvi, es produeixen problemes de turbulència i la protecció a l'aire es fa més incerta. En qualsevol cas, anar dins d'un escamot fort pot ser una mica tranquil, ja que es necessita o es necessita la meitat d'energia del qual va davant. I hem dit "pot ser", perquè les seves obres, si tindrem la pau amb els amics veïns, seran mantenir l'equilibri i anar correctament. Aquesta és l'habilitat d'anys d'experiència.

Si algú surt de l'escamot, haurà de sortir amb molta acceleració i anar amb compte que ningú es pegui per darrere, ja que si “enganxem a la roda” és difícil deixar-lo enrere. Necessitem, per tant, una màquina de gran acceleració, no gaire pesada i amb bona manejabilitat perquè, com hem dit, els canvis de direcció que haurem de realitzar si no volem que ningú es posicioni en la nostra part posterior de manera avantatjosa, siguin ràpids i assegurances.

En l'etapa de muntanya les coses canvien encara més. En pujar el pendent, la força principal a superar no és la resistència de l'aire, sinó la gravitació. El mateix consum energètic permet velocitats més baixes. Comparativament, l'energia necessària per a mantenir una velocitat d'entre 25 i 30 km/h en el quart només serveix per a augmentar el pendent del 7% a una velocitat de 10-12 km/h. Pel fet que la resistència de l'aire varia respecte al quadrat de la velocitat, a aquesta marxa resulta menyspreable respecte a la força gravitatòria.

En la costa que sentiríem a molts dels carreristas que valen les forces d'un mateix, perquè anar darrere d'un altre no és tan beneficiós com en la lliga. L'òptim Cx no tindrà llavors tanta importància com en la launa, i caldrà fixar-se en el pes de la màquina. Necessitem més màquina lleugera i de resposta ràpida que mai.

Un altre aspecte a tenir en compte és el de la postura; encara que existeixen diferents tècniques per a pujar un pendent, en totes elles és necessari agarrar el manillar en una posició relativament alta. El ciclista generalment adopta una postura més alçada, sent els punts d'agarri més habituals la part horitzontal del manillar o el comandament dels frens. Difícilment veurem a algú que puja pel costat corb del manillar una dura costa.

Per això, és evident per què les innovacions anteriorment exposades no s'utilitzen en les etapes launas i muntanyenques de la línia. Les rodes lenticulars, per exemple, redueixen la capacitat d'acceleració de la bicicleta a causa del seu major pes. A més, quan el vent bufa de costat, aquest tipus de roda esmorteeix enormement la màquina i fins i tot pot desequilibrar-la. L'ús de roda lenticular també en les proves contrarellotge no és una decisió sense més. Cal fixar-se bé en el risc de vent i en les característiques del recorregut (corbes, pendents, longitud, etc.). No diguem en l'etapa de la línia, si tenim en compte les circumstàncies meteorològiques i les exigències de córrer en l'escamot: ningú ho utilitza.

D'altra banda, el disseny aerodinàmic del quadre i del manillar redueix la manejabilitat de la bicicleta i l'adaptabilitat als diferents moments i entorns del recorregut. La bicicleta de perfil sota no aconsegueix les corbes amb la mateixa facilitat que les convencionals i consolida en gran manera la posició del ciclista mentre que el manillar convencional ofereix comoditat per a canviar de postura.

El manillar addicional tipus O, "irrintzia" d'última hora, requereix molta tècnica i valentia en les corbes. La direcció de la bicicleta és molt sensible, i si no va directament és bastant inestable, cal conduir amb molta precisió. Prova d'això és que en les proves contrarellotge també s'utilitza unida a un manillar ampli (tant el convencional com la banya de cabra) a causa del risc que en les corbes es vagi contra la barrera.

En els pròxims anys no faltarà la millora ni la renovació en el disseny de la bicicleta, però en qualsevol cas, si el disseny basat en quadres trapezoidals i rodes de radi té una vida temporal i no probablement curta.

No creeu, no obstant això, que les innovacions només han vingut per a millorar l'aerodinamismo. Ja s'ha esmentat en línies anteriors la necessitat d'una bicicleta lleugera i de resposta ràpida. Altres vegades hauríem de parlar de capacitat d'amortiment o amortiment i d'estabilitat. Aquestes característiques han de ser les més adequades a les exigències imposades pels diferents usos. Per a explicar-les, en una pròxima ocasió haurem de parlar dels materials i la geometria del quadre.