¿A dónde va tu energía?
Hemos descrito la bicicleta como una máquina y, en términos científicos, eso es exactamente lo que es: un dispositivo que puede magnificar la fuerza (facilitando la subida) o la velocidad. También es una máquina en el sentido de que convierte la energía de una forma (lo que has comido) en otra (la energía cinética que tienen tu cuerpo y la bicicleta cuando van a toda velocidad). Entonces, ¿a dónde va la energía que se utiliza en el ciclismo? En términos científicos, decimos que va a «hacer trabajo», pero ¿qué significa eso en la práctica?
El ciclismo puede parecer a veces un trabajo duro, especialmente si se va cuesta arriba.En la ciencia del ciclismo, «trabajo duro» significa que a veces hay que usar mucha fuerza para pedalear cualquier distancia. Si vas cuesta arriba, tienes que trabajar contra la fuerza de la gravedad. Si vas rápido, tienes que trabajar contra la fuerza de la resistencia del aire (arrastre) que empuja contra tu cuerpo. A veces hay baches en la carretera por los que tienes que pasar; eso requiere más fuerza y también consume energía (los baches reducen tu energía cinética al disminuir tu velocidad).
Foto: Las bicicletas funcionan tan bien con el cuerpo humano porque aprovechan la energía de nuestros grandes y poderosos músculos de las piernas. Las bicicletas reclinadas (las que se montan tumbadas) pueden parecer ultramodernas y un poco extrañas, pero se remontan al menos a 100 años atrás. Son más rápidas que las bicicletas convencionales porque sus usuarios adoptan una postura mucho más aerodinámica y tubular que minimiza la resistencia. Como los pedales están más elevados del suelo, las bielas pueden ser más largas, por lo que se consigue más palanca, los músculos pueden hacer mucha fuerza durante más tiempo y hacerlo de forma más eficiente. Foto de Robin Hillyer-Miles, cortesía de la Armada de EE.UU.
Pero tanto si vas cuesta arriba como cuesta abajo, rápido o lento, en una carretera lisa o con baches, hay otro tipo de trabajo que siempre tienes que hacer simplemente para que tus ruedas den vueltas. Cuando una rueda descansa en el suelo, soportando una carga como la de un ciclista en una bicicleta, el neumático que la envuelve está aplastado en algunos lugares y abultado en otros. Al pedalear, las diferentes partes del neumático se aplastan y se abultan a su vez, y el caucho del que están hechas se ve empujado en todas las direcciones. Cuanta más carga se ponga en el neumático (cuanto más pesado sea o más lleve), mayor será la resistencia a la rodadura. Alrededor del 80-90% de la resistencia a la rodadura se debe a la deformación del propio neumático, mientras que el resto se debe a la resistencia al aire del neumático y a la forma en que se desliza contra el suelo.
En el caso de una bicicleta de carreras que circule a gran velocidad, aproximadamente el 80% del trabajo que realice el ciclista se destinará a superar la resistencia al aire, mientras que el resto se utilizará para luchar contra la resistencia a la rodadura; en el caso de un ciclista de montaña que circule mucho más despacio por un terreno accidentado, el 80% de su energía se destinará a la resistencia a la rodadura y sólo el 20% se perderá en la resistencia al avance. También hay pequeñas pérdidas por fricción en elementos como la cadena y los engranajes, pero, sea como sea y sea lo que sea que estés montando, siempre que esté razonablemente bien mantenido, la energía que se pierde de esta manera no suele merecer la pena preocuparse.
Tabla: Las bicicletas de montaña lentas gastan la mayor parte de la energía por la resistencia a la rodadura; las bicicletas de carreras más rápidas gastan más por la resistencia al aire.
¿De cuánta energía estamos hablando realmente? En el Tour de Francia, según un fascinante análisis realizado por Training Peaks, los mejores corredores alcanzan una media de 300-400 vatios de potencia, lo que equivale a 3 o 4 lámparas antiguas de 100 vatios o a un 15% de la potencia que se necesitaría para hacer funcionar un hervidor eléctrico. ¿Qué nos dice esto? Es mucho más fácil generar grandes cantidades de energía durante largos periodos de tiempo utilizando los grandes músculos de las piernas que utilizando las manos y los brazos. Por eso las bicicletas son tan inteligentes: aprovechan los músculos más potentes de nuestro cuerpo.
Cómo funciona el cuadro de una bicicleta
Suponiendo que un adulto pesa entre 60 y 80 kg (130-180 lb), el cuadro de una bicicleta tiene que ser bastante resistente si no quiere romperse o doblarse en el momento en que el ciclista se sube a ella. Las bicicletas normales tienen cuadros de acero tubular (literalmente, tubos de acero huecos que no contienen más que aire), resistentes y baratos, o de aleaciones más ligeras a base de acero o aluminio.Las bicicletas de competición suelen estar fabricadas con compuestos de fibra de carbono, más caros pero más fuertes, ligeros y resistentes al óxido.
