Aerodinámica en la bicicleta.

Llevaba mucho tiempo queriendo hacer un estudio cuantitativo de los factores que afectan a la aerodinámica de la bicicleta. El uso del PT y el desarrollo que estoy a punto de terminar de unas tapas de carbono para convertir una rueda estándar en una rueda lenticular y todas las pruebas que le he hecho (y que sigo haciendo) me han dado el empujón definitivo para hacerlo.

Antes de nada, decir que en este capítulo (en otros que vendrán luego, sí), yo no he inventado nada. Sólo he recopilado información de blogs (sobre todo el de Ale Martinez), foros, etc y le he puesto números a las cosas que dicen, las he comprobado en la medida de lo posible, y las he pintado en gráficas creo que bastante ilustrativas.

He prestado especial atención en el ángulo aparente, parámetro imprescindible para determinar cuándo unas ruedas aerodinámicas funcionan y cuándo no, y que me parece que no está suficientemente explicado, ni se le da la importancaa que, en mi opinión, tiene.

Espero no meter ninguna gamba y que ilustre en lo posible. Como siempre, se admiten todo tipo de comentarios y sugerencias. Ahí va:

La potencia que un ciclista desarrolla encima de la bicicleta se consume en los siguientes aspectos.

1. vencer la resistencia aerodinámica.
2. vencer el rozamiento
3. vencer a la gravedad
4. acelerar.
5. superar la fricción entre elementos mecánicos.

Exceptuando el caso de fricción entre elementos mecánicos, el resto de las componentes puede evaluarse matemáticamente:

1.-La potencia para vencer la resistencia aerodinámica es:

Paero = 0.5ρVa² Cd A Vg;         Ec. 1

siendo

ρ= densidad del aire (kg/m³).

Vg: velocidad del ciclista (m/s).

Va: velocidad del aire que incide sobre el ciclista de forma frontal (Vg + Vairefrontal)(m/s)

Cd: coeficiente aerodinámico

muy importante el criterio de selección de ángulos y los signos. Yo he tomado como ángulo 0º, cuando el ángulo incide de forma frontal de forma que siempre se cumple que:  V= Vg + Vviento *cos (alpha).

Ejemplo, en el caso de viento frontal la velocidad aparente es mayor, como el coseno de 0º= 1, V=Vg+Vviento

En el caso de viento de culo, la velocidad aparente es menor, como el coseno de 180º= -1, V=Vg-Vviento

A: Área que enfrenta el ciclista al Aire (m²).

2.- Potencia de rodadura

Prodadura =Crr x M x  Vg;           Ec. 2

siendo,

Crr: coeficiente de rodadura

M: peso del conjunto bici + ciclista (kg)

vg: velocidad del ciclista (m/s)

3.-Potencia para superar una pendiente

Ppte= M x g x Vg x sen (α); Ec. 3

sen α= sen (arctag(Δh/ Δd)); Ec. 4

Para ángulos pequeños, el seno se puede aproximar a la tangente, por lo que

sen α= Δh/ Δd =Pendiente; Ec. 5

4.-Potencia para acelerar

P = 0,5 x (M + I/r²)x (V_f²– V_i²)/(t_f-t_i); Ec. 6

siendo,

M: peso del conjunto bici + ciclista (kg)

I: momento de inercia de las ruedas. (kgm2)

r: radio exterior de la rueda (m)

Vf: velocidad final tras la aceleración(m/s).

Vi: velocidad inicial antes la aceleración (m/s).

tf: instante de tiempo final (s).

ti: instante de tiempo inicial (s).

De todas ellas, cuantitativamente, la potencia aerodinámica es la más importante, y también en la que más fácilmente se pueden alterar parámetros para modificarla.

Como ejemplo, si suponemos un ciclista pedaleando a una velocidad constante, en llano, sin influencia del viento y despreciamos las pérdidas en fricción de elementos mecánicos: considerando un valor típico de Crod de 0,0025, para una masa de 85kg, a 35 km/h, con un coeficiente CdA estándar de 0.41 se obtiene una potencia de 24,3w. Respecto a la potencia total de 253w,  supone sólo un 9%. El resto se emplea en vencer la resistencia al aire (91%!!).

