Aerodinámica en la bicicleta

Si bien es cierto que tradicionalmente la ingeniería mecánica ha sido la parte de la cinemática y de la dinámica que ha dedicado más esfuerzos al estudio de la eficacia del desplazamiento de los vehículos, la misma resulta insuficiente cuando se trata de vehículos propulsados por la fuerza humana.

Aerodinámica en la bicicleta. Miguel Indurain record de la hora

Aerodinámica en la bicicleta requiere el estudio para tener en cuenta la relación y la interacción del conjunto hombre-máquina requiere la incorporación de otras tecnología deben tener en cuenta procesos de aprendizaje, bioenergía   y la producción de fuerza en el sistema musculo-esquelético.

El fin del presente artículo es dar una visión general sobre el ciclismo deportivo desde una perspectiva biomecánica. Nos estamos refiriendo al estudio deportivo y científico respetando las normas propuestas por la unión ciclista internacional (UCI).  Es por ello preceptivo que no nos podemos saltar las normas que dicha institución dicta en relación al diseño y la construcción de la bicicleta.

La producción científica relacionada con la biomecánica aplicada al ciclismo es notoria en relación a otros estudios efectuados en otras áreas deportivas, probablemente relacionada con la importancia que la bicicleta ha tenido siempre como terapia y rehabilitación,  el uso del ciclo-ergómetro de los test de esfuerzo y por último por los notorios intereses económicos que rodean al ciclismo profesional de competición.

De toda esta producción científica en relación a la biomecánica, se puede argumentar  el carácter multidisciplinar de la misma, yendo desde la ingeniería mecánica,  pasando por la aerodinámica de la bicicleta (túnel de viento) para llegar a la dinámica muscular.

Para ello se realizan estudios cinemáticos y cinéticos sobre la aplicación de fuerza sobre el pedal y sobre la variables que inciden en su eficacia, con el fin de mejorar la aerodinámica en la bicicleta.

En relación al conjunto ciclista-bicicleta, actúan tres fuerzas externas de resistencia al desplazamiento: el rozamiento del aire, rozamientos mecánicos, y la gravedad, en los casos de desplazamientos en cuesta.

En relación a las fuerza internas del conjunto, el rozamiento de los engranajes y todo el sistema mecánico del ingenio, aunque éste no llegue ni al 5% del total de fuerzas de rozamiento.

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Sólo pueden considerarse como fuerzas de propulsión externas a la propia gravedad cuando el sistema hombre-máquina descienden una pendiente.

El resto de estas fuerzas se consideran de tipo interno al sistema como las ejercidas sobre el manillar, sillín y especialmente sobre los pedales. Teniendo en cuenta que el origen de las mismas se encuentra en la contraccion muscular y los momento se ejercen sobre las articulaciones.

Sin tomar en consideración los rozamientos internos de la máquina, cuando el sistema hombre-máquina se desplaza hacia arriba sobre una pendiente, las dos grandes fuerzas son el rozamiento del neumático sobre el firme y la propia las propias del rozamiento con el aíre.

Es esta última la que ofrece mayor resistencia, especialmente si aumentamos la velocidad. No podemos olvidar que la resistencia al viento aumenta con el cuadrado de la velocidad, circunstancia que obliga a optimizar la aerodinámica en la bicicleta en la medida que aumentamos la velocidad.

Para ilustrar este último fenómeno, el record de velocidad de ciclismo deportivo está en 71,29 Km/h, el cual fue establecido por el Adamshvili en 1990, El norteamericano Howard, consiguió los 245,08 Km/h corriendo detrás de un protector de vuwbri.
Otra prueba donde también se puede ver la importancia de la aerodinámica de la bicicleta es el récord de la hora.vMientras que el récord oficial lo consiguió en Noviembre de 1994 el suizo Rominger en 55.291 Km., el récord de la hora en pista cubierta, tras moto, lo consiguió, en 1987, el ruso Romanov en 91.131 Km., algo imposible de cubrir en situaciones normales.

