Con esto podemos entonces concluir que la fricción aerodinámica se produce por el choque entre la bicicleta con el ciclista y el aire. En esto se genera una fuerza normal a la superficie de choque siendo esta directamente proporcional a la velocidad.
Comportamiento aerodinámico de una bicicleta
La fuerza, fa , que frena el conjunto ciclista-bicicleta debida a su interacción con el aire viene dada por la fórmula:
Cada variable tiene el siguiente significado:
d : Densidad del aire que, aunque depende de la temperatura y de la altitud, la que consideraremos como constante con un valor de 1.20 kg/m^3.
La densidad a nivel del mar es aproximadamente de 1.3 kg/m^3, la que disminuye con la altitud. Este hecho ha sido aprovechado por los ciclistas profesionales para intentar batir el record de la hora. Ciudades como México, situada a 2.260 metros de altura donde d es cercano a 1 kg/ m^3 , y Bolivia a una altitud de 3.600 metros donde d tiene a 0.85 kg/m^3 y han podido apreciar grandes mejoras que, en algunos casos, han llegado al 15%.
Cx: Se llama coeficiente de penetración o forma y depende, a su vez, de manera compleja de una serie de variables entre ellas la forma del cuerpo que se mueve en el aire (bicicleta-ciclista en nuestro caso), de la clase de material de que esté hecho, de la velocidad y de la temperatura. Para este estudio, Cx lo consideraremos constante, si no cambia la forma, en el rango de velocidades en que nos movemos, con muy buena aproximación. Todo ello simplificará nuestra aproximación. Este coeficiente de forma es adimensional (no tiene unidades) y está comprendido, con buena aproximación, entre los valores de 0.6, para profesionales, donde el cuerpo del ciclista adopta una posición parecida a un huevo, y 1.1 para posiciones de paseo donde el cuerpo va totalmente erguido.
A: Representa el área frontal del conjunto bicicleta-ciclista, que permanece constante durante todo el recorrido, siempre y cuando el ciclista y la bicicleta no cambien de posición. Dado que el área frontal del ciclista es varias veces mayor que el área de la bicicleta y, por tanto, el componente más importante para el cálculo del área frontal del conjunto ciclista-bicicleta, su reducción será muy significativa para minimizar el rozamiento con el aire. El tipo de ropa que lleve el ciclista es también un factor a tener en cuenta y cuanto más ajustada esté al cuerpo tanto menor será la superficie frontal. El rango de valores de esta variable viene limitado, normalmente, por los extremos 0,3 m^2 para profesionales y 0,6 m^2 en posiciones de paseo.
v: representa la velocidad relativa de la bicicleta respecto al aire. En el caso particular de que no haya viento (aire en reposo) esta velocidad coincide con la de la bicicleta respecto del suelo.
En el caso especial de que haya viento hay que introducir ciertas correcciones. Si el viento es de sentido contrario al de avance de la bicicleta entonces deben sumarse la velocidad de la bicicleta con respecto al suelo y la del aire respecto del suelo. Si, por el contrario, el viento es de cola y, por tanto, tiene la misma dirección y sentido que el de avance de la bicicleta debe restarse a la velocidad de avance de la bicicleta respecto del suelo. En el caso de que el viento sea lateral entonces su velocidad debe descomponerse vectorialmente en dos velocidades, una de ellas lateral o perpendicular a la bicicleta que tiende a tumbarla lateralmente y otra longitudinal, en la misma dirección que la de avance de la bicicleta; esta última puede tener el mismo sentido o el sentido contrario al del avance de la bicicleta y en ese caso se procede como si el viento fuera de cara o de cola pero con una velocidad igual a esta componente longitudinal. La existencia de viento lateral explica la existencia de los denominados abanicos o disposiciones geométricas que adoptan los grupos de ciclistas para protegerse de los vientos laterales.
El intervalo de variación de v está comprendido entre 0 m/s y los valores a los que habitualmente se mueven los profesionales de hasta algunas veces 20 m/s- 72km/hr. La velocidad v oscila bastante durante la carrera o paseo y, dado que está elevada al cuadrado, es con mucho la más influyente de todas.
Es útil para cálculos posteriores definir el parámetro Cd , denominado área frontal efectiva o coeficiente aerodinámico , que resulta de multiplicar el coeficiente de forma Cx por el área frontal A . Es decir Cd: CxA
Esta nueva constante Cd se mide, al igual que A, en m^2, dado que Cx es adimensional.
La expresión que da el valor de puede ponerse.
El factor Ka será constante siempre que lo sean los factores de los que depende: d , Cd y A .
A velocidades superiores a 30 km/hr la principal fuerza de resistencia al avance del ciclista es la resistencia aerodinámica. Este comportamiento del rozamiento con el aire es el responsable de que a las velocidades desarrolladas en las carreras ciclistas, bien en etapas en línea o contra el reloj, las tácticas de los equipos vengan muy condicionadas por la resistencia del aire
En las etapas en línea, donde los ciclistas, suelen ir agrupados, cuanto más cerca vaya un ciclista del que le antecede menor será el rozamiento debido al aire que tiene que vencer. Si un ciclista sigue la estela de otro, la necesidad de potencia del segundo puede llegar a reducirse hasta en un 30%. Los vientos artificiales creados por el tráfico de automóviles pueden aumentar la velocidad de un ciclista entre 1,5 y 5 km/h durante periodos de 7 segundos; cuanto mayor sea el tamaño del vehículo que pasa dejando la estela, mayor será el efecto de ayuda aerodinámica.
En una etapa ciclista en la modalidad de Contrarreloj por Equipos donde se rueda a velocidades superiores a 50 km/hr los componentes del mismo deben rodar lo más juntos posibles, protegiéndose del aire unos a otros, bien en fila india o en dos filas. El ciclista que figura en primera posición hace un gasto de energía inmenso por lo que necesita ser relevado tras un breve intervalo de tiempo. El corredor que figura en segunda posición puede ahorrarse hasta un rodando a la misma velocidad que el primero.
En los últimos años los ingenieros y diseñadores han reducido significativamente la potencia disipada por el rozamiento con el aire incidiendo de forma prioritaria en dos factores:
En primer lugar disminuyendo el valor del coeficiente Cx mediante formas menos romas y así se han construidos manillares tipo triatlón y cascos en forma de gotas. En segundo lugar disminuyendo el área frontal A adoptando posiciones menos erguidas con la ayuda de manillares más bajos y/o ruedas delanteras de menor radio que las traseras. De igual manera se han desarrollado las ruedas lenticulares traseras usadas sobre todo en etapas contra el crono.
La figura siguiente mostrará de manera gráfica el comportamiento del aire cuando pasa por el ciclista y la bicicleta.
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