1 Introducción

En el ámbito del ciclismo la utilización de la medición de potencia y el estudio del comportamiento aerodinámico del ciclista y su bicicleta son un tema de mucha actualidad, especialmente –aunque no únicamente- en las pruebas contrarreloj.
En el triatlón este fenómeno se observa especialmente en las pruebas de media y larga distancia debido a la característica contrarreloj (drafting prohibido) del tramo de ciclismo tanto en carrera como en entrenamiento.
En este trabajo se presentan los conceptos básicos de potencia y aerodinámica en el ciclismo y algunas de sus múltiples aplicaciones en el ámbito del triatlón de larga distancia.

2 Potencia Mecánica en ciclismo

La potencia mecánica se define como “la rapidez con la que se produce trabajo” y la unidad de medida en el sistema internacional son los watts (o vatios) definidos como [joule/s] = [N.m/s]
En la bicicleta el ciclista aplica una fuerza a los pedales que produce un movimiento de rotación de las palancas que, mediante el complejo plato-cadena-piñón, es transferido a la rueda trasera provocando el avance.
Este tema se estudia en Física como Dinámica rotacional de un cuerpo rígido (ref.[1] Pág. 373):
La potencia aplicada a las palancas:
P = t . w
donde t: momento de rotación y w: velocidad angular
w = C . 2 . p / 60
donde C: cadencia de pedaleo en rpm
t = Ft . r
donde r: largo de las palancas y Ft: fuerza tangencial aplicada al pedal
La fuerza F que el ciclista aplica al pedal se puede descomponer en:
  • Fuerza radial (Fr): esta componente en dirección de la palanca no produce trabajo (y por lo tanto potencia) debido a que su efecto es anulado por la caja pedalera.
  • Fuerza tangencial (Ft): esta componente en dirección perpendicular a la palanca es la que produce trabajo (y por lo tanto potencia.
Por ejenplo si la palanca se encuentra a 30grados de la horizontal y la fuerza en el pedal es aplicada en forma vertical podemos ver que la componente tangencial:
Ft = F . cos 30° = F . 0,866, es decir que solo el 86,6% de la fuerza aplicada contribuye a la rotación.
Gráficamente:

Finalmente:
P = 2 . p / 60 . r . C . Ft
Vemos que, una vez seleccionado el largo de las palancas, la potencia depende solamente de la cadencia y de la fuerza tangencial aplicada a los pedales.

2.1 Aplicación: escalando el Alp D’Hue con Ian y Lance

Lance Armstrong y Ian Ulrich están compitiendo en una cronoescalada, ambos pedaleando a 400watts (a una velocidad similar de avance aunque no necesariamente igual) pero Lance “revolea” una multiplicación corta a 110rpm mientras que Ian arrastra una multiplicación larga a 70rpm, ¿ qué fuerza promedio están realizando ? Supongamos que ambos utilizan palancas de 175mm.
En el caso de Lance:
C = 110 rpm => w = 11,52 rad/s => t = 400/11.52 =
34,72 Nm =>
Ft = 34,72/0,175 = 198,40 N = 20,22 kgf
En el caso de Ian:
C = 70 rpm => w = 7.33 rad/s => t = 400/7.33 =
54,57 Nm =>
Ft = 54,57/0,175 = 311,83 N = 31,79 kgf
Vemos que Ulrich pedaleando a 70rpm necesita aplicar una fuerza 157% superior que Armstrong a 110rpm para producir la misma potencia (este último lo consigue con una cadencia 157% superior).

Los valores de la fuerza tangencial promedio (entre 20 y 30 kgf) permiten apreciar que, aún a elevadísimos valores de potencia, la fuerza requerida es una pequeñísima fracción de la fuerza máxima del atleta, es decir, confirmamos que el ciclismo es un deporte de resistencia esencialmente aeróbico, no de fuerza.

También vemos que es posible aumentar la potencia (y por lo tanto la velocidad como veremos mas adelante) mediante dos mecanismos:
  • Aumentar la cadencia manteniendo la aplicación de fuerza
  • Aumentar la fuerza aplicada manteniendo la cadencia
En cualquiera de los dos casos es necesario un mayor (o mejor) entrenamiento y las implicancias fisiológicas de ambos no son iguales pero ha sido comprobado por estudios de fisiología del ejercicio que es fundamentalmente la potencia al umbral de lactato el principal determinante del rendimiento (ref. [2]) en el ciclismo.

