Aerodinámica de la bicicleta: rígida

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

• Ingeniaritza
• Garraioak

La bicicleta será probablemente uno de los vehículos más simples inventados por el ser humano, y sin embargo difícilmente se podría conseguir otro con el mismo rendimiento energético que este instrumento. A muchos le sorprenderá, pero la bicicleta es el instrumento más eficaz jamás construido para transformar la fuerza humana en movimiento.

Los datos publicados por Stuart Wilson en 1973 en la revista Scientific American demuestran que el menor consumo de calorías por kilómetro y gramo de cuerpo corresponde al ciclista. De entre los animales y máquinas estudiados, el ratón fue la mayor energía disipadora: 50 calorías por kilómetro. En el libro Bicycling Science de 1982 de Frank Whitt y David Wilson se informaba de esta eficacia desde otro punto de vista: la energía que se pierde en la transmisión de las piernas a la rueda trasera es sólo de un porcentaje, siendo la mayor parte de esta pérdida la correspondiente a la entrada en el aire.

Estos cálculos se pueden considerar realizados en condiciones especiales: en el plano, sin viento, velocidad media (20-25 km/h). Y es que cualquiera sabe que el rendimiento energético de la bicicleta es variable, que no es lo mismo andar en llano, en cuesta arriba o abajo, en una máquina ligera o artilugio viejo, oxidado, en un suelo regular o lleno de batxes, etc. Sin embargo, se reconoce a la bicicleta, dentro de sus límites, que es un instrumento muy eficaz.

Esta eficiencia se basa en el diseño de la bicicleta. Gracias a ello, utilizamos los músculos más fuertes del cuerpo, de los muslos, para movernos, en una cadencia razonable y en una posición cómoda. Por otro lado, la bicicleta tiene un peso razonable para moverse con fuerza humana y un perfil exigente de entrada al aire.

La mejora de estas características básicas en la historia de la bicicleta ha sido un constante esfuerzo de diseñadores y autores. En la búsqueda de la máquina menos resistente a la movilidad, los objetivos a alcanzar serían aligerar peso, mejorar la idoneidad y el funcionamiento de los componentes y aumentar la aerodinámica, sin olvidar que el vehículo resultante debe ser manejable, seguro y duradero, con un precio razonable.

Hacia la década de los 20 de este siglo comenzaron a verse bicicletas similares a las actuales. Desde entonces, los avances no han paralizado: materiales, técnicas de fabricación, medidas, etc. Sin embargo, dos han sido las características de diseño que han permanecido relativamente fijas en la mayoría de las bicicletas: el cuadro trapezoidal y las ruedas de radio. Sin embargo, en los últimos años se ha dado una gran revolución al diseño de la bicicleta. La razón es conseguir una mejor aerodinámica.

Mejora de la aerodinámica o transformación de la bicicleta

La resistencia del aire es la barrera más dura que tiene el ciclista para moverse a alta velocidad. Cuando se agi, el 90% de la energía que se gasta a velocidad rápida se utiliza para ello. De hecho, esta resistencia es proporcional al cuadrado de la velocidad, lo que significa que si queremos doblar nuestra marcha, no tenemos que multiplicar por cuatro el trabajo que tenemos que hacer, o que con una velocidad de 25 km/h, con un doble de fuerza, sólo conseguiremos una velocidad de 35 km/h, y que el doble de fuerza que estás haciendo pedalear no es un trabajo cualquiera.

La facilidad de movimiento de un sólido a través de un fluido se mide mediante el coeficiente de penetración Cx, que es función de las características de ambos. Por un lado, a medida que aumenta la densidad y la viscosidad del fluido, se dificulta el movimiento. Esto puede estar relacionado con el intento de romper muchos récords de velocidad en “altitudes altas”. Por otro lado, hay que tener en cuenta la superficie que muestra el sólido en el sentido de avance y las características que tiene para generar un flujo laminar o turbulento en el movimiento a través del fluido. Las medidas del coeficiente Cx se realizan en el famoso túnel de viento, apoyado en la actualidad en el diseño por ordenador. Una de las vías para reducir el consumo de combustible de los automóviles es reducir su Cx.

En la misma línea, una vía para aumentar la eficiencia del ciclista es la optimización del Cx del par hombre-máquina, y muchas de las novedades que han transformado la bicicleta en los últimos años han sido fruto de la voluntad de responder a este objetivo. Los primeros ensayos fueron realizados por Gitane en un túnel de viento, pero muchos sitúan el inicio de esta nueva forma de mirar a la bicicleta en 1984, cuando Moser y su equipo técnico utilizaron un gran potencial tecnológico para construir una máquina óptima que permitiera romper el récord mundial. Es cierto que desde entonces las bicicletas que se utilizan en carreras especiales (tanto individuales como colectivas en pruebas cronometradas) parecen algo más y los resultados también se muestran a favor de ellas. Pero, ¿cómo mejoró este equipo la aerodinámica de la bicicleta?