Ganancia Aerodinámica

Para simplificar este  análisis se supondrá un perfil de carretera llano y velocidad constante, de forma que sólo la resistencia aerodinámica y la resistencia a la rodadura, provocada por el rozamiento, serán tenidas en cuenta, eliminando los efectos de la gravedad y de aceleración

La resistencia de rodadura, además de pequeña respecto a la aerodinámica, es constante siempre que se ruede en el mismo lugar (velódromo), con las mismas cubiertas/tubulares y con la misma presión, por lo que rápidamente se deduce que si se quiere reducir la potencia necesaria para ir a una misma velocidad (o lo que es lo mismo, con la misma potencia ir más rápido) hay que tratar de reducir la resistencia aerodinámica.

La forma más sencilla de reducción de la potencia invertida en vencer la resistencia aerodinámica,  es la reducción del área frontal. La relación entre el área frontal y la resistencia aerodinámica es lineal, por lo que una reducción del 10% en el área, supone un 10% de la potencia necesaria para mantener una velocidad dada.

Tanto unos acoples como una bicicleta con geometría de contrarreloj, modifican sustancialmente este área, bajando la cabeza y el tronco del ciclista y aproximando los brazos.

En las fotos se puede apreciar cómo con un manillar más bajo, y con los codos más juntos, un ciclista de estatura 20 cm mayor, puede tener prácticamente el mismo área frontal.

Ciclista alto: 0.4280 m2; color negro.

Ciclista bajo: 0.4164 m2; color verde. ( 2.7% de diferencia)

Sin embargo, una buena posición aerodinámica no es sólo la que busca una reducción del área frontal, sino también la que tiende a eliminar cambios bruscos en el flujo del aire, que se verán reflejados en el coeficiente aerodinámico: Cd.

Por ejemplo, un casco aerodinámico no reduce la superficie frontal, pero sí ayuda a crear un paso del aire más suave a través del ciclista, sin cambios bruscos de sección, de forma que el aire permanezca en flujo laminar y no turbulento.

En este dibujo, extraído del libro «Mecánica de vuelo», de A.C Kermode, se puede ver cómo pasa el aire sobre una placa plana. Cuánto más inclinada esté, más turbulencia creará tras de sí. 

En el mismo sentido trabajan las ruedas aerodinámicas, que tienen como objetivo fundamental reducir el coeficiente de resistencia, Cd.

El ángulo aparente

Empresas como HED o Zipp tienen publicados datos de ensayos de túnel de viento, en los que se cuantifican las ganancias de una rueda aerodinámica. Estas ganancias son muy variables en función de la combinación de ángulo y velocidad del aire incidente sobre la rueda. Estos dos parámetros se unen en uno sólo denominado: ángulo aparente .

Existen datos de hasta 25º de ángulo aparente. Salvo alguna excepción, con una rueda aerodinámica, cuanto mayor es el ángulo aparente, mayor es la ganancia.

Los datos de resistencia que publica HED son drag (resistencia expresada en gramos de fuerza), son en función del ángulo aparente.

El ángulo aparente es el ángulo con el que incide el viento sobre la rueda cuando el ciclista está en movimiento y depende de:

-velocidad del ciclista

-velocidad del viento

-ángulo del viento.

V_frontal =V_viento x cos (α); Ec. 8

V_lateral =V_viento x sen (α); Ec. 9

V_aparente= V_bici – V_frontal.; Ec. 10

Para hacernos una idea del orden de magnitud del ángulo aparente, y en qué condiciones se da cada valor, se han dibujado las siguientes gráficas:

Para una velocidad típica constante de 35 km/h, y unas velocidades de viento de 10 y 20 km/h, se obtienen los siguientes ángulos de viento aparente en función del ángulo de incidencia sobre la bicicleta.

