Si bien la teoría (ver parte 1) indica que las pruebas en rodillos (ver parte 2) deberían ser representativas de lo que ocurre en la práctica, y que ese es el mejor método disponible para comparar la resistencia a la rodadura de diferentes neumáticos, es interesante ver como esos resultados se trasladan al terreno y analizar como es el comportamiento de la resistencia a la rodadura cuando varía la presión de inflado en condiciones reales. En la parte final de esta serie de 3 artículos nos ocuparemos de estas cuestiones.
Pruebas de Campo
El Dr. Andrew Coggan, coautor del trabajo de referencia sobre la validación experimental del modelo del ciclismos de ruta actualmente en uso (Validation of a Mathematical Model for Road Cycling Power), aportó recientemente el gráfico que mostramos a continuación en el que podemos ver la relación entre el Crr obtenido por Al Morrison en sus pruebas sobre rodillos y pruebas de campo por él realizadas para las mismas cubiertas (clinchers).
En este caso no vamos a entrar en muchos detalles respecto al protocolo, merece un artículo separado, pero podemos decir que consiste en realizar múltiples “pasadas” en un tramo de ruta llano y sin viento a diferentes velocidades para luego obtener el Crr y CdA por métodos estadísticos de regresión.
Podemos apreciar que los valores obtenidos son más altos que los obtenidos en rodillo, como era esperable por tratarse de una superficie de asfalto más rugosa que la del rodillo, pero se encuentran linealmente relacionados, confirmando que el comportamiento de los clinchers en las pruebas de rodillo es representativo de lo que ocurre en la práctica.
Cuando analizamos en como se emplea la potencia que produce el ciclista al pedalear vimos que una pequeña parte se pierde en la transmisión y la porción mayoritaria que llega a la rueda trasera se distribuye en la necesaria para vencer la resistencia aerodinámica, la resistencia gravitacional en subidas y “resistencia a la rodadura”.
Para tener idea de magnitudes consideremos que un ciclista con una bici que en conjunto pesen 80kg, en terreno llano y sin viento, puede necesitar entre 200 y 250 vatios para vencer la resistencia aerodinámica a 40km/h, dependiendo de su área frontal efectiva, y entre 35 y 70 vatios para vencer la resistencia a la rodadura sobre un asfalto liso dependiendo de los neumáticos y presión utilizados.
Es decir que la resistencia a la rodadura se trata de un componente que tiene un importancia no despreciable en el rendimiento, en esta primer parte analizaremos la naturaleza de este componente a partir un trabajo del Ing. Mecánico y ciclista Tom Anhalt publicado en Tires and wheels for timed cycling events.
Causas de la resistencia a la rodadura
La resistencia a la rodadura de un neumático es el resultado de la disipación de energía en la flexión de materiales, un fenómeno también conocido como histéresis en el que el material cuando se expande no devuelve toda la energía que absorbe al contraerse.
En reposo el neumático se deforma hasta que el área de contacto multiplicada por la presión del aire en el neumático es equivalente al peso que soporta el neumático, si se incrementa el peso, o se disminuye la presión del neumático, el área de contacto se hará más grande y viceversa.
Cuando la rueda gira, en la parte delantera del área de contacto el neumático se está comprimiendo, mientras que en la parte trasera ocurre lo contrario: el neumático se expande y devuelve la fuerza de compresión a la superficie. La diferencia de fuerza ejercida entre los dos extremos del área de contacto es el resultado directo de la disipación de energía en la estructura del neumático.
Si sustituimos el conjunto de fuerzas ejercidas en ambas secciones del área de contacto (desde el eje hacia adelante y desde el eje hacia detrás) por dos fuerza equivalentes, vemos que la fuerza correspondiente a la porción delantera es mayor que la correspondiente a la porción trasera y que está desplazada por delante del eje, de la misma manera que la fuerza de la porción trasera está desplazada por detrás del eje.
Estas dos fuerzas desplazadas generan pares de torsión alrededor del eje: la parte trasera genera un par favorable al giro de la rueda, mientras la delantera genera un par mayor que se opone al giro de la rueda. La diferencia entre estos dos pares resulta en un par opuesto al giro de la rueda.
Este par resultante es lo que se denomina resistencia a la rodadura.
Se sabe que el mecanismo de transmisión usado en el ciclismo es muy eficiente y ha permanecido sin cambios durante décadas, no parece un aspecto donde se puedan lograr grandes mejoras, pero veamos que dice la ciencia al respecto.
A fines de la década del ’90 investigadores de la universidad Johns Hopkins con el apoyo de Shimano realizaron estudios sobre la eficiencia de las transmisiones utilizadas en el ciclismo.
El equipo dirigido por el profesor James Spicer utilizó un mecanismo basado en un freno electromagnético para simular la carga en el piñón y un motor eléctrico para simular el pedaleo del ciclista midiendo el torque y la velocidad angular en ambos ejes a fin de calcular la potencia en el plato y el piñon:
La relación entre ambas es la eficiencia mecánica de la transmisión:
Eficiencia% = 100 * (Potencia medida en el eje de la rueda trasera) / (Potencia medida en el eje de la caja pedalera)
La hidratación en el triatlón, especialmente en el de larga distancia, es sumamente importante pero en esta nota no nos ocuparemos de que y cuanto beber, sino de como transportar el líquido en la bicicleta con el menor incremento posible en la resistencia aerodinámica.
En este área existe información contradictoria, probablemente debido a que las primeras pruebas se realizaron con cuadros de caños redondos o de perfil aerodinámico de rendimiento muy inferior a los actuales.
En esas pruebas por ej. se encontró que una camañola redonda en el caño del asiento o un aerodrink en el acople mejoraba la aerodinámica de estos cuadros, posiblemente debido que esconden -al menos parcialmente- perfiles no optimizados.
Los cuadros actuales de alta gama tiene pefiles aerodinámicos mejor desarrollados en los cuales la introducción de estos componentes produce una desmejora de su comportamiento aerodinámico y por la cuestión es cómo transportar el líquido con el menor perjuicio.
En una discusión reciente en slowtwitch.com respecto a las caramañolas o bidones aerodinámicos el ingeniero de Specialized Mark Cote aportaba el siguiente diagrama de Mecánica de Fluidos Computacional (CFD) muestrando las perturbaciones que provocan en el flujo de aire dos bidones o caramañolas ubicados en el cuadro:
En el ciclismo de escalada la velocidad de ascenso está directamente relacionada con la relación peso-potencia (Watts/kg) del ciclista pero en las etapas de ciclismo contrarreloj llanas y en los tramos de ciclismo de (la mayoría de) los triatlones sin drafting está ligado fundamentalmente a la relación entre la potencia y su área de resistencia aerodinámica (Watts/CdA), en ambos casos con una contribución secundaria -aunque no despreciable- de la resistencia a la rodadura. Cuando hablamos de potencia en este caso nos referimos a la que el atleta puede generar de manera sostenida durante la duración de su prueba objetivo o 1h (esta última llamada Umbral Funcional).
Área Frontal Efectiva (CdA)
El área frontal efectiva es el producto del área frontal (A) por el Coeficiente de Resistencia Aerodinámica (Cd).
CdA = Cd * AEl área frontal (A) es la superficie perpendicular a la dirección de avance y es bastante intuitivo que la resistencia aumente en la medida que ésa aumenta, el Cd en cambio tiene en cuenta la manera en que la "forma del objeto" afecta la resistencia aerodinámica.
En la siguiente figura podemos ver los valores del Cd de algunas formas comunes:
En el caso de los ciclistas en bicicletas de contrarreloj o triathlon el valor típico del Cd es del orden de 0,7.
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