La fuerza de desplazamiento producida en la misma dirección del desplazamiento oponiéndose al mismo, y la fuerza de sustentación, perperdicular a la dirección del desplazamiento, aunque ésta sólo adquiere cierta importancia en concretas situaciones, como es el caso del viendo. Se puede firmar que la fuerza aerodinámica más importante que se opone al mismo es la fuerza que ejerce el aire en oposición al desplazamiento.

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Así pues la fuerza de rozamiento viscoso tiene su origen  en el desplazamiento que se produce entre las capas de aire más próximas a la superficie del ciclista y bicicleta, siendo mayor  a la vez que aumentamos la velocidad.

Un coeficiente de rozamiento pequeño hace que las capas de aire se deslicen a través de la superficie, en lugar de desplazarse con ella, reduciéndose la fuerza de arrastre viscoso. En este sentido, los trajes muy ceñidos, de una sola pieza y de materiales de fibras suaves
puede reducir el rozamiento hasta un 30%, comparado con el mismo ciclista vistiendo pantalones ajustados y maillot.

Cuando el conjunto hombre-máquina se desplaza a través del aire se genera una fuerza de rozamiento, un rozamiento del aire con dicha superficie, lo que constituye una fuerza que reduce la velocidad del ciclista denominada fuerza de desplazamiento viscoso o superficial. Su mayor o menor intensidad está relacionada con la viscosidad del fluido y el rozamiento de deslizamiento del aire a través de la superficie.
La viscosidad se considera la fuerza necesaria para deslizar una capa de fluido sobre otra, en este sentido, cuando aumentamos la viscosidad, también se incrementarán las fuerzas de resistencia al desplazamiento, ya que si consideramos que un ciclista se desplaza a cierta velocidad a través de aire en reposo, las capas de aire más próximas se desplazarán con él produciendo un cambio gradual de velocidad entre
capas y, consecuentemente, un deslizamiento que se traduce en el incremento del arrastre viscoso o superficial. Debido a la menor densidad de aire, los registros de velocidad conseguidos por ciclistas experimentados en la ciudad de México (2.260 m. de altitud) son entre un 3% y un 5% mejores que los realizados a nivel del

Cuando el cuerpo posee un contorno alargado y esbelto  con respecto a la dirección del aire y el coeficiente de rozamiento es relativamente pequeño, las capas de aire modifican su curso gradualmente, lo que reduce la magnitud de los vórtices en la parte posterior y las diferencias entre las presiones positivas frontales y negativas caudales, se reduce. Todos estos elementos contribuyen a mejorar notablemente la aerodinámica en la bicicleta.
Los cascos aerodinámicos con perfil en forma de gota de agua han reducido la fuerza de resistencia en 1 Newton a 48 Km/h, con respecto a los cascos integrales normales
de carretera, lo que supone ganar 16 seg. por cada 10 Km. Dicha reducción se debe básicamente al hecho de suavizar el flujo de aire sobre la cabeza.
Algo más complejo es el estudio de la aerodinámica de las ruedas, ya que el giro produce ciertos cambios en las turbulencias que producen los vórtices y las presiones cambian su posición. Los estudios desarrollados por Kyle (1990) en túneles de viento,  sobre la aerodinámica de las ruedas, nos informa sobre las ventajas aerodinámicas que tienen las actuales ruedas de tres radios, comportándose igual o mejor que las ruedas lenticulares. Tanto las ruedas de tres radios como las lenticulares se comportan mejor que todas las probadas con radios de acero, incluidas las de 16 radios.

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Una curiosidad interesante sobre el efecto de la aerodinámica en la bicicleta lo expresa Kyle (1989) en un estudio donde desarrolló una simulación sobre la contrareloj que fue decisiva para la victoria de LeMond sobre Fignon en el Tour de Francia de 1989. Los resultados indicaron que el hecho de utilizar Fignon una bicicleta estándar, sin casco aerodinámico, llevara el pelo largo y colgantes, así como manillar de cuerno de cabra, le habría supuesto una pérdida de 1 minuto y 30 seg. en los últimos 24 Km., aunque la anticuada tecnología de la bicicleta utilizada por LeMond y, especialmente, la utilización de ruedas de 32 radios también le supuso una pérdida aproximada de 32 seg.

