Ale Martinez Triathlon

En esta nota presentamos los resultados de una serie de pruebas aerodinámicas en tunel de viento que permite comparar el rendimiento de una amplia variedad de marcas y modelos de ruedas de ciclismo con diferentes perfiles y cantidad de rayos ó radios.

El uso del tunel de viento para medir el comportamiento aerodinámico de las bicicletas, con y sin ciclista, y sus componentes es una práctica habitual pero los estudios comparativos de componentes provenientes de diferentes fabricantes que hayan sido realizados de manera independiente y cuyos resultados están disponibles en forma pública y gratuita, no abundan, los que analizaremos ya tienen algo más de dos años pero siguen siendo de los pocos que cumplen con las condiciones enunciadas.

Protocolo de prueba

El protocolo utilizado para las pruebas consistió en fijar la rueda delantera a probar en una horquilla invertida con un mecanismo que la mantiene girando y expuesta a un flujo de aire de velocidad controlada mientras se varía el ángulo de incidencia entre 0 y 35 grados, en cada posición se mide la fuerza ejercida, representativa de la resistencia aerodinámica de la rueda a esa velocidad y con ese ángulo de incidencia. La configuración se puede apreciar en la foto inicial.

La prueba solo incluyó ruedas delanteras, en este caso el impacto aerodinámico sobre el conjunto bicicleta+ciclista es bastante directo ya que la rueda esta completamente expuesta, salvo algunos casos particulares de interacción de algunas ruedas con determinadas horquillas. El efecto de las ruedas traseras en cambio es más complejo dado que se hallan parcialmente ocultas por partes del cuadro e interactúan con este.

Resultados de las pruebas

El siguiente gráfico muestra, para un subconjunto de las ruedas que formaron parte de la prueba, como varía la resistencia aerodinámica (fuerza medida en N) con el ángulo de incidencia del viento:

Podemos ver como los mejores diseños presentan un una reducción de la resistencia aerodinámica con ángulos de incidencia superiores a los 5 grados y en el caso de la Zipp 808 esta reducción es muy notable en el rango de los 10 a 15 grados.

Es importante tener en cuenta que en la realidad el viento que se debe considerar es el viento aparente que resulta de la suma (vectorial) del viento real con el viento generado por el avance de la bicicleta:
Cuando consideramos este efecto vemos que los ángulos de incidencia que ocurren en la práctica no son demasiado elevados a menos que la velocidad de avance sea muy baja y el viento cruzado muy fuerte a la altura de la bicicleta, esta última consideración es importante dado que la velocidad del viento a esa altura es mucho menor que a la altura que habitualmente lo reportan las estaciones meteorológicas (del orden del 40-50% más baja), ver Viento, que viento ? para una discusión complementaria.

A fin de estimar el comportamiento en situación de carrera estos datos medidos para los distintos ángulos se  promedian, ponderando cada ángulo por su probabilidad de ocurrencia representada mediante una curva de Gauss con una desviación estándar de diez grados y media cero, y se obtiene un único valor. El dato obtenido está expresado como a la potencia necesaria para vencer la resistencia aerodinámica de la rueda una velocidad de 50km/h en esas condiciones.

Esta distribución otorga mayor peso a los ángulos de incidencia bajos que ocurren en condiciones de alta velocidad del ciclista y relativamente poco viento más propia de las pruebas contrarreloj, en las condiciones de menor velocidad del ciclista y mayor viento que tienden a caracterizar las competencias de triathlon de larga distancia una distribución que otorgara mayor peso al rango de los 5-15 grados sería más representativa.

En la siguiente tabla se pueden ver los resultados ordenados alfabéticamente incluyendo el alto del perfil y la cantidad de rayos (radios) de cada rueda probada:


Interpretación de los resultados e influencia en el rendimiento

Si bien una velocidad de 50km/h es representativa para el más alto nivel del ciclismo contrarreloj no lo es para el triathlon de larga distancia de manera que es interesante poder calcular el comportamiento a otra velocidad, si consideramos que la relación entre la potencia aerodinámica y la velocidad es cúbica (P~V^3) para obtener la potencia a una velocidad V hay que multiplicar los valores publicados para 50km/h por (V/50)^3. Por ej. para 40km/h resulta (40/50)^3=0,5, los watts necesarios para vencer la resistencia aerodinámica a 40km/h son aproximádamente la mitad que a 50km/h.

Adicionalmente para tener una idea aproximada del impacto que las diferentes ruedas tienen en el rendimiento en pruebas contrarreloj o sin drafting se puede utilizar la regla de aproximación que establece que una diferencia de 50 watts de potencia para vencer la resistencia aerodinámica a 48km/h (la velocidad más común en las pruebas de tunel de viento) corresponde a una diferencia de tiempo de 0,5 segundos por km ó 20 seg en una prueba de 40km. Esta regla es válida para diferencias relativamente pequeñas y tiene la particularidad de seguir siendo válida para velocidades menores pero como cota inferior, es decir la diferencia a menor velocidad va a ser mayor o igual al valor calculado.

Las dos consideraciones anteriores surgen a partir de las ecuaciones de movimiento, para una presentación más completa ver: Potencia y Aerodinámica en el Ciclismo: aplicación al triatlón de larga distancia.

En el siguiente gráfico se muestra la potencia necesaria para vencer la resistencia aerodinámica de la rueda a 50km/h en la escala izquierda, ordenadas me menor a mayor y la diferencia en segundos que se obtiene con esa rueda manteniendo el resto de las condiciones invariables y tomando como base la rueda que ofrece la mayor resistencia aerodinámica de todas las probadas (click para ampliar):

Altura del perfil, cantidad de rayos y diseño

A simple vista estos datos parecen indicar que la altura y el diseño del perfil son los factores determinantes en el comportamiento aerodinámico de las ruedas mientras que la cantidad y diseño de los rayos (radios) son el siguiente factor en orden de importancia, analicémoslo desde el punto de vista estádistico:


La regresión lineal muestra una razonable correlación negativa (R^2=0,66) entre el alto del perfil y la resistencia aerodinámica y una mucho menor correlación positiva (R^2=0,21) con la cantidad de rayos mientras que un análisis de regresión múltiple eleva el coeficiente de determinación a R^2=0,7, es decir que el 70% de la variabilidad encontrada en el comportamiento aerodinámico de las ruedas probadas se "explica" por estos dos factores.
La conclusión es que los resultados de estas pruebas no se trasladan automáticamente a otras ruedas de la misma altura de perfil y cantidad de rayos: otros factores no tan fácilmente cuantificables, como pueden ser el diseño del perfil y -en menor medida- los rayos, son importantes.

Más información: en una nota anterior se puede ver un análisis similar realizado con datos de dos fabricantes líderes en la materia: Impacto aerodinámico de las ruedas Zipp y Hed. Si bien los protocolos son diferentes es interesante verificar que la diferencia calculada con los datos de esta nota del orden de 8seg cada 40km entre una Zipp 808 delantera y una Zipp 404 delantera es consistente con la diferencia que Zipp reporta entre las combinaciones 808-808 y 404-808 a partir de pruebas con bici completa y ciclista cuya única diferencia es, justamente, la rueda delantera.
Más información sobre ruedas traseras: Discos y Tapas: comportamiento Aerodinámico.

Fuente: los datos utilizados corresponden a pruebas realizadas por revista alemana Tour y la francesa L'Acheteur Cycliste entre los años 2005-2007 utilizando el mismo protocolo y están disponibles en francés e inglés en la sección Etudes/Studies de http://www.rouesartisanales.com/.