La eficiencia en el pedaleo ¿bici de carretera

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Por un escritor de hombre misterioso

Muchos son los que se hacen esta pregunta ¿qué bicicleta elegir para utilizar en todos nuestros
Fuera del mundo de la competición, o de la faceta más deportiva del ciclismo, hay un buen número de usuarios que utilizan la bicicleta como vehículo habitual, además de aprovecharla para sus salidas de fin de semana y para realizar rutas. En este informe analizaremos todos los factores que afectan al aprovechamiento de nuestro pedaleo, por lo que estableceremos las diferencias de rodadura y eficiencia que vamos a encontrar si decidimos pedalear sobre una bicicleta de carretera, otra de gravel o una de mountainbike. No serás el primero al que, en pleno esfuerzo titánico subiendo un puerto de montaña, le da alcance un individuo a lomos de su bici de montaña, equipada con ruedas de más de 2 pulgadas de sección y lo adelanta… en ese momento pasan por tu cabeza las más peregrinas teorías sobre tu entrenamiento físico, la calidad de tu flaca o, en el peor de los casos, le buscas el ruido al motor eléctrico oculto que pudiera llevar la mountain bike. Pero en la mayoría de los casos sólo hay una razón que lo justifique: el otro ciclista está en mejor forma física que tú porque, como veremos a continuación, cada tipo de bicicleta requiere por parte del ciclista una aplicación de la potencia muy distinta. Los disipadores de nuestra energía Si nos comparamos con otros animales, disponemos de un sistema motriz bastante efímero para convertir la fuerza que generamos en movimiento. Gracias a la aplicación mecánica de nuestra potencia, a través de palancas y engranajes, conseguimos desarrollar velocidades muy elevadas en la bicicleta, que sería inconcebible lograrlas de otra manera, pero esta aplicación cinemática no está exenta de enemigos y limitaciones. Vamos a olvidarnos de las cifras periodísticas que todos hemos escuchado de Indurain, Cancellara o Froome: un cicloturista, medianamente entrenado (de los que se apuntan cada año a la Quebrantahuesos), que tenga un peso de entre 65 y 70 kilos y mida entre 1,70 y 1,80 metros de altura, estará aplicando, de manera más o menos continua, una potencia media de unos 180 vatios en una sesión de entrenamiento que pueda prolongarse a lo largo de 120 minutos. Esa potencia bruta habría que distribuirla entre todos los factores que generan resistencia y producen pérdidas en su aplicación: resistencia aerodinámica, flexión mecánica, peso de la bicicleta y resistencia a la rodadura. Bicicleta de carretera Unos conceptos básicos En física se define a la potencia como la cantidad de trabajo efectuado en una unidad de tiempo determinada. Y ese trabajo será equivalente a la energía necesaria para desplazar el cuerpo objeto de su aplicación. Ahora vamos a ver cómo afectan los factores de resistencia a nuestro desplazamiento en bicicleta. Resistencia aerodinámica. Es la que ofrece un cuerpo a cualquier fluido, y el viento lo es, (resistencia inducida) y se obtiene multiplicando la velocidad, al cuadrado, por la constante 0,25 (0,25 x V2) y por tanto es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad. Cuanto más rápida circula una bicicleta mayor es el coeficiente de rozamiento aerodinámico (CX). En momentos puntuales puede llegar a ser más de 60% de la resistencia a vencer por un ciclista, de manera especial a partir de unos 25 km/h. Fricción mecánica. Aunque es un dato de poca relevancia, no debemos pasar por alto que la transformación de nuestra fuerza de empuje a los pedales a través de coronas, engranajes y rodamientos tiene un pequeño coste energético, siendo el más importante el generado entre la cadena y las coronas. En cualquier caso es un dato casi despreciable, porque la absorción de vatios por este concepto no pasaría de una cifra de 2 dígitos. Rigidez. De manera especial, las bicicletas equipadas con sistema de suspensión pueden ver contaminado el pedaleo debido a la absorción de cada impulso sobre los pedales por los amortiguadores. De la misma manera que un cuadro con falta de rigidez puede absorber, en la fase de la