Se puede comprobar que en el caso de un viento de 10 km/h siempre se obtienen un ángulo aparente menor de 20º, por lo que llevar una rueda aerodinámica siempre sería ventajoso.

En el caso de un viento de 20 km/h, para superar los 30º de ángulo aparente, donde parece que una rueda aerodinámica puede perjudicar, el viento tiene que incidir con un ángulo de entre 30 y 90º respecto al ciclista. Nunca se superan los 35º de ángulo aparente.

Por otro lado, se representa cómo varía el ángulo aparente con la velocidad del viento, cuando éste incide sobre el ciclista con un ángulo de 60º, que es un caso bastante desfavorable, suponiendo de nuevo una velocidad del ciclista de 35 km/h.

Finalmente, en la siguiente gráfica se representan los puntos (condiciones de viento: velocidad y ángulo) en los cuales, para una velocidad del ciclista de 35 km/h, el ángulo aparente es menor de 20º, punto hasta el cual existen datos publicados de test de las ruedas aerodinámicas. Esto no quiere decir que para ángulos aparentes mayores de 25º las ruedas aerodinámicas no aporten ganancias, pero si hay una fiabilidad demostrada por ensayos en túnel de viento, de que bajo esas condiciones funcionan mejor.

Cuánto se gana con unas ruedas aerodinámicas

Existen datos publicados por los fabricantes de ruedas más importantes del mundo, en los que se cuantifican estas ganancias. Sin embargo, al estar más expuesta al viento, una rueda delantera aporta más ventaja que la el mismo perfil en una rueda trasera.

Zipp presenta las mejoras de sus ruedas, cuantificadas en watios:

http://www.zipp.com/_media/pdfs/support/aero_edge09.pdf

Según sus datos, para un juego de ruedas de 58 mm de perfil (404) ahorra 23w. Los datos están referidos a un juego de ruedas base de Mavic Ksyrium. El ángulo aparente de viento es de 10 grados y la velocidad de 48km/h a 300 vatios.

Fuente:

http://www.amtriathlon.com/2008/04/impacto-aerodinmico-de-las-ruedas-zipp.html#ixzz0z7vvqxQs

Según Zipp, una lenticular trasera (Sub9) ahorraría otros 7w sobre el una trasera 404.

Más completa es la información que proporciona HED sobre sus ruedas, en las que aporta curvas del drag( (resistencia al aire en gf) en función del ángulo aparente, en un rango de 0º a 20º, que como se ha visto en el apartado El ángulo aparente, es un rango en el que se encuentran la mayoría de condiciones.

Si se compara un disco Jet, con una rueda Jet6 (perfil de 60 mm), se puede ver cómo con un ángulo aparente de 0º la diferencia es prácticamente nula. Sin embargo, con un ángulo aparente de 15º, se obtiene la máxima diferencia entre ambos que es de 120- 10 = 110 gramos de drag. Frente a una rueda convencional, la diferencia es de unos 200 g. O lo que es lo mismo, 10 y 20 w para una velocidad de 35 km/h.

Esto quiere decir que con un ciclista a 35 km/h, con un viento de 15 km/h que incide sobre el ciclista con un ángulo de 60º, se obtiene el máximo beneficio: ¿cuánto?

Para un ciclista a 35 km/h, (que pueden suponerle tener que aplicar 245 w para superar la  potencia aerodinámica, con una buena posición aerodinámica CdA=0.3), representa una ganancia de entre un 5 y un 10% en watios, que representan entre 0,6 y 1,2 km/h de aumento, que para una crono de 40 km suponen 70 y 140 segundos.

Para pasar los gramos-fuerza de drag (que es constante, indenpendientemente de la velocidad de la bici, aunque sí dependen de la velocidad y ángulo del viento) a watios hay que:

1.-pasarlos a kg-f (dividir entre 1000),

2.-pasarlos a N: multiplicar por 9.81,

3.Convertirlos en Potencia= F*V, multiplicando por la velocidad.

Para simplificar, dentro de este rango de velocidad y de estas potencias: Por cada watio ahorrado, para 40 km, 6,5 seg de ahorro, por lo tanto:

En 40 km: 100 gramos drag: 1N -> 10 w: 65 seg.

