Es tan importante una postura correcta en la bicicleta para mejorar el rendimiento? cuanto puedo mejorar en el tramo de ciclismo usando un casco aero? La ropa influye? Es mejor un cuadro de triatlón o uno de ruta?.
Todas estas preguntas se multiplican en la cabeza de los triatletas cuando quieren comprarse una bicicleta o cuando quieren mejorar su equipamiento.
En el siguiente post voy a tratar de mostrar cuanto influye realmente la posición del ciclista, la ropa, el casco, etc, en el rendimiento del ciclista con valores reales realizados en pruebas de pista y en tunel de viento.
Una aclaración importante antes de empezar. Todo lo que van a ver a continuación tiene importancia relevante fundamentalmente en pruebas de triatlón SIN drafting ya que en las pruebas con drafting al estar permitido rodar en pelotón (protegidos del viento por los que van adelante) los triatletas pueden dedicarle menos atención al tema.
FUERZAS QUE SE OPONEN AL AVANCE DEL CICLISTA
Las podemos clasificar en:
1º- Fuerzas externas: 1-A- Las producidas por el aire (fluido) 1-B- Las de rodadura (rozamiento de la rueda con el piso) 1-C- Las que ejerce la gravedad cuando el sistema se desplaza ascendiendo una pendiente 2º - Fuerzas Internas: Son todas aquellas que componen el rozamiento interactivo de los componentes propios de la bicicleta (cadena, piñones, bielas, etc.). Las fuerzas internas pueden considerarse despreciables frente a las externas ya que no llegan al 5% del total de las fuerzas de resistencia (Faria & Cavangh, 1978). Por lo tanto, las dos fuerzas que mayor oposición al desplazamiento ejercen son las producidas por el contacto de la rueda con el suelo (resistencia de rodadura) y las ejercidas por el aire (resistencia aerodinámica). Y, dentro de estas dos, la resistencia aerodinámica es claramente la que mayor oposición opone al rodamiento. Como ejemplo podemos decir que a una velocidad de 30km/h la resistencia aerodinámica supone más del 80% del total de fuerzas que se oponen al avance del ciclista y que a medida que la velocidad aumenta su valor crece. (Gross; Kyle & Malewicki, 1984).
En este post analizaremos la importancia de la resistencia aerodinámica y más adelante analizaremos la resistencia de rodadura.
RESISTENCIA AERODINAMICA
La fuerza total producida por la resistencia del aire es la suma vectorial de dos fuerzas.
a) Fuerza de arrastre: actúa en la dirección del desplazamiento con sentido contrario.
b) Fuerza de sustentación: perpendicular a la dirección del desplazamiento (solo es relevante cuando hay vientos laterales)
La fuerza de arrastre es sin duda la principal oposición al avance y tiene dos componentes:
-Arrastre viscoso o superficial: producido por la fricción laminar del aire contra la bicicleta y el ciclista
Entre el tandem ciclista-bicicleta y el aire se produce un necesariamente un rozamiento durante el desplazamiento que reduce la velocidad del ciclista. Esta fuerza de arrastre viscoso o superficial depende de la viscosidad del fluido (en este caso el aire) y de la superficie de contacto. Es un problema de viscosidad, para explicarlo en forma resumida puede decirse que cuando el ciclista avanza las capas de aire más próximas se desplazarán con el produciendo un gradiente de velocidades entre capas.
Si logramos un coeficiente de rozamiento pequeño, las capas de aire en su mayoría se deslizarán a través de la superficie de contacto en lugar de desplazarse con ella reduciendo la fuerza de arrastre viscoso. Visto esto, es importante destacar que el uso de trajes ajustados o ceñidos no es una variable a descuidar ya que está comprobado que los materiales de fibras suaves ceñidos permiten reducir el rozamiento hasta en un 30% en comparación con prendas holgadas o sueltas.
Un claro ejemplo de esto puede verse en la ropa usada por los equipos en el Tour de France. En las pruebas donde ruedan en pelotón usan remeras (o maillots) más holgados y confeccionados con telas frescas (clima cool o similar) y en las pruebas de contrarreloj usan prendas completamente ceñidas al cuerpo y con telas menos porosas. (Ver fotos del equipo Astana)
-Arrastre de forma: producido por el déficit de momento de la estela al existir separación de las líneas de corriente.
Se produce cuando los filetes de aire que impactan los objetos son incapaces de seguir limpiamente su contorno.
Parte del flujo impacta con la sección transversal del cuerpo perpendicular al flujo y la otra es incapaz de seguir el contorno de la superficie produciéndose dos vórtices iguales o remolinos detrás del objeto. Esto hace que la velocidad de flujo sea mayor detrás del ciclista que en la parte frontal por lo que se produce una fuerza de succión que se opone al avance. Esto es fácil de ver el la diferencia entre los cascos aero y los comunes.
Las dos componentes de arrastre (viscoso y de forma) dependen en gran medida de la velocidad de desplazamiento (en realidad dependen de la velocidad relativa). Según Gregor & Ryan la expresión que relaciona la fuerza de arrastre con la velocidad es la siguiente
F = 0.5 Cd Ap v2
Donde:
F es la fuerza de arrastre
Cd el coeficiente de rozamiento
Ap, la densidad del aire
V la velocidad relativa del aire.
