Cómo medir el efecto de ir a rueda en bici

Todos sabemos que chupar rueda facilita mucho el rodaje pero…. ¿puedes demostrarlo con datos? ¿Sabes cómo medir el efecto de ir a rueda en bici? Nosotros sí, y te lo demostramos en un post sólo para auténtic@s frikis del ciclismo…

Los que no tuvimos la previsión de apostar por un rodillo, tenemos una cosa clara: vamos a perder algo de estado de forma. Pero aún podemos aprovechar ese tiempo y esas ganas de bici para leer algunas cosas que incrementen nuestra culturilla científica ciclista, por ejemplo cómo medir el efecto de ir a rueda en bici.

Ya sabemos que ir a rueda de alguien supone mucho menos esfuerzo en la bici que ir solo. No es un tema subjetivo, pero ¿eso se puede medir? Por supuesto que se puede. Para eso, lo mejor y más preciso es un potenciómetro. Pero en lugar de eso, aquí lo hemos medido con equipos más caseros, más baratos y sencillos. De dos formas diferentes.

EL EFECTO DE IR A RUEDA

Lo hemos experimentado muchas veces al circular en grupo con bici de carretera. Al circular cerca y detrás de alguien, especialmente detrás de un grupo, tenemos que hacer mucha menos fuerza que si vamos solos a la misma velocidad. Podemos incluso llegar a pensar ¡qué lento va el primero!… hasta que nos ponemos el primero.

Es un fenómeno complejo, pero vamos a tratar de simplificarlo y explicar las cuestiones más básicas con los resultados que hemos podido medir. Llevaremos también esos resultados a números prácticos del estilo de ¿qué potencia nos ahorramos por ir a rueda de alguien a 30 km/h?

Aquí no hablaremos sobre cómo ir a rueda con seguridad o sobre las reglas de etiqueta al ir en grupo o a rueda. Eso es importante, pero es otro tema. Introduciremos primero temas físicos y de aerodinámica (esperemos que se entiendan bien) y luego pondremos los resultados de las medidas.

¿DÓNDE VA LA POTENCIA QUE LE DAMOS A LA BICI?

A veces hay una parte que se va acumulando, como si fuese una batería recargable, en forma de altitud ascendida que liberaremos cuando vayamos cuesta abajo, pero no es la parte que nos ocupa aquí.

Cuando vamos a velocidad constante, toda la potencia que le damos a la bici se gasta en forma de pérdidas mecánicas y pérdidas aerodinámicas. A partir de una cierta velocidad (del orden de 15 o 20 km/h), la mayor parte son aerodinámicas. Al final, la gran mayoría va a calentar el aire que nos rodea.

– Pérdidas mecánicas

Son las que se producen por la rodadura de los neumáticos con el suelo y por mover todas las partes mecánicas.

Las pérdidas por rodadura son complicadas de calcular, pero sabemos que una rueda de bici de carreras con buena presión tiene pérdidas muy bajas. Las pérdidas mecánicas se pueden aproximar a un porcentaje de la potencia que le damos a la bici. Es razonable considerar alrededor de un 10%.

 

 

– Pérdidas aerodinámicas

Hay unas pérdidas aerodinámicas por el roce lateral de las superficies con el aire. En esto (efecto piel) influyen los materiales.

Es evidente que la ropa ajustada desliza mejor que la ropa suelta, pero, para el tamaño y forma de un ciclista, las pérdidas más importantes son por empujar y desplazar toda la masa de aire con la que nos encontramos.

Es un fenómeno muy complejo en el que, para hacerlo más intuitivo, podríamos pensar que esa masa de aire se tiene que poner a la velocidad del ciclista para apartarla y para ello consumimos potencia de pedalada.

FÍSICA: FUERZA AERODINÁMICA

La fuerza con la que tendremos que empujar al aire con el que nos encontramos está relacionada con la masa de aire con la que nos encontramos por unidad de tiempo, multiplicada por su incremento de velocidad.

No es exactamente poner todo el aire que estaba en calma a nuestra velocidad, sino que lo estamos apartando.

Además, la fuerza dependerá de la forma del cuerpo (no es igual un plano que una esfera con la misma superficie frontal) por lo que se añade el coeficiente de rozamiento aerodinámico (Cd), que típicamente puede ser 0,9 para un ciclista en posición bastante erguido (no tiene unidades físicas). Además, se añade un coeficiente de ½.

EJEMPLO PARA MEDIR EL EFECTO DE IR A RUEDA EN BICI: FÓRMULAS PARA UN CICLISTA A 30 KM/H

Suponiendo que no hay un viento añadido, con el aire en calma, la masa por unidad de tiempo con la que nos encontramos al circular es igual a…

la densidad del aire (ro=1,28 Kg/m3) por la superficie frontal del ciclista (luego veremos de dónde sale A=0,54 m2) y por la velocidad en metros por segundo (30 km/h son 8,33 m/s).

