En una bicicleta intervienen básicamente 5 fuerzas (suponiendo que viaja horizontalmente):
· El peso de la bicicleta
· La fuerza normal 
· La fuerza que genera el conductor a través de los pedales,
, (en el fondo esta fuerza se debe a que las ruedas empujan al suelo, y por ende el suelo empuja a la bicicleta).
· El roce aerodinámico 
, debido a las capas de aire que chocan con la bicicleta.
· El roce mecánico 
, entre las ruedas y el suelo.
Por lo tanto…
, por lo tanto 
. Entonces, la fuerza necesaria para mantener a la bicileta a una velocidad constante es…
El objetivo de esta parte del trabajo es poder identificar en qué consisten estas fuerzas y .
Roce mecánico
El roce mecánico esta dado por…
donde
es el coeficiente de roce mecánico. Para bicicletas comunes este valor varía entre 0.0015 y 0.015.
Pero como veremos más adelante, para velocidades mayores a 12 km/hr, el roce mecánico comienza a ser despreciable frente al roce aerodinámico, el cual es lo central de este trabajo.
Roce aerodinámico
Todos los ciclistas tienen que enfrentarse a la resistencia del aire (o drag). La mayoría de las bicicletas comunes tiene una aerodinámica bastante pobre. Pero debemos tener en cuenta de que a pesar de que la bicicleta sea aerodinámica, el cuerpo humano en esa posición no lo es. Por lo tanto, la reducción del roce aerodinámico pasa en gran medida por reducir el roce con el cuerpo humano.
El roce aerodinámico consiste de 2 fuerzas: la resistencia de presión de aire y el roce directo.
Arrastre debido a la presión
Un objeto irregular distorsiona el aire que circula alrededor de él, forzándolo a separarse del la superficie del objeto. Bajas presiones en regiones posteriores también generan un arrastre en contra del objeto. Con alta presión por delante y baja presión por atrás, el ciclista está siendo verdaderamente "jalado" hacia atrás.
El flujo de aire alrededor del ciclista puede ser laminar o turbulento. Si suponemos un flujo laminar, podría ser más simple estudiar el fenómeno. Mientras que si tenemos un flujo turbulento (en la realidad es así, sobre todo a velocidades altas), se complica bastante el análisis.
Figura 2
Arrastre debido al roce
El roce directo ocurre cuando el viento viene y choca la superficie del ciclista y bicicleta. Los ciclistas de carrera generalmente usan "trajes especiales" para reducir el roce directo.
El roce aerodinámico es producido por el choque de partículas de aire con la carrocería de la bicicleta y con el conductor. Al producirse el choque se genera un intercambio de cantidad de movimiento entre las partículas y el móvil. Mientras más rápido vaya la bicicleta, la variación de momentum de las moléculas será mayor, y por lo tanto mayor será la transferencia. Además, hasta ahora no hemos considerado el deslizamiento de láminas de aire, que también genera roce.
El roce directo es bastante menor que el arrastre debido a presiones. Sin embargo, se comprobado empíricamente que la siguiente fórmula es bastante útil a la hora de estimar el arrastre total que sufre una bicicleta, en función de su velocidad.
Por ejemplo, se llevó a cabo una prueba práctica con los siguientes datos:
Los resultados experimentales arrojaron el siguiente gráfico:
Gráfico 1
De aquí se pueden obtener importante conclusiones.
Primero se puede observar que las fuerzas de roce mecánico son constantes para cualquier velocidad.
La segunda observación importante es que hasta los 12 km/hr, las fuerzas predominantes son las de roce mecánico entre las ruedas y el suelo. A mayor velocidad, las fuerzas de roce aerodinámico comienzan a tomar preponderancia, siendo a 50 km/hr el 90% del total de fuerzas que impiden el movimiento. Esto quiere decir que cualquier cosa que diseñemos debe tener como objetivo disminuir el roce aerodinámico a altas velocidades, ya que a velocidades bajas es insignificante.
El efecto que produce el roce en los engranajes es muy chico, aunque aumenta con la velocidad y la mala mantención, pudiendo llegar a superar al roce mecánico.
Diseño de bicicletas
Los constructores de y diseñadores de los "marcos" de bicicletas han estado trabajando en crear diseños más aerodinámicos. Se ha querido hacer "más suaves" las esquinas de los tubos, pero teniendo cuidado de que la sección transversal sea adecuada para soportar el peso.
Pero el mayor impacto son las ruedas. Las ruedas convencionales con "rayos" generan mucha turbulencia. Es por esto que para las carreras se han implementando ruedas "discos", que a pesar de que son más pesadas, generan menos roce aerodinámico.
Todo esto ha disminuido el arrastre, pero el cuerpo humano sigue siendo un gran obstáculo. La posición del cuerpo es muy importante. Los ciclistas tratan de agacharse para disminuir el choque de partículas con el aire. Esto les ayuda a mejorar la velocidad y eficiencia. Incluso, para carreras de ciclismo, los equipos (generalmente 4 ciclistas) se colocan en fila o "pelotón", donde el primero es el que se cansa más, y el resto aprovecha que el fluido ya fue distorsionado. Esto es sólo un ejemplo de cómo el arrastre puede ser muy importante.
Nuk ka komente:
Posto një koment