Finalmente, otra de las fuerzas importantes de oposición del giro de la máquina es el rozamiento en giro, especialmente cuando nos desplazamos a velocidades pequeñas, ya que a estas velocidades las resistencias aerodinámica en al bicicleta no son tan relevantes. La intensidad de la fuerza de resistencia producida por el rozamiento en giro depende de los siguientes factores:

  • Peso del conjunto hombre-máquina. Al incrementar el peso, el rozamiento en giro
  • también se incrementa. Por esta razón, para subir un puerto se utilizan bicicletas más ligeras y tienen más facilidad los ciclistas con menor peso.
  • La presión de la rueda. Cuanto más presión tenga el tubular o neumático, el rozamiento en giro disminuye, aumentando un  30% cuando la presión de la rueda se reduce a la mitad.
  • La resistencia producida por el rozamiento en giro es inversamente proporcional al diámetro de la rueda. La utilización, cada vez más habitual, de ruedas con un diámetro menor responde al propósito de reducir el rozamiento producido por el aire y no el de giro, lo que se desprende de la sección transversal del tubular. Cuanto mayor es la sección transversal mayor será la resistencia producida por el rozamiento en giro.

Respectos a los estudios efectuados sobre la cadencia de pedaleo, los resultados indican que existe una cadencia óptima, entre 90 rpm. y 110 rpm., para las articulaciones de la cadera y rodilla, mientras que ésta no influye significativamente sobre el momento del tobillo.

Utilizando el mínimo coste funcional derivado de los momentos articulares de la pierna, los estudios sobre longitud de biela y cadencia, manteniendo la carga constante, llegando a la conclusión que el mínimo coste se produce con las combinaciones 14,5cm. de biela y 110 rpm., para ciclistas de altura promedio (1.77 m.), lo que difiere de la longitud estándar de biela que es de 0.170m.

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Relación entre longitud de biela, ritmo de pedaleo (cadencia) y medidas antropométicas, valoradas mediante el porcentaje de desviación de la función de costo de los momentos articulares. Utilizando una potencia de 100 W en cada pierna.
Gonzalez &Hull (1989) realizaron un estudio donde analizaron cinco factores que consideraron relevantes y dependientes con la aplicación de fuerzas sobre el pedal, llegando a la conclusión que el factor más importante era la cadencia de pedaleo, seguido de la longitud de biela, el ángulo del tubo del sillín, altura del sillín y finalmente, la posición del pie sobre el pedal.

Según se desprende, para un ciclista de talla media, la máxima eficacia corresponde a una cadencia de 115 rpm., una longitud de biela (L1) de 14 cm., un ángulo de 75.7º del tubo del sillín  y, la altura del sillín (L2) más la longitud del brazo de la biela debe ser igual al 97% de la longitud de la pierna, medida hasta el trocánter.
Respecto al sillín, se debe de considerar que una menor altura del sillín va a suponer un aumento de la actividad muscular y especialmente del cuadriceps y biceps femoral, lo que nos da base para decir que una mayor altura del sillín permite pedalear con mayor facilidad, sobre todo cuando se incrementa la intensidad del pedaleo.  Respecto a la utilización de platos elípticos basados en la variación de los picos de fuerza (ángulos muertos y ángulos de máxima eficiencia) y el ángulo de la biela. A este respecto podemos afirmar que no existen pruebas concluyentes a favor de este tipo de platos. Los ciclistas y triathletas  profesionales   comentan que los platos elípticos interfieren en la mecánica de pedaleo cuando se utilizan cadencia altas, entre 90 y 110 vueltas por minuto, aunque estos platos pueden ser adecuados para incorporarlos en bicis de MTB, donde las cadencias de pedaleo suelen ser más bajas. y el efecto de los puntos muertos más acusado.

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Fuente: http://www.ropa-ciclismo.com/blog/aerodinamica-bicicleta/#sthash.rUAJZoKK.Z69dsWOq.dpbs

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