ESTIMADOR DE POTENCIA

Si habéis leído hasta aquí, debe ser que el tema realmente os interesa así que os dejo una cosilla de premio. Basándome en las ecuaciones mostradas en el post, he hecho, con mis bastantes limitados conocimientos de programación, un pequeño programa que estima:

-la potencia necesaria para ir a una velocidad constante, conociendo Crr y CdA,

-el CdA a partir de la potencia desarrollada para mantener una velocidad constante.

Se puede modificar la pendiente, el ángulo y velocidad del viento, el CdA, el Crr… Como su nombre indica, hace estimaciones, no predicciones, porque como explicaré más adelante, estos parámetros dependen mucho de lo realmente constante que se a la velocidad y sobre todo, del viento. También calcula el ángulo aparente para las condiciones de viento que se introducen. Así os ahorráis un par de senos y cosenos…  Espero que guste.

Objetivos 2011.

Después de un par de meses pensándomelo, ya tengo más o menos claros los objetivos de este año: si mi tendón de Aquiles me lo permite, este año doy el paso definitivo a larga distancia. Esto no quiere decir, ni mucho menos, que no corra cortas ni que el paso sea irreversible.

En 2010, bien porque mis horas de entrenamiento no dan más de si, o porque he estado semi-lesionado media temporada, no he mejorado todo lo que quería, sobre todo en el agua. De esta forma, sin ser bueno en ciclismo (haber corrido en aficionados o poder entrenar con la bici 4-5 días/semana), es díficil hacer nada. Así que el paso a larga es más o menos lógico.

Siempre me han llamado más las carreras explosivas, pero el rollito de la cabra, la aerodinámica, etc… me ponen muchísimo… y en 2011 el triatlón de Vitoria vuelve acelebrarse en distancia C, pero pasando por el centro de mi ciudad.. Y eso sí que no me lo puedo perder. Así que larga…
Y ya puestos a cambiar la forma de entrenar, como todo el mundo me dice que el entrenamiento para un C es más parecido a un IM que a un doble olímpico, pues por qué no hacer un Ironman de una vez, que ya va siendo hora después de 9 años.  Si Vitoria es en Junio, tengo que descansar un poco.. y no me apetece ir hasta Castroculo con la bici en un avión.. Pues el elegido es el Challenge de BCN-Maresme, «cerca» de casa, con un perfil adecuado para sacarle partido a mis laminar cover, a la cabra, a la posición, etc. y con una organización que es un seguro de vida. (que bien se paga, por cierto)
Y visto como funcionan estas carreras de resistencia, el sub-reto es conseguir de una vez por todas equiparar en lo posible mi nivel corriendo en pruebas de 5-10 km a distancias más largas. Todo eso después de 120 y 180 km en bici… Cuando lo máximo que he hecho hasta ahora han sido 130 km….
Ahí esta el reto. Así que quedan muchas horas de entrenamiento por delante, aunque cuento con la ventaja de que no lo haré sólo, y de que tengo el apoyo de quien realmente tengo que tener, que falta me va a hacer seguro.

Hasta entonces, tengo una serie de objetivos, que mejor que secundarios, me gusta llamarlos pasos previos, ya que no los afronto con menor ilusión.
-Media Maratón de Vitoria. Bajar de 1.19
-San Silvestre de Vitoria. 50 primeros.
-Triatlón de Ansó. Mejorar lo del año pasado.
-Triatlón de Elche (aunque dependerá del calendario)
-Senpere por equipos. Rascar pasta
-Cpto Euskadi por equipos. Podio.

y todas las que seguro que irán surgiendo y me acabarán picando.

Y qué voy a hacer para conseguir esto?

1) dos días de pesas a la semana, para conseguir y mantener un tono muscular que consiga soportar la carga de trabajo que me voy a meter.

2)Correr a pie de verdad. Por lo menos dos días a las semana al principio. En la maratón es donde se decide si el resultado final es bueno o no.