2.2 Sistemas de Medición de Potencia

Existen actualmente en el mercado 4 sistemas de medición de potencia que pueden ser utilizados en la ruta y simuladores que solo pueden ser utilizados indoor (datos del año 2006).

Esta última categoría (ciclo simuladores) está formada por dispositivos que tienen la forma de un rodillo fijo en el que se monta la propia bicicleta y un generador electrónico de carga que es manejado por un computador de control permitiendo variar la carga (en Watts) o simular recorridos con distintas pendientes. En orden de funcionalidad creciente tenemos:
  • Cateye CS1000
  • TACX Excel/Grand Excel
  • Computrainer
En el caso del CompuTrainer (ref. [3]) permite la conexión a un Computador Personal y cuenta con software de simulación gráfica que presenta la información en tiempo real incluyendo el análisis del pedaleo (SpinScan, ref. [4]) y la posibilidad de utilizar recorridos simulados (ej. IM Hawai)

Los 4 sistemas disponibles para la medición en campo son:
  • SRM
  • PowerTap
  • Ergomo
  • Polar Power Output
A continuación describimos en forma breve las características de cada uno de ellos (ref. [5]).
En todos lo caso el sistema incluye software para computador personal que permite recuperar los datos de entrenamiento y analizarlos a posteriori.

2.2.1 SRM (rev. [6])

Este sistema es el de mayor utilización en el pelotón profesional debido a su exactitud y confiabilidad. La medición se realiza mediante celdas de carga situadas en la estrella de transmisión de la fuerza de las palancas a los platos y la cadencia, esta información es transmitida en forma inalámbrica a la computadora de control en el manillar.
El último modelo disponible está basado en palancas Dura-Ace10 y tiene una exactitud del 2%, es el mejor sistema disponible comercialmente y su única desventaja es su elevado precio que asciende a mas de u$s 3000.
En el último IM Hawai fue utilizado, entre otros, por el ganador Faris Al Sultan y el recordman del circuito de ciclismo en 2005 Tobjorn Sindballe.

2.2.2 PowerTap (ref. [7])

Este sistema es uno de los mas populares debido a que combina una excelente exactitud (1,5%) con un precio sustancialmente menor (del orden de u$s 1000).
En este caso la medición se realiza en una maza trasera especial que contiene las celdas de carga y el transmisor inalámbrico, el receptor se ubica en la vaina junto con el sensor de cadencia y la información es transmitida por cable a la computadora en el manillar.
Este sistema es una excelente opción para ser utilizado durante los entrenamientos pero su utilización en competencias limita la elección de la rueda trasera a utilizar y, en particular, no permite la utilización de ruedas tipo disco.

2.2.3 Ergomo (ver [8])

Este sistema es el de mas reciente aparición la medición se realiza mediante sensores ópticos que miden la (mínima) torsión que sufre el eje pedalier y la cadencia, la información obtenida en la caja pedalera se transmite por cable a la computadora en el manillar lo que anular cualquier tipo de interferencia.
Permite libertad en la elección de las palancas y las ruedas pudiendo utilizarse tanto en competencias como entrenando.
Si bien se trata de un sistema con buena precisión tiene una desventaja intrínseca al método de medición: mide solo la potencia generada por la pierna izquierda (la fuerza de la pierna derecha no provoca torsión del eje) y la duplica, de manera que los errores pueden ser importantes en caso de desbalances en la aplicación de potencia.
Su precio es del orden de los u$s 1700.

2.2.4 Polar Power Output (ref. [9])

Este sistema consta de un HRM Polar de la línea 7xx o 625 mas un kit adicional de medición de potencia. Tiene la particularidad que, a diferencia de los anteriores, no requiere el reemplazo de ninguno de los componentes de la bicicleta y por lo tanto permite total libertad en la selección de los mismos.
El método de medición consiste en obtener la frecuencia de vibración de la cadena mediante un sensor ubicado en la vaina, dado que esta frecuencia depende de la tensión de a que está siendo sometida la cadena (como ocurre con las cuerdas de una guitarra), conocidos datos de la misma (longitud, peso, etc.) y sumada a la medición de la velocidad permite el cálculo estimado de la potencia transmitida a la rueda trasera.
La complejidad del método y los parámetros que es necesario configurar contribuyen a que sea el sistema mas inexacto con una tolerancia admitida de +/-10%, valor tan elevado que limita seriamente su utilización en algunas aplicaciones.