Como podemos ver F es función de la velocidad al cuadrado así que al ir aumentando la velocidad, la fuerza de arrastre aumenta rápidamente. Es decir, a más velocidad, más resistencia aerodinámica deberemos vencer.
COMPARACION DE RENDIMIENTOS SEGÚN DIFERENTES CONFIGURACIONES AERODINÁMICAS
Una vez expuesto en forma resumida todos los conceptos técnicos relacionados con el tema vamos a ver cuanto influye realmente cada aspecto en el rendimiento del ciclista.
Para ello vamos a ver los datos que publicó el sitio http://www.bikeradar.com/ sobre un estudio realizado por los ingenieros de Specialized donde comparan el comportamiento aerodinámico de un ciclista con cuatro configuraciones diferentes y las estimaciones de potencia y velocidad que realizó el ingeniero Alejandro Martinez (http://amtriathlon.blogspot.com/2008/11/importancia-de-la-aerodinmica-en-el.html).
Los datos se obtuvieron con dos métodos independientes:
-Pruebas de campo realizadas en una pista de speedway (4600m) monitoreando cuidadosamente las condiciones ambientales y utilizando un medidor de potencia SRM
-Mediciones en el tunel de viento de baja velocidad A2 en Carolina de Norte.
A continuación se muestran las cuatro configuraciones probadas mas relevantes y el coeficiente aerodinámico obtenido por ambos métodos:
Caso 1: Bici de Ruta sin alargue con casco normal (Tarmac SL2 Road Helmet Drop bars)
Coeficientes aerodinámicos obtenidos:
CdA(pista)=0.310m^2
Cda(tunel)=0.3019m^2
Obs: Estudios realizados por Faria & Cavanagh (1978), han puesto de manifiesto como una reducción de 0.16 m2 en el área frontal, motivada por el cambio de posición del ciclista sobre la bicicleta (de vertical a posición de carrera en cuadro de ruta) produce un incremento en la velocidad de 1.13 Km/h, cuando se desplaza a una velocidad de 24 Km/h.
Caso 2: Bici de Ruta con alargue y caso normal (Tarmac SL2 Road Helmet Clip-on aerobars)
Coeficientes aerodinámicos obtenidos:
CdA(pista)=0.267m^2
Cda(tunel)=0.2662m^2
Obs: Kyle en 1990 luego de realizar estudios en túneles de viento sobre la incidencia que tiene la posición de los brazos en el manillar sobre las resistencia aerodinámicas, llegó a determinar que la utilización de los modelos de manillar tipo triatlón o aerobars pueden reducir el rozamiento del ciclista en 4.45 N a 48 Km/h, con respecto al tipo «cuerno de cabra», debido básicamente a la reducción del área frontal.
Caso 3: Bici de ruta con alargue y casco aero (Tarmac SL2 TT2 Helmet Clip-on aerobars)
Coeficientes aerodinámicos obtenidos:
CdA(pista)=0.256m^2
Cda(tunel)=0.2547m^2
Obs: Según Kyle los cascos aerodinámicos con perfil en forma de gota de agua reducen la fuerza de resistencia en 1 N. a 48 Km/h, con respecto a los cascos integrales normales de carretera, lo que supone ganar 1.6 seg. en cada kilómetro. Dicha reducción se debe básicamente al hecho de conseguir suavizar el flujo de aire sobre la cabeza.
Caso 4: Bici de contrarreloj con alargue y casco aero (Transition TT2 Helmet Aerobars)
Coeficientes aerodinámicos obtenidos:
CdA(pista)=0.230m^2
Cda(tunel)=0.2323m^2
ANALISIS DE LOS RESULTADOS
- Los valores de CdA obtenidos en pista y en túnel son muy similares
- La reducción del CdA del primer al cuarto caso es de aproximadamente 0,08m2. Cuan significativo es esto en el rendimiento?
1º- CUANTIFICACIÓN DE LA POTENCIA
Para cuantificar el impacto veremos cuanto decrece la potencia necesaria que necesita aplicar el ciclista para mantener una velocidad teórica de 40 km/h en condiciones uniformes según las cuatro configuraciones vistas (*)
La PotTotal (Potencia Total) es igual a la suma de la PotAero que es la potencia necesario para vencer la resistencia aerodinámica y la PotRod que es la potencia necesaria para vencer la resistencia a la rodadura
(*) circuito plano, a nivel del mar, sin viento, densidad del aire 1.226kg/m^3, las ruedas son las mismas en todos los casos (asumimos un coeficiente de resistencia a la rodadura de 0.004) y masa total del ciclista mas equipamiento de 83kg.
Gráfico 1 - Potencia Total (watts) en cada caso
Es la potencia necesaria que el ciclista debe entregar en cada configuración para avanzar a una velocidad de 40 km/h
Gráfico 2 - Reducción de la Potencia Total (watts) de caso en caso
Es la reduccion en valor absoluto lograda al pasar de una configuración a la otra. En la última columna se muestra la reducción acumulada
Vemos que del caso 1 al caso 4 hay una diferencia de 58,5watts, y esto que quiere decir?.