3)Mucha bici. Con bastantes más salidas por encima de los 100-120 km de las que he hecho hasta ahora (entre 4 y 5..)

4) Cuidar mi alimentación, eliminado en lo posible lácteos, azúcares, productos derivados del trigo y alcohol.

Voluntas omnia vincit.

ISM Adamo: Racing vs Breakaway.

No había oido hablar de los sillines Adamo, hasta que se lo vi a Eneko. La primera impresión: feísimo. Pero bueno, que mi próstata y mis dolores/molestias en el perineo, igual eran más importantes que la estética, ¿no?

Llevo unos años con el Fizik Arione Tri2,mucho más cómodo que el Tri, que es tiene la misma forma (con los famosos 30 cm) pero bastante más duro en la punta. Pero después de muchos kilómetros,  acaba molestando.

Conseguí que dejaran el modelo Racing (el de Eneko) para probar. Además de más corto que los sillines normales, 245 frente a 270 mm, es más ancho en la punta, y bastante duro. Me daba la impresión de que pasar de un sillín de 300 a uno de 245 no tenía mucho sentido en una cabra, porque me iba a quedar lejos del manillar, pero no es así. No sé muy bien dónde está el secreto, probablemente en la inclinación que tiene en la parte trasera, pero, literalmente, te tira hacia adelante y vas completamente echado encima del manillar. Eso sí, para ir sin acoplar…

Las conclusiones que saqué son las siguientes:

• Si no se ponen los railes horizontales, de forma que el sillín esté ligeramente inclinado hacia abajo, flipas, porque  los dos punto donde apoyan los huesillos (ya no se apoya el perineo, de eso se trata)) son muyyy duros.
• Es algo más alto que el Fizik. Al menos 5 mm.
• Cómodo no es. Es diferente. Tiene dos posiciones muy diferenciadas. Carretera y acoplado.
• Carretera, duele en los dos puntos de apoyo.
• Acoplado: bastante mejor, pero duro.
• Tampoco es que se note demasiado ancho. Se va tan en la punta que los los muslos apenas rozan.

Había oido que iban a sacar un modelo algo más estrecho y más largo. Me puse a mirar en internet, y efectivamente. Modelo Podium. Pero probablemente sería igual de duro, así que no se solucionaban los problemas: modelo Breakaway. Este sí, la misma geometría que el Podium, pero más acolchado. Disponible en R&A Cycles, así que aprovechando mi viaje a USA, me traje un par.

Creo que es EL SILLIN. Muy diferente al Racing. Es más largo, aunque eso tampoco se nota demasiado, bastante más blando, no tanto en la punta (que el Racing ya lo era) como en los dos puntos de apoyo.

Es más bajo de railes (no he tenido que tocar la altura de la tija respecto al Fizik Arione), y en este caso, no hay que poner los railes paralelos al suelo, porque al ser más largo, todavía te echa más encima del manillar.

Tras comprobarlo en carretera, y haciendo caso a Borja, incliné los raíles de forma que lo que dejé casi horizontal fue la zona de apoyo (que está bastante delante):

La diferencia de anchura se nota bastante, y a pesar de ser algo más ancho que un sillín estándar, los muslos no rozan como lo hacía el Racing, probablemente, porque se va más «fuera» del sillín. Se nota bastante que es una evolución del Racing, y que han hecho caso de la gente que lo ha usado.

El resultado global (o sea, conmigo encima), con el manillar horizontal, la tija a 82 cm, y el sillín casi horizontal en la zona de apoyo es:

Análisis de la temporada 2010.

Voy a escribir el análisis global de la temporada, que lo tengo en la cabeza desde hace tiempo, pero al paso que vamos, no escribo y luego se me olvida todo.

Diría que ha sido una temporada difícil pero bastante positiva.  Dífícil porque me he pasado la mitad de la temporada lesionado,  primero con la tendinitis en el tendón de Aquiles (que arrastré desde enero hasta abril, aunque sólo dejé de correr a pie) y después el dolor lumbar provocado por el mal funcionamiento de mi psoas.