2.3 Potencia Estimada en el ciclismo del triatlón de larga distancia

Para tener alguna referencia numérica en el análisis que sigue en las próximas secciones consideremos que un triatleta de larga distancia de primer nivel mundial puede sostener potencias promedio cercanas a 300 vatios en los 180km de un IM. (Pro Masculino)
Para un triatleta amateur de muy buen nivel, digamos con chances de ir a Hawaii vamos a tomar 225 vatios promedio como referencia. (Amateur de Punta)
Un triatleta amateur "de mitad de tabla" puede producir del orden de 150 vatios promedio. (Amateur Medio).

3 Aerodinámica del ciclismo (ref. [10])

Es común utilizar el término ' aero' para describir bicicletas, ruedas, cascos, y manubrios. ¿Sin embargo, realmente sabemos exactamente que significa 'aero', y cuáles las consecuencias de la aerodinámica para el ciclista ?
Si sacamos la mano por la ventanilla del coche la fuerza que se siente es la resistencia aerodinámica de la mano en la corriente de aire. La resistencia aerodinámica de bicicletas y de ciclistas se mide en túneles de viento montando la bici en una balanza y haciendo incidir una corriente de aire sobre ella, típicamente a 48 km/h, y los resultados se expresan generalmente en libras de resistencia a 48 km/h.
La resistencia aerodinámica está relacionada con la densidad y la velocidad del aire y con el área frontal y la forma del objeto en la corriente del viento por la ecuación siguiente:
Fuerza de resistencia aerodinámica = ½ r Cd A Vt^2
Donde, r es la densidad del aire , Cd A es el producto del coeficiente de la resistencia aerodinámica y el área frontal (también conocida como área frontal efectiva), Vt^2 es la velocidad del aire (m/s) en el túnel de viento elevada al cuadrado.
Si dividimos la fuerza de resistencia aerodinámica medida por Vt^2 para conseguir ½ r Cd A, podemos calcular la resistencia a cualquier velocidad.
También podemos avanzar un paso mas: Potencia es fuerza por velocidad, así que la potencia necesaria para impulsar la bici a través del aire a cualquier velocidad dada es:
Potencia aerodinámica = ½ r Cd A Va^2 Vg
Donde, Va es la velocidad del aire (es decir; velocidad respecto al terreno + velocidad del viento frontal), y Vg es la velocidad respecto del terreno.
3.1 Modelo matemático para la Potencia en el Ciclismo

La resistencia aerodinámica representa la mayor resistencia cuando se rueda en terreno llano, sin embargo, la potencia total requerida para rodar una bici es poco un más complicada, y se puede dividir en 5 componentes:
  1. Potencia para vencer la resistencia aerodinámica (1/2 r Cd A Va^2 Vg) (~85%)
  2. Potencia para vencer la resistencia a la rodadura (CRR WT Vg) (5-15%)
  3. Potencia para rotar las ruedas (FW Vg^3) ( ~1%)
  4. Potencia de superar gravedad en una trepada (WT Vg Seno(Arctan(pendiente)) (varía mucho dependiendo de la pendiente)
  5. Pérdidas por fricción en el sistema de transmisión (pequeños excepto que se cruce la cadena) (1-2%)
Donde CRR es el coeficiente de resistencia a la rodadura (cerca de 0,0024 para clinchers en asfalto), WT es peso total de la bici y el ciclista (Newtons), Vg es la velocidad respecto del terreno, FW es un factor relacionado con la Potencia para rotar las ruedas (las estimaciones de este número varían extensamente, por ej. 0,0027 para un sistema de ruedas aerodinámicas, y 0,0044 para las ruedas normales con rayos redondos), pendiente es la pendiente relativa del terreno en porcentaje.