La fórmula que expresa la fuerza necesaria para atravesar ese aire y poder pasar es:

Fuerza = ½ * Cd * (ro * A * velocidad) * velocidad = ½ * 0,9 * 1,28 * 0,54 * 8,33 * 8,33 =

= 21,6 Newton

Es decir, para atravesar el aire a 30 km/h tendremos que hacer una fuerza de unos 22 Newton. Esa es aproximadamente la fuerza que hace un peso de unos 2,2 kilos contra el suelo. Es algo que puede sonar extraño y poco utilizable. No suena familiar todavía.

 

 

Sabemos que la potencia es la fuerza por la velocidad y, además, incrementamos la potencia en aproximadamente un 10% para considerar las pérdidas mecánicas.

Potencia = 1,1 * Fuerza * velocidad = 1,1 * 21,6 * 8,33 = 210 W (vatios)

Eso ya suena más conocido. Para que un ciclista pueda ir a 30 km/h bastante erguido, tiene que dar una potencia de unos 210 Vatios.

Poniendo toda la fórmula junta:

Potencia = 1,1 *  ½ * Cd * ro * A * velocidad^3

Es decir, la potencia necesaria para ir a una velocidad determinada depende de la velocidad al cubo.

Si para ir a 30 km/h (8,33 m/s en la fórmula) necesitamos 210W, para ir a 45 km/h (1,5 veces más de velocidad) necesitaríamos 710W, que son 3,4 veces más de potencia (1,5^3).

Como referencia, la potencia máxima (legal) de una bici con asistencia eléctrica es de 250W, una batidora de mano puede tener 700 W y una plancha más de 2.000.

Lo que ya sabíamos todos: cuando vas rápido, subir un poco la velocidad… cuesta mucho. Pero, precisamente por eso, si te quitan algo del aire que recibes de frente, te estarán ayudando mucho.

 

 

MEDIDAS: SUPERFICIE FRONTAL DE UN CICLISTA

Hasta aquí solo hay fórmulas que puedes encontrar en la Wikipedia. Tienes muchísimas más fórmulas y tablas de datos en el libro Bicycling Science de David Gordon Wilson, pero la gracia está en medir esas cosas uno mismo.

Este libro pone en una tabla que la superficie frontal del ciclista puede ser del orden de 0,55 m2 para un ciclista erguido y hasta 0,36 m2 para un ciclista de carretera bien recogido.

Aprovechando el confinamiento de estos días se me ocurrió medirlo, proyectando la sombra de un ciclista (de 1,83 m) sobre una pared con un proyector de vídeo, dibujar el contorno con un rotulador, medirlo a base de cuadraditos y triángulos y escalarlo.

Resultado (aprox.) 0,54 m².

CÓMO MEDIR LAS DIFERENCIAS DEL AIRE

Se pueden medir y comparar dos cosas del aire con el que nos encontramos. Una es la fuerza y otra es la velocidad. Lógicamente, el resultado debería parecerse, pero la medida es diferente.

Se trata de poder hacer muchas medidas seguidas, a rueda de alguien y apartado, para luego comparar.

Lo más básico para medir fuerza es una pequeña báscula de cocina (analógica, de muelle). Puesta en horizontal, sujeta al manillar con bridas y con una placa de plástico ligero de 11 x 21 cm. para recibir el aire. Con la escala girada y el indicador aumentado, para que se viese mejor en las fotos.

Para medir la velocidad del aire utilicé un anemómetro de cazoletas, de tipo excursión, también sujetándolo al manillar con unas bridas.

Realmente esto es más raro de tener en casa, pero en la montaña a veces tiene su gracia para medir ese viento tan fuerte que te puedes encontrar.

En todos los casos, tenía como referencia el típico marcador de velocidad conectado a la rueda y la forma de tomar las medidas era como se puede intuir con las fotos.

Grabando con una gopro en el pecho, y luego revisando y parando el vídeo y apuntando los valores medidos en Excel. He dejado el Excel aquí por si alguien quiere darle alguna vuelta más.

Me hubiese venido muy bien una gopro como la Hero 7 con su estabilización de imagen y su pantalla para encuadrar bien. Con mi vieja gopro, el problema es que los marcadores no se veían bien en los vídeos. Aun así saqué algo más de 350 fotos de los vídeos, una para cada par de datos medidos.

 

MEDIR EL EFECTO DE IR A RUEDA EN BICI: CÓMO HACER LAS MEDIDAS

No había viento, el sitio es llano, el firme es un asfalto liso y suave y el camino estaba bastante concurrido con gente que rebosaba paciencia y buen humor.

Primero esperaba a que viniese alguien con bici de carreras, mejor si tenía pinta de ir rapidito. Me acercaba, saludaba y le pedía permiso para ir un poco a su rueda.

