Propuestas para medir en el prototipo la velocidad, fuerza total y presiones

Como sabemos, la fuerza que se ejerce sobre una bicicleta de puede dividir en dos tipos distintos: roce mecánico y roce aerodinámico. El roce mecánico corresponde a la fuerza que se produce debido al roce de las ruedas con el pavimento y al roce que produce la transmisión (los pedales), mientras que la fuerza de roce aerodinámico corresponde a la oposición que ejerce el aire al movimiento.

Medición de la fuerza de roce mecánica

La teoría nos dice que la fuerza de roce aerodinámica va a depender del cuadrado de la velocidad, y por lo tanto para medir la fuerza de roce mecánica se puede realizar el siguiente experimento: en un terreno plano se inicia un recorrido recto a una velocidad inicial baja (para poder despreciar la fuerza de roce aerodinámica) y luego se deja de pedalear, la velocidad disminuye y se vuelve a medir en un punto posterior, gráficamente:

Podemos ocupar ahora la relación de la segunda ley de Newton que relaciona la fuerza con la aceleración y la masa, quedando así:

Obviamente esta fuerza tendrá un valor negativo ya que se opone al movimiento. Los valores de esta fuerza van a variar según varios factores, como por ejemplo el ancho de la rueda: a mayor ancho mayor será también la superficie de contacto y por lo tanto aumentará la fuerza de roce, también va a depender de la presión con que se infle la rueda, a mayor presión menor la superficie de contacto y menor será también la fuerza de roce. En una bicicleta de montaña común el ancho de la rueda varía desde 1 hasta 2,5 pulgadas mientras que la presión oscila entre 2 y 4,5 bares. Para comparar el rendimiento de la bicicleta con y sin dispositivo podremos despreciar la fuerza de roce producida por los pedales y el sistema de transmisión, ya que ésta no sufrirá grandes variaciones y podremos calcular la diferencia en el rendimiento en el caso que el ciclista no pedalee, de esta forma se evita el cálculo poco preciso de esta fuerza.

Fuerza aerodinámica

A velocidades bajas el flujo de aire se comporta como un flujo laminar, por lo que la fuerza aerodinámica será baja. Al aumentar la velocidad en el flujo cerca del ciclista ocurre el fenómeno se separación, el flujo se vuelva inestable y se convierte en un flujo turbulento produciéndose un aumento en la fuerza de roce, esta tiene su máximo en la transición entre el flujo laminar y el flujo turbulento.

La teoría nos dice que la fuerza producida por el aire sigue la siguiente relación

donde Cr corresponde al coeficiente de arrastre, A al área proyectada (bicicleta más ciclista), ρ al peso específico del aire (aprox. 1,23 kg/m³) y v a la velocidad. En una situación normal podríamos considerar sólo la velocidad variable (ya que el ciclista no cambia de posición en forma considerable). Para calcular este valor se realiza el siguiente experimento: en una pendiente aproximadamente constante el ciclista deja de pedalear, cuando éste haya alcanzado una velocidad constante (no acelera) la componente del peso por el seno del ángulo de la pendiente será igual a la fuerza de roce (para que no haya aceleración), de esta forma:

Pero ya conocemos Frm, entonces esta relación quedará:

Ahora estaremos en condiciones de obtener el valor de esta constante C y la fuerza de roce aerodinámica quedará: