Aerodinámica da bicicleta: ríxida

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

• Ingeniaritza
• Garraioak

A bicicleta será probablemente uno dos vehículos máis simples inventados polo ser humano, e con todo dificilmente poderíase conseguir outro co mesmo rendemento enerxético que este instrumento. A moitos lle sorprenderá, pero a bicicleta é o instrumento máis eficaz xamais construído paira transformar a forza humana en movemento.

Os datos publicados por Stuart Wilson en 1973 na revista Scientific American demostran que o menor consumo de calorías por quilómetro e gramo de corpo corresponde ao ciclista. De entre os animais e máquinas estudados, o rato foi a maior enerxía disipadora: 50 calorías por quilómetro. No libro Bicycling Science de 1982 de Frank Whitt e David Wilson informábase desta eficacia desde outro punto de vista: a enerxía que se perde na transmisión das pernas á roda traseira é só dunha porcentaxe, sendo a maior parte desta perda a correspondente á entrada no aire.

Estes cálculos pódense considerar realizados en condicións especiais: no plano, sen vento, velocidade media (20-25 km/h). E é que calquera sabe que o rendemento enerxético da bicicleta é variable, que non é o mesmo andar en chairo, en costa arriba ou abaixo, nunha máquina lixeira ou dispositivo vello, oxidado, nun chan regular ou cheo de batxes, etc. Con todo, recoñécese á bicicleta, dentro dos seus límites, que é un instrumento moi eficaz.

Esta eficiencia baséase no deseño da bicicleta. Grazas a iso, utilizamos os músculos máis fortes do corpo, das coxas, paira movernos, nunha cadencia razoable e nunha posición cómoda. Doutra banda, a bicicleta ten un peso razoable paira moverse con forza humana e un perfil esixente de entrada ao aire.

A mellora destas características básicas na historia da bicicleta foi un constante esforzo de deseñadores e autores. Na procura da máquina menos resistente á mobilidade, os obxectivos a alcanzar serían alixeirar peso, mellorar a idoneidade e o funcionamento dos compoñentes e aumentar a aerodinámica, sen esquecer que o vehículo resultante debe ser manexable, seguro e duradeiro, cun prezo razoable.

Cara á década dos 20 deste século comezaron a verse bicicletas similares ás actuais. Desde entón, os avances non paralizaron: materiais, técnicas de fabricación, medidas, etc. Con todo, dous foron as características de deseño que permaneceron relativamente fixas na maioría das bicicletas: o cadro trapezoidal e as rodas de radio. Con todo, nos últimos anos deuse una gran revolución ao deseño da bicicleta. A razón é conseguir una mellor aerodinámica.

Mellora da aerodinámica ou transformación da bicicleta

A resistencia do aire é a barreira máis dura que ten o ciclista paira moverse a alta velocidade. Cando se agi, o 90% da enerxía que se gasta a velocidade rápida utilízase paira iso. De feito, esta resistencia é proporcional ao cadrado da velocidade, o que significa que si queremos dobrar a nosa marcha, non temos que multiplicar por catro o traballo que temos que facer, ou que cunha velocidade de 25 km/h, cun dobre de forza, só conseguiremos una velocidade de 35 km/h, e que o dobre de forza que estás a facer pedalear non é un traballo calquera.

A facilidade de movemento dun sólido a través dun fluído mídese mediante o coeficiente de penetración Cx, que é función das características de ambos. Por unha banda, a medida que aumenta a densidade e a viscosidad do fluído, dificúltase o movemento. Isto pode estar relacionado co intento de romper moitas marcas de velocidade en “altitudes altas”. Doutra banda, hai que ter en conta a superficie que mostra o sólido no sentido de avance e as características que ten paira xerar un fluxo laminar ou turbulento no movemento a través do fluído. As medidas do coeficiente Cx realízanse no famoso túnel de vento, apoiado na actualidade no deseño por computador. Una das vías paira reducir o consumo de combustible dos automóbiles é reducir o seu Cx.

Na mesma liña, una vía paira aumentar a eficiencia do ciclista é a optimización do Cx do par home-máquina, e moitas das novidades que transformaron a bicicleta nos últimos anos foron froito da vontade de responder a este obxectivo. Os primeiros ensaios foron realizados por Gitane nun túnel de vento, pero moitos sitúan o inicio desta nova forma de mirar á bicicleta en 1984, cando Moser e o seu equipo técnico utilizaron un gran potencial tecnolóxico paira construír una máquina óptima que permitise romper a marca mundial. É certo que desde entón as bicicletas que se utilizan en carreiras especiais (tanto individuais como colectivas en probas cronometradas) parecen algo máis e os resultados tamén se mostran a favor delas. Pero, como mellorou este equipo a aerodinámica da bicicleta?

