La relación entre la eficiencia y la rigidez

INFORME: La eficiencia del ciclista se resume en la capacidad que tienen los músculos para transformar la energía que consumen en el trabajo mecánico que se convertirá en su movimiento.
Pablo Bueno -
La relación entre la eficiencia y la rigidez
Un esprint resume la relación entre eficiencia y rigidez de una bicicleta

De la energía que producen nuestros músculos motores sobre la bicicleta, sólo somos capaces de aprovechar un porcentaje mínimo. Nuestro combustible proviene de la oxidación de la glucosa (que se almacena en los músculos, el riego sanguíneo y el hígado), resultando muy complicado optimizar su aprovechamiento, ya que sólo una cantidad aproximada del 20% lo transformamos en eficiencia mecánica, desaprovechando el otro 80% en diferentes conceptos, entre los que la disipación de calor es el más importante.

Eficiencia

La potencia del motor humano se puede medir por su capacidad de utilizar el mayor volumen posible de oxígeno durante esfuerzos físicos máximos. Más del 90% del oxígeno que consumimos pedaleando, lo emplean los músculos de las piernas y los implicados en la respiración (diafragma e intercostales): el consumo máximo de oxígeno (VO2 max), oscila entre 5.000 y 5.500 mililitros por minuto (ml/min.).

Con esta realidad como constante energética, un ciclista aficionado obtiene una eficiencia mecánica del 22%. Así, el 78% de la energía que consumen sus músculos se desperdicia en forma de calor. Los ciclistas profesionales son más eficientes, y alcanzan cifras promedio entre el 24% y el 28% de eficiencia mecánica.

Mientras que el VO2 max suele estar determinado en gran medida por la herencia genética de cada deportista, se supone que la eficiencia mecánica es una variable mejorable con los años de entrenamiento.

A titulo de orientación citamos los datos de Miguel Indurain en sus mejores momentos deportivos: VO2 max de 6.400 ml/min, o casi 80 ml/kg/min para sus 81 kilos de peso, con esa capacidad la eficiencia mecánica era del 26%.

Los enemigos

Todos estos datos fisiológicos forman parte de la teoría de la medicina biomecánica deportiva y se obtienen en un laboratorio: ahora hay que conseguir adaptarlos a la carretera, que es donde realmente tienen alguna justificación. Si damos por cierto el coeficiente aproximado de un 20% en el aprovechamiento de la energía mecánica que somos capaces de producir, la forma de mejorar nuestra eficiencia discurre por tres caminos muy claros:

  • Mejorar nuestra condición física.
  • Reducir su transformación en calor.
  • Evitar pérdidas en la transferencia de fuerza.

Para mejorar la condición física no hay otro camino que no sea el del entrenamiento específico.

Si queremos reducir la pérdida en forma de calor debemos evitar que se dispare la termorregulación: hidratación apropiada, elección de la vestimenta adecuada y dosificación de nuestra energía, son los caminos a seguir.

Pero hay un factor que muy pocos tienen en cuenta y que, en casos extremos, puede llegar a suponer entre un 1 y 5% de nuestra eficiencia mecánica: la aplicación de la fuerza sobre la bicicleta, con todas sus consecuencias.

Aunque no nos demos demasiada cuenta, parte de nuestra energía se pierde en la bicicleta en forma de fricción, distorsión o calor:

Fricción

  • Neumáticos rozando sobre el asfalto
  • Rodamientos mal ajustados
  • Lubricación deficiente
  • Aerodinámica

Distorsión

  • Cuadro y horquilla
  • Componentes (potencia, manillar...)
  • Ruedas
  • Zapatillas y pedales

Calor

  • Frenos
  • Cubiertas

De las tres maneras de alterar la normal transferencia de nuestra energía al asfalto, hay algunos capítulos inamovibles, pero podemos actuar de forma consciente para minimizar otros:

  • Utilizar siempre la presión correcta en los neumáticos
  • Engrasar y ajustar los rodamientos de ruedas, pedales y ejes
  • Mantener la cadena siempre bien lubricada
  • Emplear ropa específica de ciclismo (aerodinámica)
  • Elegir materiales (cuadro, manillar...) que dispongan de rigidez suficiente.
  • Verificar el apriete de los radios (especialmente la rueda posterior)
  • Las suelas de zapatilla de carbono y los pedales con calas de gran superficie de apoyo transfieren mejor la fuerza.

Rigidez y eficiencia

Uno de los aspectos que más pueden llegar a influir en la transferencia de energía del ciclista hacia el asfalto, es la de la rigidez de los materiales que conforman la propia estructura de la bicicleta.

Para entenderlo de la manera más sencilla podemos imaginar el siguiente experimento: intentamos levantar una piedra de gran peso utilizando dos palancas diferentes, una fabricada con un palo de madera y la otra con un tubo de metal. Con ambas conseguiremos nuestro propósito pero hay algunas diferencias: la de madera flexionará y, cuando alcance el punto máximo de flexión, logrará elevar la piedra. Por su parte, la metálica, hará que la carga se levante ante nuestra primera insinuación, sin apenas flexionar. La conclusión inicial es rápida de imaginar: el metal es más rígido que la madera necesitando menos cantidad de energía para lograr los mismos resultados. Pero hay otro elemento que no podemos dejarnos por el camino: durante la ejecución del experimento con la palanca de madera habremos percibido una mayor comodidad en la maniobra, todo ha sucedido de una manera más elástica. La segunda conclusión salta a la vista: la madera aporta mayor comodidad al mismo trabajo realizado, aunque necesite de mayor aplicación de energía.