En primer lugar se estudió la necesidad de bajar la altura del sistema ciclista-bicicleta. Para ello, para que pudiera adoptar una postura más inclinada, se dirigió el antecesor del cuadro hacia abajo, inclinando la barra horizontal tradicional, describiendo en unos sofisticados cuadros las curvas. El ciclista puede conseguir de una manera más natural llevar la espalda horizontal. Este nuevo diseño exigía que la rueda delantera fuera más pequeña y que el manillar también se pegara al cuadro por un punto inferior al anterior. Por otro lado, al ir “tumbado” en bicicleta, el punto de agarre más cómodo y a la vez más eficiente del manillar es el aspecto curvo, que es lo único que nos interesa ahora. Estos son dos factores que han influido en la creación de un manillar en forma de “sarde”.

El siguiente problema es reducir las turbulencias generadas por los radios de las ruedas al girar. Estas turbulencias se producen al golpear el aire contra los radios. A alguien se le ocurrió abordar una invención inventada entonces a finales del siglo pasado pero que nunca tuvo éxito: la rueda lenticular. En aquella época fue despreciado por tener más peso que las ruedas de radio, pero la rueda lenticular es mucho más fácil penetrar en el aire cuando la bicicleta circula en línea recta, es decir, sin curvas o sin viento lateral.

Para fines como el de Moser, parecía y era lo mismo. De hecho, en el túnel de viento se ha demostrado que un lenticular frente a una rueda de 36 radios presenta un avance de algo más de un minuto en 40 km a 48 km/h. La ventaja secundaria de este tipo de ruedas es el peso, ya que debido a la alta inercia es más fácil mantener la marcha, si se va rápido y a velocidad constante.

La innovación de última hora la vimos en la última etapa del Tour de France de hace dos años. Greg Lemond monta un manillar complementario tipo U sobre el tipo de rejilla tradicional. No cabe duda de que si ganó por su forma y su valentía, se ha comentado en numerosas ocasiones el impacto de este manillar especial en la victoria. Tampoco faltó la polémica, argumentando si aquel complemento era hoy aceptable según las normas de la Sociedad Ciclista Internacional. Sin embargo, el manillar tipo U no fue utilizado por Lemond como extrañero.

Ya en las pruebas de triathlon se ha podido ver con asiduidad un manillar similar, en lugar de ser una pieza auxiliar tipo U, hecho con una sola barra. La cuestión es que algunos ensayos realizados en túnel de viento evidenciaron que se consigue un mayor coeficiente de penetración, disminuyendo la superficie en anchura respecto a la altura. Para ello, la clave estaba al estirar los brazos hacia delante. El uso de un manillar de estas características supone una ventaja de dos segundos por kilómetro a 40 km/h. Otros afirman que la distancia de 40 km se hace 90 segundos más rápido. Además, parece que el ciclista respira más tranquilo y consigue una postura más adecuada para hacer fuerza.

La sección del cuadro ha cambiado últimamente. El cuadro estándar tiene una sección circular (circunferencial) y desde hace tiempo se sabe que al moverse por un fluido se producen turbulencias en la parte posterior del sólido de esta forma. Está demostrado que la sección en lágrima es la más adecuada para generar flujo laminar. Esta sección se denomina lámina aerodinámica. En la actualidad se ha empezado a construir cuadros basados en esta idea.

A las innovaciones anteriores hay que añadir, por supuesto, el gusto del propio ciclista. Es decir, que la ropa que lleva el ciclista debe facilitar al máximo la entrada del aisa en el aire. Por eso utiliza cascos especialmente diseñados (también de lámina aerodinámica, estirados por la parte trasera), camisetas de seda,...

A la hora de utilizar todos estos nuevos elementos, la diferencia no es lenta. El equipo de la Unión Soviética, campeón del mundo en la prueba anti-reloj por equipos de 100 km, estimó que la ventaja era de 10 minutos.

Mejora de la aerodinámica por poco valor

Si una de las tareas más importantes que tiene el ciclista es la superación de la resistencia del aire, podría pensarse que cualquier cosa que suponga una mejora en la misma debería tener una aplicación inmediata. Pero al margen de las pruebas contrarreloj, el aspecto de la bicicleta se mantiene principalmente. ¿Por qué?

En la etapa normal (una vez en línea), los carreristas van en pelotón y es evidente que no todos soportarán la resistencia del aire en la misma medida. Todo aquel que ha ido en bicicleta en la cuadrilla sabe perfectamente lo duro que es ir tirando delante mientras otros van unidos a nuestra rueda. Mientras los ciclistas van detrás de la bautización, está demostrado que el primero debe mantener unas 20 pulsaciones cardiacas más que el segundo para correr a 35 km/h. Este ritmo de pulsaciones va bajando, aunque en menor medida, del segundo.