Cuando saludas y preguntas, todo el mundo contesta estupendamente, sin problemas, pero no hay que hacerlo directamente, que puede ser bastante molesto.

Luego iba a rueda, me salía hacia un lado, volvía a rueda… y así varias veces.

Viendo lo que llevaba instalado en el manillar y lo que hacía, todo era bastante friki y divertido.

COMPARACIÓN DE FUERZA DEL AIRE: A RUEDA VS SOLO

Comparamos los resultados de la fuerza o “peso” medidos por la báscula al ir a rueda y al ir solo, sin nadie delante, a pelo.

 

La gráfica recoge las medidas de fuerza (peso en la báscula) medido en gramos de la báscula para las diferentes velocidades.

 

Como podemos ver, las medidas de ir solo (rojo), a pelo, son mayores que las de ir a rueda (azul) para la misma velocidad. Hay bastante dispersión en las medidas, la báscula oscilaba bastante, pero siempre alrededor de un valor que diferenciaba bien las dos situaciones.

Además, podemos ver que la diferencia es bastante mayor a mayor velocidad (en horizontal en km/h).

Con un poco más de detalle, se han añadido unas curvas de interpolación, que se ha forzado a que pasen por cero (A cero velocidad, cero fuerza).

Son curvas cuadráticas, porque vimos que la fuerza depende de la velocidad al cuadrado. Puedes ver que, para la curva de interpolación roja, la de ir a pelo, el valor de R^2 es de 0,94.

Eso significa que la curva representa bastante bien las medidas de ir solo. Sin embargo, las medidas de ir a rueda tienen más dispersión. R^2 es menor. Esto puede tener que ver con que, al ir detrás, nos encontramos con turbulencias que hacen la medida menos precisa. Aunque el efecto global está claro.

Con la fuerza medida por la báscula para 30 km/h yendo solo (mide 11 x 21 cm y la fuerza es de 106 g) y llevándola a la medida total de superficie (en este caso supongo algo agachado, A=0,51m²), se obtiene que la potencia necesaria para rodar son prácticamente los 210W que calculamos antes con la fórmula.

 

COMPARACIÓN DE VELOCIDAD DEL AIRE: A RUEDA VS SOLO

Comparamos los resultados del anemómetro entre ir a rueda e ir solo sin nadie delante, a pelo o suficientemente apartado.

La gráfica recoge las medidas de velocidad del aire con el que se encuentra el anemómetro (y más o menos el ciclista) para las diferentes velocidades.

 

Lógicamente, las medidas de ir solo (rojo), también son mayores que las de ir a rueda (azul). Hay bastante menos de dispersión en las medidas que con la báscula. Puede tener que ver con que las cazoletas del anemómetro tienen una cierta inercia. En este caso, la diferencia parece aumentar al ir a mayor velocidad, de forma lineal.

Para la interpolación, en este caso se han puesto rectas. La velocidad yendo solo debería ser la misma para el anemómetro y el marcador de la bici, pero el rozamiento mecánico del anemómetro provoca que siempre mida un poco menos.

Esto se nota especialmente a bajas velocidades: este tipo de anemómetros deja de medir por debajo de unos 2 m/s (7,2 km/h). Para eso están los ultrasónicos, pero ya a otro precio.

 

MEDIR EL EFECTO DE IR A RUEDA EN BICI: CONCLUSIONES

• Midiendo fuerzas con la báscula, obtenemos que, yendo a rueda, a 25 km/h, tenemos que hacer cerca de la mitad de potencia contra el aire que yendo solo. A rueda a 40 km/h hacemos alrededor de un tercio de la potencia que yendo el primero. Aunque hay que tener en cuenta que las pérdidas de potencia mecánicas van aparte y no se reducen nada por ir a rueda y además es posible que aumente algo el rozamiento por efecto piel, que no he medido.

• Midiendo velocidad del aire con un anemómetro obtenemos que, yendo a rueda, a 25 km/h, nos encontramos con el aire como si fuésemos a 14 km/h y a rueda a 40 km/h nos lo encontramos como si fuésemos a 24 km/h.

 

Ya sabíamos que esa sensación de que ir a rueda facilita mucho el rodaje era cierta, pero siempre viene bien poner unos números y me ha sorprendido por lo abultados que salen. Además, siempre es agradable echar una pensada y unos ratos de juego con la bici y juguetes a su alrededor.

¿Esto te puede ayudar a tener mejor rendimiento y aprovechar mejor tu fuerza? Sinceramente, creo que no. A poco que hayas montado en grupo, sabías ya que esas sensaciones son absolutamente ciertas y esto solo puede servirte para saber que se pueden medir.

Si te sirve también como culturilla y para pasar un rato (te hemos enseñado cómo medir el efecto de ir a rueda en bici) , estaremos encantados…

Gracias a Quino por la revisión.

Por Baldo, aficionado a la bici y colaborador de Forum Sport