Para valorar los resultados, es momento de ir al post de los objetivos:

Objetivos 2010

Lo primero, la temporada se concentró mucho más de lo previsto inicialmente, debido a que en agosto iba a pegarme las vacaciones de mi vida, que en un primer momento no estaban previstas: un viaje a USA (NYC, Las Vegas, San Francisco y Yosemite), pudo más que ir a Pulpí a correr en grupos ( y menos mal, porque según lo que he leido por ahí, en la FETRI van de mal en peor con los grupos de edad).

Así que en lugar de los dos picos, se trataba de alargar lo más posible el de(abril) -mayo-junio- (julio).

En primer lugar, Ansó: terminar fue para mi un éxito, aunque lo de esquí fue bastante agónico. Tenía una ilusión tremenda por hacerlo, y terminé, pero para el año que viene, hay que ir más preparado. Ya lo he hecho, ahora hay que hacerlo, por lo menos, dignamente.

Elche: era objetivo secundario, pero el ambiente que se creó las semanas previas a la carrera y el replanteamiento de temporada, hizo que pasara a prioritario. Terminar en el puesto 75 entre más de 1000 participantes, con algo más de 200w en mi primera carrera con cabra, y corriendo en, 1.34, uno de mis mejores parciales en media distancia, con un entrenamiento a pie de dos días, y en la semana de la carrera, en un recorrido durísimo, no puedo calificarlo de otra manera que éxito.

Madrid: probablemente la mejor carrera de mi vida. Salió el día cuando tenía que salir y pisé el podio por primera vez en un triatlón (individual). No creo que nunca la pueda olvidar.

Y a partir de aquí, me vine un poco abajo:

Lekeitio: bien, pero sin alardes,

Onditz, muy justo y con una muy mala natación.

Pálmaces: requetepasado, y con poco entrenamiento.

El Rasillo: no era objetivo, pero un 6º puesto es para mencionarlo 🙂 a pesar de que no había mucho nivel.

Así que está claro que el pico de forma no ha aguantado. Hace un par de años expliqué la herramienta creo que de Coggan de Performance Management.

http://www.donostri.net/blogs/wallace78/2009/01/analisis-objetivo-temporada-2008-la-carga-de-entrenamiento/

Este año he hecho algo parecido, peor en lugar de con el WKO+ que es un peñazo de actualizar, con una hoja de Excel del blog de Ale Martinez, que es mucho más rápido.

Este método tiene algunas cosas que no me gustan del todo, o que simplemente es imposible de contemplar, como puede ser que no se contabiliza los días que estas enfermo, los que has dormido mal, los viajes, etc.. Cosas que fatigan pero que no son entrenamiento… pero bueno, para hacernos una idea, yo creo que es bastante útil. Pongo la curva que me sale del entrenamiento de la temporada (suponiendo que parto de una Adaptación (o estado de forma de 40) y los valores que he tenido en las fechas de competición… Cuadran bastante con las sensaciones que tuve y cómo lo veo ahora.

	CTL	Recuperación	Estado/Sensación
½ Maratón	62	-24	Corto de forma
Rivas	98	5	Bueno
Corella	113	-42	Reventado de Benidorm
Elche	106	13	Muy bien
Senpere	107	11	Muy bien
Senpere	108	13	No refleja el cansancio del día anterior
Hondarribi	112	-3	Bastante bien
Deba	114	-4	Muy bien
Madrid	111	7	Excelso 🙂
Lekeitio	100	25	Bien
Onditz	96	23	Regular
Pálmaces	91	13	Mal
El Rasillo	92	12	Justo

Se ve que cuando he tenido el valor de recuperación positivo, he corrido mejor, y que para obtener un resultado aceptable, tengo que estar por encima de 100 en Adaptación. Son valores aproximados, pero creo que bastante fiables.

Para 2011, voy a intentar llevarlo un poco más al día, porque me parece una herramienta interesante, por lo menos para planificar cargas, aunque al final, siempre hay que escuchar al cuerpo.