Por supuesto que si la potencia producida difiere de la potencia requerida para una velocidad dada, se produce un efecto de aceleración o frenado, consideraremos el caso estacionario (velocidad constante).

Poniendo todos los factores juntos obtenemos la ecuación para la potencia en el ciclismo:
Potencia = ½ r Cd A Va^2 Vg + CRR WT Vg + FW Vg^3+ WT Vg Seno(Arctan(pendiente)
Obviamente esta ecuaciónes es un modelo matemático que puede o no representar la situación real. Para probar su validez se realizaron estudios en los cuales se midió la resistencia en el túnel de viento de varios ciclistas, luego se hizo que rodaran a tres velocidades constantes mientras se medía la potencia con un juego de palancas SRM y las condiciones del viento con un anemómetro. Los resultados indican que la ecuación predijo la potencia medida con un error estándar de menos de 3 vatios, y demuestran que el modelo es válido para la potencia requerida por un ciclista en el mundo real.

El siguiente gráfico (ref. [11]) muestra en que se emplea la potencia producida por el ciclista a diferentes velocidades:


3.2 Aerodinámica del ciclista

Aunque mucha atención se centra en la aerodinámica del equipamiento, la consideración aerodinámica más importante para el conjunto bicicleta y ciclista es el ciclista. Un ciclista típico de 70 kilogramos en una bici de ruta con ruedas estándares tendrá una resistencia aerodinámica de cerca de 8 libras (medida a 48 km/h en tunel de viento), una mejor posición reducirá la resistencia a cerca de 7 libras, y una posición excelente reduce la resistencia aerodinámica a 6 libras.

Usando estos números de resistencia aerodinámica y las potencias estimadas arriba, la ecuación de movimiento se puede utilizar para predecir los efectos de estas posiciones respecto al rendimiento en el tramo de ciclismo de un IM en un recorrido plano sin viento, -de los que no existen-


Las diferencias de rendimiento, sin cambio en la potencia producida, son notables, extendiéndose a mas de 20 minutos al cambiar de una posición típica a una posición excelente.

3.3 Elementos determinantes de una buena posición aerodinámica

3.3.1 Torso horizontal

Definido como el pecho, o mejor aún, la espalda horizontal, éste es el elemento más importante porque puede dar lugar a cambios grandes en la resistencia aerodinámica. Desafortunadamente, puede ser el más difícil alcanzar, porque cuando uno se acerca a esta posición, los muslos comienzan a golpear el torso. Esta interferencia impone límites a la posición aerodinámica del cuerpo, pero esto es debido a la geometría tradicional de la bicicleta de ruta (es decir con ángulos del caño piantón de 73 a 75º). La manera de superar esta limitación es con una posición más adelantada, que permitirá una rotación del cuerpo hacia adelante. Nota: una vela curva y una posición del asiento adelantado junto con un stem con ángulo hacia abajo pueden permitir que uno asuma una buena posición aerodinámica, pero darán lugar a una bici que no estará bien equilibrada y por lo tanto será menos estable. Es mejor utilizar un cuadro diseñado para ser usada en una posición adelantada (americana o de triatlón) donde la rueda trasera está mas cerca de la caja pedalera y la distancia de la caja pedalera al eje delantero es mayor para restablecer el equilibrio. Esta posición es incómoda por dos razones. Primero y principal, al rotar la cadera hacia adelante para conseguir un torso horizontal, uno está soportando su peso en mayor medida por partes blandas. Específicamente, el rodar en esta posición puede exacerbar la condición de la prostatitis que es común entre los ciclistas. Las ayudas adicionales de mayor acolchado del asiento pero no eliminan el problema. Un asiento verdaderamente anatómico que distribuya el peso corporal sobre todo el asiento puede ayudar. Algunos ciclistas intentan aliviar este problema inclinando la nariz del asiento hacia abajo, pero esto da lugar a una tendencia a deslizar hacia delante y carga los músculos de hombros y brazos. En segundo lugar, y mucho menos importante, pueden aparecer dolores en el cuello en las primeras salidas, el malestar disminuye con el tiempo y se puede reducir al mínimo con estiramiento y masaje. Éstas desventajas son mínimas porque no es necesario rodar diariamente en esta posición para ir rápido. La experiencia indica que rodando una vez por semana (quizá menos) se mantiene la adaptación a la posición.