Y la aplicación práctica, la que nos interesa al extrapolar estas teorías al ámbito del ciclismo, es que debemos conseguir unos materiales lo más rígidos posibles, pero que permitan ciertas cotas de comodidad.

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Parámetros de la rigidez

Si tuviéramos que definir la rigidez, sería algo así como la medida de la distorsión que se produce en un cuerpo cuando soporta una carga (par de fuerza) determinada. Si recordamos que la fuerza es la masa (kg) multiplicada por la gravedad terrestre (9,81 m/s) podemos llegar a la siguiente fórmula para obtener el cálculo de la rigidez:

K = F/d

"K" es el coeficiente de rigidez, "F" la fuerza que se aplica (medida en Newton) y "d" la distancia (metros, milímetros...) de desplazamiento. La cifra obtenida es el coeficiente de rigidez y se refleja en N/m (Newton por metro) o N/mm (Newton por milímetro). Si hay un elemento que representa la antítesis de la rigidez es un muelle y con este ejemplo (Fig. 1) podemos entender mejor el principio de la rigidez.

Desde un plano práctico todas estas teorías tienen una aplicación muy concreta, que va encaminada a determinar la respuesta de una estructura (la bicicleta en conjunto) frente a una fuerza que, pretendiendo que su aplicación la ponga en movimiento, puede perder par de transmisión por la deformación (flexión) de alguno de sus elementos.

Al pedalear con energía, enviamos nuestro impulso a través de las bielas, la caja de pedalier actúa de eje de vectorización, la cadena de elemento de transmisión y la rueda posterior realiza la transformación de nuestros impulsos en un movimiento circular. Si todos estos componentes (bielas, cuadro, cadena, radios, llanta?) poseen un grado de rigidez alto, la transferencia de fuerzas se produce de una manera homogénea, obteniendo como resultado la optimización de la energía aplicada (nuestra fuerza muscular). Si uno de los componentes careciese de rigidez, contaminaría al conjunto de la transmisión. Este fenómeno hay que hacerlo extensivo a los componentes de apoyo (manillar, potencia, horquilla y tija): uno de estos elementos poco rígido interfiere en la rigidez total de la bicicleta.

Influencia de los materiales

Teniendo la certeza que la ligereza es uno de los atributos más valorados de una bicicleta contemporánea, los materiales con los que ha sido fabricada ocupan un lugar muy importante en la eficiencia energética del ciclista.

El acero ocupaba, hasta hace apenas una década, la práctica totalidad de los productos estructurales fabricados para la bicicleta. Después se vio en el titanio la solución al problema de la corrosión y del peso de los metales férricos y muy pronto el aluminio aeronáutico se haría con el mercado.

El desembarco de la fibra de carbono no ha sido una casualidad: hay razones tecnológicas de una gran trascendencia como para afirmar que es el material más apropiado para elaborar la mayoría de los componentes de una bicicleta. La razón: el módulo específico de rigidez de este compuesto. En el listado adjunto hemos reflejado los datos de los materiales más utilizados en la fabricación de cuadros y componentes de bicicletas. Hay que subrrayar que un cuadro de fibra de carbono suele emplear una combinación de diferentes tipos de tejido (unidireccional, cruzada y transversal), por lo que su Módulo Específico es aún mayor.

Entendemos como módulo de rigidez la propia rigidez del material y se mide en Pa (Pascal) o MPa (Megapascal = 1.000.000 Pascales). La densidad es el peso que cada material tiene por cada metro cúbico que ocupa y el módulo específico el resultado de dividir las dos constantes anteriores.

La relación entre la eficiencia y la rigidez

La relación entre la eficiencia y la rigidez
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Las razones físicas

Una vez que hemos visto la implicación de los materiales frente a los pares de fuerzas que intentan deformarlos, podemos establecer un orden de prioridades en la elección del cuadro y componentes de nuestra bicicleta pero todavía hay otros factores a tener en cuenta.

Las modernas estructuras compactas del cuadro de una bicicleta han llevado a introducir el concepto sloping en muchos modelos. Hay fabricantes a favor y en contra de esta tendencia, pero existe un princicpio físico por el que los cuadros con sloping son los que aportan una mayor rigidez, si bien, al precisar de una tija de mayor longitud, en este componente concreto se puede concentrar una gran parte de la flexión de la estructura (lo cual no afecta al incremento de rigidez en la caja de pedalier o en la dirección).

La razón geométrica de la longitud de los tubos empleados nos puede llevar a hacer una reflexión muy seria a la hora de elegir un cuadro con o sin sloping.

La relación entre la eficiencia y la rigidez

La relación entre la eficiencia y la rigidez

En el gráfico de la figura 2 vemos reflejado cómo se incrementa, de manera exponencial, la flexión de un tubo. La conclusión es rotunda: a doble de longitud 8 veces menos rígido.

Sería necesario hacer un análisis muy profundo en un banco de potencia estático, para determinar cuánto beneficio produce en la eficiencia de la aplicación de la energía un tubo de sillín 2 ó 3 centímetros más corto. Por el momento estás son las teorías.

La relación entre la eficiencia y la rigidez

La relación entre la eficiencia y la rigidez
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