deformación de sus tubos (al pedalear de pie con energía, por ejemplo), una buena parte de nuestro impulso de tracción durante el pedaleo. Cuanto más compleja es una bicicleta (doble suspensión…) más pérdidas por el concepto de rigidez puede padecer. Peso de la bicicleta. En las tres leyes de Newton la masa está presente en cualquier desplazamiento de un cuerpo. Dejamos de lado cualquier referencia a la aceleración y sólo consideraremos la incidencia de la fuerza gravitatoria, esa que nos atrae hacia un hipotético centro de la tierra. Si mantenemos la creencia de que sólo vamos a administrar esos 180 vatios de potencia, es muy sencillo averiguar lo que sucede con la relación peso/potencia de un ciclista al utilizar diferentes tipos de bicicleta: desde los 7 kilos y poco de una pura sangre de carretera, hasta los 12 de una bici de doble suspensión (XC), pasando por los 9 de una gravel. La ecuación para valorar el aprovechamiento energético es simple ya que el peso y la potencia del ciclista son los mismos imaginemos los tres supuestos. Carretera: ciclista 65 kg bici 7 kg = 72 kg. 180W/72 = 2,5 W/Kg Gravel: ciclista 65 kg bici 9 kg = 74 kg. 180W/74 = 2,4 W/Kg Montaña: ciclista 65 kg bici 12 kg = 77 kg. 180W/72 = 2,3 W/Kg Bicicleta gravel Rozamiento y deformación del neumático Posiblemente esta sea una de las mayores diferencias que hay entre una bici de carretera, una gravel y otra de mountainbike. Con las siglas Crr se identifica lo que en física se denomina resistencia a la rodadura, que es la que define la resistencia al avance cuando un cuerpo que rueda sobre una superficie, deformándose uno de ellos o ambos. Sin llegar a aplicar un coeficiente de resistencia a la rodadura específico, si vamos a jugar con la incidencia que tiene sobre el pedaleo la anchura (sección) de un neumático de bicicleta. Neumático de carretera, gravel y mountainbike La rueda hinchable de goma se inventó en 1888 por Dunlop, para aplicarla a la bicicleta, y en 1890 ya se había utilizado en los automóviles. En 1909 el químico alemán Hoffmann fabricó el metilisopreno, que es la base del caucho sintético. Pero el caucho no se impuso hasta 1938, sustituyendo a los compuestos de fibras de algodón que se utilizaban en las cubiertas. El primer neumático hecho totalmente de caucho lo diseño Continental en 1942. El material no ha variado sustancialmente en su aspecto, pero ahora se utilizan nuevos compuestos que han mejorado las propiedades: en especial se pueden destacar los cauchos de estireno-butadieno en solución y la sustitución del negro de humo como material de relleno por sílice (mejora la resistencia al desgaste y a la rodadura). Los mecanismos físicos por los que un neumático dispone de capacidad de adherencia con el asfalto son dos: adherencia y deformación. Rozamiento por adherencia: se produce por las interacciones moleculares en el área de contacto que será preciso romper para posibilitar el deslizamiento. Sobre superficies secas y limpias este rozamiento es muy alto pero disminuye en presencia de sustancias que impiden un contacto molecular perfecto (polvo, barro, agua…..). Rozamiento por deformación: es debido a las irregularidades de la superficie del firme, que hacen que el caucho se comprima y dilate alternativamente, provocando pérdidas de energía debidas a la histéresis elástica (tendencia de un material a conservar sus propiedades). También surgen deformaciones importantes en la estructura del neumático debido a las fuerzas variables surgidas durante el pedaleo. Bicicleta de montaña doble suspensión Rodando, rodando… Toda esta teoría no serviría de nada si no fuéramos capaces de encontrarle una aplicación práctica, por lo que vamos a realizar una comparativa estática de lo que supone el pedaleo con una bicicleta de cada tipo: carretera, gravel y mountain bike. Estamos preparando una prueba dinámica (con bicicletas equipadas con medidor de potencia) para atestiguar lo que la teoría que exponemos a continuación nos adelanta; hasta entonces sólo podemos sacar conclusiones sobre una pantalla, pudiendo haber variaciones importantes sobre los resultados que podremos conseguir sobre la carretera pero, de