En primeiro lugar estudouse a necesidade de baixar a altura do sistema ciclista-bicicleta. Paira iso, para que puidese adoptar una postura máis inclinada, dirixiuse o antecesor do cadro cara abaixo, inclinando a barra horizontal tradicional, describindo nuns sofisticados cadros as curvas. O ciclista pode conseguir dunha maneira máis natural levar as costas horizontais. Este novo deseño esixía que a roda dianteira fose máis pequena e que o manillar tamén se pegase ao cadro por un punto inferior ao anterior. Doutra banda, ao ir “tombado” en bicicleta, o punto de agarre máis cómodo e á vez máis eficiente do manillar é o aspecto curvo, que é o único que nos interesa agora. Estes son dous factores que influíron na creación dun manillar en forma de “sarde”.

O seguinte problema é reducir as turbulencias xeradas polos radios das rodas ao virar. Estas turbulencias prodúcense ao golpear o aire contra os radios. A alguén se lle ocorreu abordar una invención inventada entón a finais do século pasado pero que nunca tivo éxito: a roda lenticular. Naquela época foi desprezado por ter máis peso que as rodas de radio, pero a roda lenticular é moito máis fácil penetrar no aire cando a bicicleta circula en liña recta, é dicir, sen curvas ou sen vento lateral.

Paira fins como o de Moser, parecía e era o mesmo. De feito, no túnel de vento demostrouse que un lenticular fronte a una roda de 36 radios presenta un avance de algo máis dun minuto en 40 km a 48 km/h. A vantaxe secundaria deste tipo de rodas é o peso, xa que debido á alta inercia é máis fácil manter a marcha, se se vai rápido e a velocidade constante.

A innovación de última hora vímola na última etapa do Tour de France de hai dous anos. Greg Lemond monta un manillar complementario tipo Ou sobre o tipo de rejilla tradicional. Non cabe dúbida de que se gañou pola súa forma e a súa valentía, comentouse en numerosas ocasións o impacto de leste manillar especial na vitoria. Tampouco faltou a polémica, argumentando se aquel complemento era hoxe aceptable segundo as normas da Sociedade Ciclista Internacional. Con todo, o manillar tipo Ou non foi utilizado por Lemond como extrañero.

Xa nas probas de triathlon púidose ver con asiduidade un manillar similar, en lugar de ser una peza auxiliar tipo Ou, feito cunha soa barra. A cuestión é que algúns ensaios realizados en túnel de vento evidenciaron que se consegue un maior coeficiente de penetración, diminuíndo a superficie en anchura respecto da altura. Paira iso, a clave estaba ao estirar os brazos cara adiante. O uso dun manillar destas características supón una vantaxe de dous segundos por quilómetro a 40 km/h. Outros afirman que a distancia de 40 km faise 90 segundos máis rápido. Ademais, parece que o ciclista respira máis tranquilo e consegue una postura máis adecuada paira facer forza.

A sección do cadro cambiou ultimamente. O cadro estándar ten una sección circular (circunferencial) e desde hai tempo sábese que ao moverse por un fluído prodúcense turbulencias na parte posterior do sólido desta forma. Está demostrado que a sección en bágoa é a máis adecuada paira xerar fluxo laminar. Esta sección denomínase lámina aerodinámica. Na actualidade empezouse a construír cadros baseados nesta idea.

Ás innovacións anteriores hai que engadir, por suposto, o gusto do propio ciclista. É dicir, que a roupa que leva o ciclista debe facilitar ao máximo a entrada do aisa no aire. Por iso utiliza cascos especialmente deseñados (tamén de lámina aerodinámica, estirados pola parte traseira), camisetas de seda,...

Á hora de utilizar todos estes novos elementos, a diferenza non é lenta. O equipo da Unión Soviética, campión do mundo na proba anti-reloxo por equipos de 100 km, estimou que a vantaxe era de 10 minutos.

Mellora da aerodinámica por pouco valor

Se una das tarefas máis importantes que ten o ciclista é a superación da resistencia do aire, podería pensarse que calquera cousa que supoña una mellora na mesma debería ter una aplicación inmediata. Pero á marxe de próbalas contrarreloxo, o aspecto da bicicleta mantense principalmente. Por que?

Na etapa normal (una vez en liña), os carreristas van en pelotón e é evidente que non todos soportarán a resistencia do aire na mesma medida. Todo aquel que foi en bicicleta na cuadrilla sabe perfectamente dúroo que é ir tirando diante mentres outros van unidos á nosa roda. Mentres os ciclistas van detrás da bautización, está demostrado que o primeiro debe manter unhas 20 pulsaciones cardíacas máis que o segundo paira correr a 35 km/h. Este ritmo de pulsaciones vai baixando, aínda que en menor medida, do segundo.