3.3.2 Apoyacodos juntos

Los codos cercanos son un detalle esencial de una buena posición aerodinámica. Sin embargo, la magnitud de mejora es mucho menos que qué la alcanzada adoptando una posición horizontal del torso.La investigación conducida por Boone Lennon ha demostrado que cambios sutiles en la separación de los codos y el ángulo de las aerobars pueden tener efectos significativos en la resistencia aerodinámica.Esta investigación fue realizada sobre bicicletas de ruta de geometría tradicional, con el torso adoptando la forma redonda característica, e ilustra probablemente la necesidad de bloquear flujo de aire a la zona del torso.Datos más recientes sobre ciclistas con una posición horizontal del torso demuestran mucho menos efecto de estas variables.No creo que estos dos resultados sean contradictorios, sino mas bien, ellos indican que una vez que el torso está horizontal hay poco que se puede hacer para mejorar o para empeorar la resistencia aerodinámica.

3.3.3 La separación de las rodillas

Pedalear con las rodillas cerca del caño superior es una parte esencial de una buena posición aerodinámica.

3.3.4 ¿Hay un compromiso entre la posición y la producción de Potencia?

Si el cambio de posición está mal hecho, puede ser, pero si está bien hecho, no. Recientemente, Heil et el al., (MSSE, mayo de 1995) han investigado esta pregunta, y los resultados tienden a demostrar que el estrés cardiovascular para una Potencia dada aumenta disminuyendo el ángulo del fémur al tronco. Por lo tanto, si uno baja sus apoyacodos, puede necesitar mover el asiento hacia adelante para mantener su ángulo del fémur al tronco mientras consigue una posición más baja, casi horizontal del torso.

3.4 Aerodinámica de las ruedas

El efecto de las ruedas aerodinámicas puede ser substancial, pueden bajar la resistencia aerodinámica alrededor de 0,4 libras (a 48 km/h) comparadas con ruedas estánda de 36 rayos redondos y requerir la mitad de la Potencia para rotarlas. Para los ejemplos siguientes, se utilizó una rueda delantera de 3 palos de carbono y un disco trasero lenticular. Las diferencias son respecto a la misma posición y bici con ruedas estándar.


La diferencia por el uso de ruedas aerodinámicas es alrededor de cinco a siete minutos. Jim Martín cuenta que cuando realizó estos cálculos no creyó en la predicción del modelo, para verificarlo salieron con un amigo a rodar en un circuito plano a potencia constante con ruedas estándar y aerodinámicas. Los resultados fueron casi exactamente lo que predice el modelo. Si bien ese estudio necesitaría ser repetido con un mejor control tal como medida de la dirección del viento y pendiente del circuito, a priori proporciona evidencia anecdótica que los efectos que predice son realistas.

3.5 Aerodinámica del Cuadro

Según Jim Martín el efecto de un cuadro aerodinámico puede ser sustancial. Los mejores cuadros pueden reducir la resistencia aerodinámica en 0,3 lb. comparado con un cuadro de caños redondos. Las áreas críticas del un cuadro parecen ser las directamente expuestas al viento frontal: (horquilla, caño de dirección, manubrio) y el área entre las piernas del ciclista. Los cuadros que se comportan mejor desde el punto de vista aerodinámico tienden a tener perfiles tipo “ala de avión” en estos sectores. La estimación del efecto del cuadro utilizando una reducción de la resistencia aerodinámica de 0,3lbs respecto al caso anterior (cuadro estándar con ruedas aerodinámicas) es:


En este análisis se observa que el efecto del cuadro es menor que el de las ruedas pero el cuadro utilizado para el estudio no es de última generación, si bien no hay muchos datos publicados de los cuadros actuales se supone que efecto es mayor, uno de los fabricantes que publica esa información es Cervelo y reporta reducciones en la resistencia aerodinámica del orden de 0,6lbs para la P2 y 0,7lbs para la P3, es decir que la mejora sería mas significativa y los efectos de posición, ruedas y cuadro se suman.

