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Consejos para Profesionales

Como ir mas rapido en tu bici: Aerodinámica

Los principios de la aerodinámica se han aplicado en la aviación, automovilismo, motocicletas, en esquí, en el patinaje etc. Entonces porque hasta hace poco la bicicleta ha sido ignorada, siendo que la resistencia del aire es la mayor fuerza de frenado que las afecta. En una bicicleta, por ejemplo, a velocidades superiores de 30 kilómetros por hora llega a ser más del 80 por ciento de la fuerza total de frenado. En este articulo se explicara el porque de este abandono y resaltar la atención que se le debe dar a la aerodinámica en el rendimiento de este vehículo terrestre de propulsión humana.

Si comparamos una bicicleta, con una de hace un siglo su forma se ha mantenido casi igual (ver figura 6). La Rover Safety Cycle, introducida en Inglaterra en 1884, podría pasar fácilmente por una bicicleta moderna: carece de ciertos accesorios como los frenos y los desarrollos múltiples. Cabe anotar que los diseñadores y usuarios de bicicletas sabían de la importancia de la aerodinámica, pero las restricciones en el diseño impidieron la aplicación de la tecnología. En ese entonces era tan obvio como ahora que ha velocidades de competición entre 32 y 48 kilómetros por hora, las fuerzas debida al viento eran grandes.

En 1900 era habitual la posición en cuclillas del corredor para reducir así la resistencia del aire. Otra practica adoptada antes de 1900 fue la de poner un tándem múltiple delante del ciclista para protegerlo del viento(ver tabla 1.1). En 1895, el galés Jimmy Michael recorrió 46 kilómetros en una hora detrás de un tándem de cuatro. En 1899, Charles Murphy (alias "Milla por Minuto"), de Estados Unidos, pedaleo durante una milla(1,609 kilómetros) a 101,8 kilómetros por hora, detrás de un tren de la compañía Long Island, sobre un camino construido para esa ocasión.

En 1912, Etienne Bunau-Varilla, de Francia, patentó un fuselado para bicicleta y ciclista, inspirado en la forma de los primeros dirigibles. Entre 1912 y 1933, las versiones de esta bicicleta y sus sucesoras establecieron los récords de velocidad en Europa. En 1933, él francés Marcel Berthet cubrió 49,98 kilómetros en una hora, montando un aparato fuselado llamado "Vélodyne". Su ritmo fue de unos 5 kilómetros por hora más veloz que cualquiera conseguido durante una hora en una bicicleta estándar.

En este año, el inventor francés Charles Mochet construyó una bicicleta de posición supina (el ciclista pedaleaba echado de espaldas) que posteriormente, fuseló. Con el corredor profesional FranÇois Faure, este "Velocar" (ver figura 1.2 y 1.3)estableció gran numero de récords de velocidad entre 1933 y 1938. Mochet y Faure esperaban que los récords fueran reconocidos por la Unión Ciclista Internacional, el organismo mundial que rige las carreras ciclistas; pero no lo consiguieron.

En 1938, la unión prohibía el uso de accesorios aerodinámicos y bicicletas de piloto acostado en las carreras: la norma continua aun en vigor. Esta prohibición constituyó un serio obstáculo para el desarrollo de bicicletas de gran velocidad, y es una de las dos razones principales por las que la bicicleta ha permanecido casi sin cambios durante tanto tiempo. (La otra razón reside en la preferencia por el automóvil en los países desarrollados, donde la bicicleta ha perdido su anterior interés como medio de transporte.)

La Unión ha empezado a empezado a bajar gradualmente sus restricciones sobre cambios en la aerodinámica, aunque la posición recostada del piloto sigue prohibida. Los trajes muy ceñidos y de una pieza se han hecho habituales en las carreras ciclistas internacionales desde 1976. Se ha permitido cascos aerodinámicos, secciones en forma de gota para los tubos de cuadro, palanca de freno carenadas y otros componentes mejorados aerodinámicamente. Desde el apogeo de la bicicleta en el siglo XIX los cambios tecnológicos en toda clase de vehículos de propulsión humana están floreciendo a un ritmo desconocido (ver figura 4).