En las posiciones 6 o 7, en cambio, se producen problemas de turbulencia y la protección al aire se hace más incierta. En cualquier caso, ir dentro de un pelotón fuerte puede ser un poco tranquilo, ya que se necesita o se necesita la mitad de energía del que va delante. Y hemos dicho "puede ser", porque sus obras, si vamos a tener la paz con los amigos vecinos, van a ser mantener el equilibrio y ir correctamente. Esta es la habilidad de años de experiencia.

Si alguien sale del pelotón, tendrá que salir con mucha aceleración y tener cuidado de que nadie se pegue por detrás, ya que si “enganchamos a la rueda” es difícil dejarlo atrás. Necesitamos, por tanto, una máquina de gran aceleración, no muy pesada y con buena manejabilidad para que, como hemos dicho, los cambios de dirección que deberemos realizar si no queremos que nadie se posicione en nuestra parte trasera de forma ventajosa, sean rápidos y seguros.

En la etapa de montaña las cosas cambian aún más. Al subir la pendiente, la fuerza principal a superar no es la resistencia del aire, sino la gravitación. El mismo consumo energético permite velocidades más bajas. Comparativamente, la energía necesaria para mantener una velocidad de entre 25 y 30 km/h en el cuarto sólo sirve para aumentar la pendiente del 7% a una velocidad de 10-12 km/h. Debido a que la resistencia del aire varía con respecto al cuadrado de la velocidad, a esta marcha resulta despreciable con respecto a la fuerza gravitatoria.

En la cuesta que oiríamos a muchos de los carreristas que valen las fuerzas de uno mismo, porque ir detrás de otro no es tan beneficioso como en la liga. El óptimo Cx no tendrá entonces tanta importancia como en la launa, y habrá que fijarse en el peso de la máquina. Necesitamos más máquina ligera y de respuesta rápida que nunca.

Otro aspecto a tener en cuenta es el de la postura; aunque existen diferentes técnicas para subir una pendiente, en todas ellas es necesario agarrar el manillar en una posición relativamente alta. El ciclista generalmente adopta una postura más erguida, siendo los puntos de agarre más habituales la parte horizontal del manillar o el mando de los frenos. Difícilmente veremos a alguien que sube por el lado curvo del manillar una dura cuesta.

Por ello, es evidente por qué las innovaciones anteriormente expuestas no se utilizan en las etapas launas y montañosas de la línea. Las ruedas lenticulares, por ejemplo, reducen la capacidad de aceleración de la bicicleta debido a su mayor peso. Además, cuando el viento sopla de costado, este tipo de rueda amortigua enormemente la máquina e incluso puede desequilibrarla. El uso de rueda lenticular también en las pruebas contrarreloj no es una decisión sin más. Hay que fijarse bien en el riesgo de viento y en las características del recorrido (curvas, pendientes, longitud, etc.). No digamos en la etapa de la línea, si tenemos en cuenta las circunstancias meteorológicas y las exigencias de correr en el pelotón: nadie lo utiliza.

Por otro lado, el diseño aerodinámico del cuadro y del manillar reduce la manejabilidad de la bicicleta y la adaptabilidad a los diferentes momentos y entornos del recorrido. La bicicleta de perfil bajo no alcanza las curvas con la misma facilidad que las convencionales y consolida en gran medida la posición del ciclista mientras que el manillar convencional ofrece comodidad para cambiar de postura.

El manillar adicional tipo U, "irrintzia" de última hora, requiere mucha técnica y valentía en las curvas. La dirección de la bicicleta es muy sensible, y si no va directamente es bastante inestable, hay que conducir con mucha precisión. Prueba de ello es que en las pruebas contrarreloj también se utiliza unida a un manillar amplio (tanto el convencional como el cuerno de cabra) debido al riesgo de que en las curvas se vaya contra la barrera.

En los próximos años no faltará la mejora ni la renovación en el diseño de la bicicleta, pero en cualquier caso, si el diseño basado en cuadros trapezoidales y ruedas de radio tiene una vida temporal y no probablemente corta.

No creáis, sin embargo, que las innovaciones sólo han venido para mejorar el aerodinamismo. Ya se ha mencionado en líneas anteriores la necesidad de una bicicleta ligera y de respuesta rápida. Otras veces deberíamos hablar de capacidad de amortiguación o amortiguación y de estabilidad. Estas características deben ser las más adecuadas a las exigencias impuestas por los distintos usos. Para explicarlas, en una próxima ocasión deberemos hablar de los materiales y la geometría del cuadro.