En cualquier caso no hay que perder de vista que el componente mas importante es la posición, si el cuadro y las ruedas son aero pero vamos en una posición ineficiente (o en una posición tan extrema que no la podemos mantener por la duración de la carrera y terminamos “agarrados de arriba”) la pérdida supera lo que se puede ganar vía los componentes.El otro dato interesante que surge es que, contrariamente a lo que comúnmente se cree, el comportamiento aerodinámico es muy importante también para los corredores mas lentos, en realidad dado que el parcial de ciclismo es mayor la mejora, en valor absoluto, también es mayor.

3.6 Influencia del Peso de la bici

El efecto de los componentes livianos parece ser “él tema” para muchos ciclistas, sin embargo los efectos del peso en el rendimiento suelen no ser tan significativos como se esperaría. Para ilustrar el efecto del peso veamos un circuito con 9km de subida con una pendiente constante del 3%, su correspondiente bajada y el resto plano (cualquier parecido con el IM Brasil es mera coincidencia), que resulta en un desnivel horizontal acumulado de 270m, con una bici aero que pesa 10 kg, otra de 7,7 kg. y una ligeramente menos aerodinámica que pesa 7,7 kg en un ciclista de 70kg.


En resumen podemos ver que la diferencia por bajar el peso de la bici de 10kg a 7,7kg (2,3kg) es de 10 a 30seg. solamente, pero si esta baja de peso fuera al costo de aumentar aunque sea ligeramente la resistencia aerodinámica (0,5lb) el tiempo que se pierde es mucho mayor, del orden de 6 a 7 minutos.

4 Conclusión

Si bien como vimos los componentes aerodinámicos son importantes es necesario remarcar que la principal componente de la resistencia aerodinámica es la ofrecida por el propio ciclista y de ahí la importancia de una correcta posición.

También vimos que en pruebas contrarreloj (excepto cronoescalada) el peso de la bicicleta no es un componente tan relevante como comúnmente se cree.

Finalmente para conectar lo anterior con la práctica miremos estos números del campeonato mundial de Hawai 2005 ((ref. [12]) obtenidos mediante medidores de potencia SRM:


Podemos ver que Sindballe rodó 1,5km/h mas rápido en promedio (alrededor de 10 minutos en 180km) con 10watts menos que Al Sultan a pesar de ser un atleta de mayor peso.

La explicación es el fuerte trabajo que Sindballe ha realizado en su posición aerodinámica, a mi juicio la mejor del circuito IM.

En las fotos siguientes puede verse a Sindballe en el tunel de viento de baja velocidad de Allied Aerospace.


Respecto a las posibilidades que brinda la utilización de un medidor de potencia quiero citar algunos que considero muy importantes:
  • Permite la determinación de la intensidad de la carga externa de entrenamiento con precisión e independencia de las condiciones ambientales (viento, pendiente, temperatura) en forma directa.
  • Puede ser utilizado como herramienta auxiliar en la determinación del ritmo (pacing) en carreras de larga distancia.
  • Con la metodología adecuada permite la realización de pruebas de campo para la determinación de los parámetros aerodinámicos y de resistencia a la rodadura sin necesidad de acceder a un túnel de viento.
PS: estos temas están desarrollados en otras notas, ver el índice por temas.

Referencias:

[1] Física – Parte I. Robert Resnick – David Halliday. Compañía Editorial Continental S.A.
[2] Determinants of endurance in well-trained cyclists. Coyle EF, Coggan AR, Hopper MK, Walters TJ. Department of Kinesiology and Health Education, University of Texas, Austin 78712. Journal of Applied Physiology, Vol 64, Issue 6 2622-2630. (pdf)
[3] http://www.racermateinc.com/computrainer.asp
[4] http://www.racermateinc.com/spinscan.asp
[5] http://biketechreview.com
[6] http://www.srm.de
[7] http://www.cycle-ops.com
[8] http://www.ergomo.de
[9] http://www.polar.fi
[10] Esta sección está basada en los estudios de Jim Martín campeón master de pista, Ingeniero y PhD in Exercise Science, en particular el artículo Aerodynamics and Cycling.
[11] John Cobb en www.bicyclesports.com
[12] http://2peak.com/tools/hawaii.php

Ing. Alejandro Martínez

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