momento, vamos a utilizar un simulador de potencia en el que hemos introducido una formula bastante compleja, donde introducimos valores fijos, como la velocidad constante, el peso o el desnivel, y otros variables, como el coeficiente de rozamiento aerodinámico, la densidad del aire o el coeficiente de rozamiento de los neumáticos sobre el asfalto. Como nosotros somos periodistas y amantes de los pedales, hemos preferido confiar este algoritmo de cálculo a nuestro compañero Miguel García Puente, que es ingeniero industrial y especialista en la medición de potencia de cualquier aparato que tenga ruedas. Muy importante Hay que tener en cuenta que los resultados obtenidos sólo responden a la aplicación de fórmulas cinemáticas y de cálculo de fuerzas, porque en la realidad hay muchos factores variables que pueden incidir, de manera muy importante, en la obtención de estos resultados. Nuestro ejercicio podría asemejarse al de colocar una bicicleta sobre un rodillo que mide la potencia y aplicarle la energía de un motor eléctrico que suministrase potencia constante. Pero, en el momento que variase cualquier factor de los que nosotros consideramos constantes, los resultados cambiarían. Los datos de la prueba El supuesto que hemos utilizado para el cálculo de la energía necesaria para desplazarnos con cada una de las tres bicicletas contempla dos escenarios: 1 Se pedalea durante 20 kilómetros, superando un desnivel de 200 metros (1% de pendiente) manteniendo una velocidad constante de 20 km/h. table.tableizer-table { font-size: 14px; border: 1px solid #CCC; font-family: Arial, Helvetica, sans-serif; } .tableizer-table td { padding: 4px; margin: 3px; border: 1px solid #CCC; } .tableizer-table th { background-color: #8B2606; color: #FFF; font-weight: bold; } Bici Cubierta Peso Vatios Coef. Rozamiento Carretera 25 72 94 0,5 Gravel 35 74 108 0,7 MTB 57 79 143 1,2 2 Se pedalea durante 20 kilómetros, superando un desnivel de 200 metros (1% de pendiente) imprimiendo una potencia continua de 100 vatios. table.tableizer-table { font-size: 14px; border: 1px solid #CCC; font-family: Arial, Helvetica, sans-serif; } .tableizer-table td { padding: 4px; margin: 3px; border: 1px solid #CCC; } .tableizer-table th { background-color: #8B1B03; color: #FFF; font-weight: bold; } Bici Cubierta Peso Vatios Velocidad Carretera 25 72 100 20,9 Gravel 35 74 100 19 MTB 57 79 100 16,3 Hemos variado el peso de las bicicletas, estimando 7 kilos para la de carretera, 9 kilos para la de gravel y 12 kilos para una bicicleta de montaña de doble suspensión. Respecto a las cubiertas hemos empleado un patrón de 25 mm de sección en la bici de carretera, 37mm en la de gravel y 57mm en la de montaña. Asignando un coeficiente de rozamiento de 0,5 a las ruedas de carretera, 0,7 a las de gravell (40% mayor) y de 1,2 a las de montaña (128% mayor que la de carretera). Hemos elegido una velocidad de 20 km/h porque, hasta ese límite, la incidencia del rozamiento aerodinámico no es demasiado relevante, afectando poco a la posición de conducción o a las medidas de la anchura de los neumáticos. Los resultados Volvemos a repetir que se trata de una prueba virtual, aplicando valores bastante estandarizados, sin tener en cuenta la marca y modelo de las cubiertas, la presión de hinchado, la deflexión del neumático y considerando que no existe viento en contra ni a favor, por lo que los resultados hay que interpretarlos en un contexto meramente orientativo. En el supuesto 1 vemos que, debido al menor peso de la bicicleta y al menor coeficiente de rozamiento, el modelo de carretera ha necesitado la aplicación de 49 vatios menos que la de montaña y 27 vatios menos que la gravel. Pedaleo con una velocidad constante de 20 Km/h Analizando el segundo supuesto, al aplicar una potencia de 100 vatios de manera continua, los 20 kilómetros de recorrido se han cubierto a 20,9 km/h con la bici de carretera, a 19 km/h con la de gravel y a 16,3 km/h con la de montaña. La eficiencia en el pedaleo ¿bici de carretera, gravel o mountain bike? Ya estamos evaluando la posibilidad de hacer esta misma prueba sobre la carretera y refrendar o rebatir los resultados obtenidos.