Bueno, que el ciclista del caso 4 necesitará un 20% menos de energía que el del caso 1 para mantener la misma velocidad. Importante no?
El cambio de posición al pasar el ciclista de un agarre típico de ruta al agarre de triatlón usando las aerobars provocó la mayor disminución, unos 30 watts. La incorporación del casco disminuyo unos 10 watts más al caso 2 y por ultimo el paso a una bicicleta de ruta a una de contrarreloj agregó una economía de 18,8watts.
2º- CUANTIFICACIÓN DE LA ECONOMIA EN TIEMPO
Para hacerlo más fácilmente apreciable vamos a hablar de economía lograda en minutos suponiendo el esfuerzo constante (potencia).
Gráfico 3 - Tiempo en minutos necesarios en cada caso
para cubrir 40km para un ciclista con umbral funcional de 300watts
Es el tiempo que necesita el mismo ciclista con la misma potencia para cubrir 40km según las 4 configuraciones aerodinámicas.
Discriminando cada caso vemos que un ciclista usando la misma potencia podría cubrir los 40Km en:
- 2min 21seg menos de tiempo simplemente con pasar de un agarre típico de ruta al agarre de triatlón
- Este mismo ciclista ya con agarre de triatlón podría reducir en 48seg su tiempo utilizando un casco aero
- Finalmente si el mismo ciclista del caso 3 utiliza una bicicleta de contrarreloj economizaría 1min 38seg adicionales beneficiándose con su menor coeficiente de forma
En resumen : El mismo ciclista utilizando la misma potencia lograría cubrir la misma distancia en 4min 47seg menos de tiempo solamente con modificar su configuración aerodinámica. No es un valor despreciable en absoluto.
Estos valores fueron calculados para un atleta de muy buen nivel (umbral funcional cercano a los 300watts), por eso Alejandro Martinez estimó además lo que ocurre con un triatleta de un nivel mas modesto (umbral funcional del orden de los 250watts) para ver que ocurre.
Gráfico 4 - Tiempo en minutos necesarios en cada caso para cubrir 40km
para un ciclista con umbral funcional de 250watts
Es el tiempo que necesita el mismo ciclista con la misma potencia para cubrir 40km según las 4 configuraciones aerodinámicas.
Discriminando cada caso vemos que un ciclista usando la misma potencia podría cubrir los 40Km en:
- 2min 32seg menos de tiempo simplemente con pasar de un agarre típico de ruta al agarre de triatlón
- Este mismo ciclista ya con agarre de triatlón podría reducir en 52seg su tiempo utilizando un casco aero
- Finalmente si el mismo ciclista del caso 3 utiliza una bicicleta de contrarreloj economizaría 1min 56seg adicionales beneficiándose con su menor coeficiente de forma
En resumen : El mismo ciclista utilizando la misma potencia lograría cubrir la misma distancia en 5min 10seg menos de tiempo solamente con modificar su configuración aerodinámica. Vemos así que las diferencias son del mismo orden, demostrando que el equipamiento aerodinámico beneficia a los triatletas de todos los niveles.
Si extrapolamos estas diferencias de tiempos a triatlones de largas distancias vemos que en 90km habría una economía de 10minutos y en un Ironman la economía superaría los 20minutos.
APRECIACIONES FINALES:
Queda evidenciado con suma claridad que si logramos reducir la resistencia aerodinámica vamos a reducir nuestros tiempos utilizando la misma potencia en valores nada despreciables.
Esto de ninguna manera debe tapar el bosque. Para ser mejores ciclistas no queda otra que entrenar de forma constante e inteligente ya que esta es la única manera de incrementar nuestra capacidad de generar potencia.
Son dos aspectos diferentes pero complementarios. “Entrenando mejoraremos nuestra capacidad de entregar potencia a la bicicleta y disminuyendo la resistencia aerodinámica lograremos aprovechar de mejor manera la energía entregada”
Como los presupuestos en la mayoría de los casos son limitados y no todos tienen acceso a los nuevos y mejores componentes es importante determinar un orden de prioridad que nos permita corregir nuestra configuración aerodinámica según nuestras posibilidades.
Orden de prioridad de cada factor:
1º- Correcta posición en la bicicleta (FUNDAMENTAL)
En esta imagen se aprecia claramente cuanto mejora
la aerodinamica al adoptar la posición de triatlon
2º- Vestimenta adecuada
3º- Utilización de cuadros de contrarreloj
4º- Optimización de componentes (cuadros de contrarreloj, ruedas, cascos aero, etc.)
En este post no se comentó nada acerca de las ruedas porque su estudio es bastante complejo, pero pueden ver más información aqui.
Fuentes:
BIOMECANICA Y CICLISMO- Gutierrez, M.
Departamento de Educación Física y Deportiva - Universidad de Granada
http://www.bikeradar.com/
http://amtriathlon.blogspot.com/
Un buen consejo para esto es estirar bien los dedos hacia atrás y luego hacia delante acompañando todo de un buen masaje de pies antes de empezar el entrenamiento.