Nas posicións 6 ou 7, en cambio, prodúcense problemas de turbulencia e a protección ao aire faise máis incerta. En calquera caso, ir dentro dun pelotón forte pode ser un pouco tranquilo, xa que se necesita ou se necesita a metade de enerxía do que vai diante. E dixemos "pode ser", porque as súas obras, se imos ter a paz cos amigos veciños, van ser manter o equilibrio e ir correctamente. Esta é a habilidade de anos de experiencia.

Se alguén salgue do pelotón, terá que saír con moita aceleración e ter coidado de que ninguén se pegue por detrás, xa que se “enganchamos á roda” é difícil deixalo atrás. Necesitamos, por tanto, una máquina de gran aceleración, non moi pesada e con boa manejabilidad para que, como dixemos, os cambios de dirección que deberemos realizar se non queremos que ninguén se sitúe na nosa parte traseira de forma vantaxosa, sexan rápidos e seguros.

Na etapa de montaña as cousas cambian aínda máis. Ao subir a pendente, a forza principal a superar non é a resistencia do aire, senón a gravitación. O mesmo consumo enerxético permite velocidades máis baixas. Comparativamente, a enerxía necesaria paira manter una velocidade de entre 25 e 30 km/h no cuarto só serve paira aumentar a pendente do 7% a unha velocidade de 10-12 km/h. Debido a que a resistencia do aire varía con respecto ao cadrado da velocidade, a esta marcha resulta despreciable con respecto á forza gravitatoria.

Na costa que ouviriamos a moitos dos carreristas que valen as forzas dun mesmo, porque ir detrás doutro non é tan beneficioso como na liga. O óptimo Cx non terá entón tanta importancia como na launa, e haberá que fixarse no peso da máquina. Necesitamos máis máquina lixeira e de resposta rápida que nunca.

Outro aspecto a ter en conta é o da postura; aínda que existen diferentes técnicas paira subir una pendente, en todas elas é necesario agarrar o manillar nunha posición relativamente alta. O ciclista xeralmente adopta una postura máis ergueita, sendo os puntos de agarre máis habituais a parte horizontal do manillar ou o mando dos freos. Dificilmente veremos a alguén que sobe polo lado curvo do manillar una dura costa.

Por iso, é evidente por que as innovacións anteriormente expostas non se utilizan nas etapas launas e montañosas da liña. As rodas lenticulares, por exemplo, reducen a capacidade de aceleración da bicicleta debido ao seu maior peso. Ademais, cando o vento sopra de costado, este tipo de roda amortece enormemente a máquina e mesmo pode desequilibrala. O uso de roda lenticular tamén en próbalas contrarreloxo non é una decisión sen máis. Hai que fixarse ben no risco de vento e nas características do percorrido (curvas, pendentes, lonxitude, etc.). Non digamos na etapa da liña, se temos en conta as circunstancias meteorolóxicas e as esixencias de correr no pelotón: ninguén o utiliza.

Doutra banda, o deseño aerodinámico do cadro e do manillar reduce a manejabilidad da bicicleta e a adaptabilidad aos diferentes momentos e contornas do percorrido. A bicicleta de perfil baixo non alcanza as curvas coa mesma facilidade que as convencionais e consolida en gran medida a posición do ciclista mentres que o manillar convencional ofrece comodidade paira cambiar de postura.

O manillar adicional tipo Ou, "irrintzia" de última hora, require moita técnica e valentía nas curvas. A dirección da bicicleta é moi sensible, e si non vai directamente é bastante inestable, hai que conducir con moita precisión. Proba diso é que nas probas contrarreloxo tamén se utiliza unida a un manillar amplo (tanto o convencional como o corno de cabra) debido ao risco de que nas curvas váiase contra a barreira.

Nos próximos anos non faltará a mellora nin a renovación no deseño da bicicleta, pero en calquera caso, se o deseño baseado en cadros trapezoidales e rodas de radio ten una vida temporal e non probablemente curta.

Non creades, con todo, que as innovacións só viñeron paira mellorar o aerodinamismo. Xa se mencionou en liñas anteriores a necesidade dunha bicicleta lixeira e de resposta rápida. Outras veces deberiamos falar de capacidade de amortiguación ou amortiguación e de estabilidade. Estas características deben ser as máis adecuadas ás esixencias impostas polos distintos usos. Paira explicalas, nunha próxima ocasión deberemos falar dos materiais e a xeometría do cadro.