Estos cambios pueden atribuirse en parte, a una serie de hechos acontecidos en California. En 1973 Chester R Kyle y Jack H. Lambie consultor de aerodinámica, trabajando independientemente, construyeron y probaron las dos primeras bicicletas fuseladas en Estados Unidos (ver figura 1) A diferencia de sus predecesores, Kyle y Lambie midieron la reducción de la resistencia conseguida con el fuselado. Para ello realizaron numerosas pruebas a rueda libre, en las que se dejaba decelerar un vehículo no propulsado sobre una superficie llana. En estas condiciones, la deceleración del vehículo es proporcional a la fuerza total de frenado que actúa sobre él; con instrumentos se mide la velocidad y la deceleración. Kyle y Lambie, que publicaron sus resultados por separado, concluían que la fuerza de resistencia total en una bicicleta podría reducirse en más del 60 por ciento con un fuselado en forma de ala vertical que encerrase a la bicicleta y al ciclista. (Hasta después de dos años, ni Kyle y Lambie sabrían que ya se había construido en Europa vehículos similares.)

En el puerto aeronaval de Los Alamitos, Ronald P. Skarin, ciclista olímpico de Estados Unidos, estableció cinco récords mundiales de velocidad montando la bicicleta fuselada de Kyle, en 1974. A raíz de estos éxitos Kyle y Lambie decidieron organizar una carrera para vehículos de propulsión humana sin restricciones. El 5 de abril de 1975, en Irwindale, California, 14 vehículos distintos hicieron parte de esta histórica carrera. Muchas de ellas eran de piloto recostado, algunas con el corredor pedaleando en posición supina (cara arriba) y otros en corredor en prono (cara abajo). Los habían propulsado por manos y pies. El ganador fue un tándem fuselado diseñado por Philip Norton profesor del instituto en Near Claremont, California, a 72,2 kilómetros por hora. Los ciclistas fueron Norton y Christopher Deaton, corredor cualificado, pero no de talla mundial. (La bicicleta de carreras convencional más rápida sin ayuda ha alcanzado los 69,91 kilómetros por hora, récord establecido en 1982 por el soviético Sergei Kopylov, ciclista de clase mundial.)

En 1976, los participantes de esta carrera fundaron la Asociación Internacional de Vehículos de Propulsión Humana. Su propósito era reconocer las competencias en los que vehículos de propulsión humana no tuvieran limitaciones de diseño. A partir de entonces, se han realizado docenas de carreras en muchos países, las maquinas se han vuelto más refinadas y las velocidades han aumentado sin parar.

Actualmente, el vehículo más rápido del mundo es el "Vector Tándem". Este fue construido por un equipo encabezado por Allan A. Voigt, ingeniero que, como presidente del Versatron Research, Inc. diseña principalmente servomotores aeroespciales. (Los pedaleadores van en posición supina, mirando en direcciones opuestas.) En 1980, tras una toma de velocidades de alrededor una milla (1,6 kilómetros), recorrió 200 metros a 101,24 kilómetros por hora en la pista de carreras de Ontario, en California. A finales de ese año, el "Vector Tándem" consiguió una velocidad media de 81,3 kilómetros por hora, durante 64 kilómetros, en la carretera de Stockton a Sacramento.

Estas velocidades, se deben casi por completo al producto de la aerodinámica. Un ciclista que vaya a 32 kilómetros por hora desplaza, normalmente, unos 450 kilogramos de aire por minuto. Cuando la maquina y el corredor no son aerodinámicos, dejan una estela considerable y pagan un alto costo en energía humana.

El Rendimiento de una Bicicleta

El rendimiento de una bicicleta se ve afectado por dos clases de resistencia la aerodinámica: resistencia de presión (o forma) y la resistencia de fricción. La de presión se produce cuando el flujo de aire no logra adaptarse al contorno del objeto que se mueve. Esta separación del aire hace que la distribución de presión varíe sobre el objeto, esta se produce hacia la parte de atrás de la bicicleta, haciendo que la presión del aire allí sea menor que en la superficie delantera, produciendo resistencia.

La resistencia de fricción se debe a la viscosidad del aire. Las formas romas, tales como cilindros, esferas, y otras formas habituales en una bicicleta, resultan ineficaces desde el punto de vista aerodinámico, por la razón de que el flujo de aire se separa de ellas, formándose zonas de baja presión detrás de estos objetos, produciendo una resistencia de presión centenares de veces mayor que la de fricción. Ocurriendo todo lo contrario en las formas aerodinámicas, donde el aire fluye suavemente, cerrándose detrás del objeto. La resistencia de presión se reduce bastante pero la resistencia de fricción cobra mayor importancia.

Para una eficiencia máxima, los vehículos deberán diseñarse minimizando la transferencia de energía que se le da al aire debido a estas dos clases de resistencia. Con las actuales tecnologías, la resistencia aerodinámica absorbe del 40 al 50 por ciento de la energía del combustible consumido por el automóvil o un camión a 88 kilómetros por hora. Puesto que la bicicleta tiene menor potencia, peso y resistencia a la rodadura y una pobre aerodinámica, la resistencia absorberá, un porcentaje mayor de la energía consumida a velocidades superiores a 16 kilómetros por hora.

El coeficiente de resistencia designa el rendimiento aerodinámico de un perfil. Un perfil ineficiente, una esfera tendrá un coeficiente de, 1,3, mientras que una forma aerodinámica, la de una gota, tendrá uno menor de 0,1. En los vehículos terrestres, la resistencia aerodinámica es, casi, directamente proporcional al producto del área frontal por el coeficiente de resistencia. Por convenio se le llamara área frontal efectiva a este producto. Para saber cuál de los vehículos tiene menor resistencia aerodinámica, no basta comparar sus coeficientes, también hay que tener en cuento el tamaño de la maquina. Esto se consigue con el concepto de área frontal efectiva. Una bicicleta corriente , con su ciclista tendrá un área frontal eficaz entre 0,3 y 0,6 metros cuadrados, mientras que fuselados puede no llegar a 0,045 metros cuadrados.

La fuerza de resistencia aerodinámica aumenta con el cuadrado de la velocidad. Y como la potencia es proporcional al producto de la fuerza de resistencia por la velocidad; así, la potencia necesaria para conducir un objeto a través del aire aumenta con el cubo de la velocidad. Por lo tanto, un pequeño incremento de velocidad requiere un gran aumento de resistencia, es decir, cuando un ciclista dobla repentinamente su potencia cuando va a 32 kilómetros por hora solo aumentara su velocidad hasta unos 42 kilómetros por hora. En cambio, la reducción de la resistencia aerodinámica tiene un gran efecto en el aumento de su velocidad. Si a 32 kilómetros por hora , la resistencia del aire se reduce a la mitad , un ciclista que no varíe su potencia aumentara su velocidad a 39kilómetros por hora. La razón es que la resistencia de rodadura permanece constante. En conclusión, las velocidades altas exigen un rendimiento aerodinámico extremadamente alto. Para conseguir la velocidad desarrollada por el "Vector tándem", una bicicleta convencional necesitaría más de 6 caballos de vapor, nivel de potencia claramente imposible para un ser humano. La potencia aproximada de cada ciclista en el "Vector Tándem", fue de un caballo de vapor y alcanzo una velocidad de 101,24 kilómetros por hora. (1caballo de vapor equivalen a 0.7354 kw de potencia).

Formas de Reducir la Resistencia Aerodinámica

Hay tres formas: en primer lugar, pueden reducir la cantidad de energía malgastada en la interacción del vehículo con el aire. Esto se hace fuselando (perfilando el frente y el dorso de los objetos romos para minimizar la resistencia a la presión) y suavizando las superficies rugosas para minimizar la resistencia a la fricción (ver figura 5). En segundo lugar, se pude disminuir la cantidad de aire por cada segundo de avance. Esto se consigue disminuyendo el área frontal efectiva del conjunto vehíclo-piloto. El mismo efecto se puede lograr pedaleando a grandes latitudes. En tercer lugar, el ciclista puede encontrar aire moviéndose de forma tal que produzca viento de cola. El ejemplo más claro es cuando corre muy cerca de la estela de otro vehículo. A grandes altitudes, la atmósfera es menos densa y los ciclistas se enfrentan a menos aire. En la ciudad de México (de 2260 metros de altitud y la densidad del aire es solamente el 80 por ciento de la del nivel del mar) los récords son del 3 a un 5 por ciento más rápidos que los conseguidos a alturas inferiores. En, la Paz, Bolivia (altitud 3600 metros), los récords podrían mejorarse, teóricamente, en un 14 por ciento. En la luna sin atmósfera y con un sexto de la atracción de la gravedad, un ciclista convenientemente equipado podría correr a 383 kilómetros por hora con una potencia de 0,1 caballos de vapor.

Si se analiza a un ciclista, que al moverse en suelo llano a 29 kilómetros por hora, el 80 por ciento de la potencia generada se gasta para vencer la resistencia del aire, un 70 por ciento de este consumo se debe a la resistencia del aire y el 30 por ciento a la bicicleta. Y esto lleva a la conclusión, que para mejorar las actuaciones de un ciclista estándar, hay que mejorar primero la aerodinámica del ciclista.

Tomado de nodari.com.ar.