Foto: El cuadro en forma de A invertida de la bicicleta es una estructura increíblemente fuerte que ayuda a distribuir el peso entre las ruedas delanteras y traseras.Ayuda a inclinarse hacia delante o incluso a ponerse de pie cuando se va cuesta arriba para poder aplicar la máxima fuerza a los pedales y mantener el equilibrio.
Podría pensarse que un cuadro de bicicleta fabricado con tubos de aluminio sería mucho más débil que uno de acero, pero sólo si los tubos tienen dimensiones similares.En la práctica, toda bicicleta debe ser lo suficientemente fuerte como para soportar el peso del ciclista y las cargas que probablemente se produzcan durante los diferentes tipos de manejo, por lo que una bicicleta de aluminio utilizaría tubos de mayor diámetro y/o paredes más gruesas que una bicicleta fabricada con tubos de acero.
El cuadro no se limita a soportar al ciclista: su forma triangular (a menudo dos triángulos unidos para formar un diamante) está cuidadosamente diseñada para distribuir su peso. Aunque el sillín está situado mucho más cerca de la rueda trasera, usted se inclina hacia delante para sujetar el manillar. Las barras inclinadas del cuadro están diseñadas para repartir el peso más o menos equitativamente entre las ruedas delanteras y las traseras. Si lo piensas, eso es realmente importante. Si todo tu peso actuara sobre la rueda trasera, y trataras de pedalear cuesta arriba, te inclinarías hacia atrás; del mismo modo, si hubiera demasiado peso sobre la rueda delantera, ¡te irías de cabeza cada vez que bajaras!
Los cuadros no están diseñados para ser 100% rígidos: eso haría que la conducción fuera mucho menos cómoda. También vale la pena recordar que el cuerpo humano es en sí mismo un sistema de suspensión extraordinariamente eficaz; al montar en una bicicleta de montaña por un sendero accidentado, te darás cuenta rápidamente de cómo tus brazos pueden funcionar como amortiguadores. De hecho, puede ser muy instructivo ver el cuerpo como una extensión (o complemento) del cuadro básico de la bicicleta, equilibrado sobre él.
Cómo funcionan las ruedas de las bicicletas
Foto: Al igual que la rueda de un coche, la de una bicicleta es un multiplicador de velocidad. Los pedales y los engranajes hacen girar el eje en el centro. El eje gira sólo una corta distancia, pero la palanca de la rueda hace que la llanta exterior gire mucho más en el mismo tiempo. Así es como una rueda te ayuda a ir más rápido.
Si has leído nuestro artículo sobre cómo funcionan las ruedas, sabrás que una rueda y el eje sobre el que gira son un ejemplo de lo que los científicos llaman una máquina simple: multiplicará la fuerza o la velocidad dependiendo de cómo la gires. Las ruedas de las bicicletas suelen tener más de 50 cm de diámetro, es decir, son más pequeñas que la mayoría de las ruedas de los coches. Cuanto más altas son las ruedas, más multiplican la velocidad al girarlas en el eje. Por eso las bicicletas de carreras tienen las ruedas más altas (normalmente de unos 70 cm o 27,5 pulgadas de diámetro).
Las ruedas soportan en última instancia todo tu peso, pero de una forma muy interesante.Si las ruedas fueran sólidas, estarían aplastadas (comprimidas) cuando te sentases en el sillín, y empujando hacia arriba para soportarte. Sin embargo, las ruedas de la mayoría de las bicicletas están formadas por un buje resistente, una llanta fina y unos 24 radios muy tensos. Las bicicletas tienen ruedas de radios, en lugar de ruedas de metal macizo, para hacerlas fuertes y ligeras, y para reducir la resistencia (algunos ciclistas utilizan radios planos «de hoja» o con forma ovalada, en lugar de los tradicionales redondeados, en un intento de reducir aún más la resistencia).
No sólo es importante el número de radios, sino la forma en que están conectados entre la llanta y su buje. Al igual que los hilos de una tela de araña o las cuerdas colgantes de un puente colgante, una rueda de bicicleta está en tensión: los radios están tensos. Como los radios se entrecruzan desde la llanta hasta el lado opuesto del buje, la rueda no es tan plana y endeble como parece, sino que es una estructura tridimensional increíblemente fuerte. Cuando te sientas en una bicicleta, tu peso empuja hacia abajo los bujes, que estiran algunos de los radios un poco más y otros un poco menos. Si pesas 60 kg (130 lb), hay unos 30 kg (130 lb) que empujan hacia abajo en cada rueda (sin incluir el propio peso de la bicicleta), y los radios son los que impiden que las ruedas se doblen.
Foto: A pesar de las apariencias, una rueda de bicicleta no es plana ni débil. El buje es mucho más ancho que el neumático, los radios están en tensión y se entrecruzan, uniéndose al buje en una tangente. Todo esto crea una estructura tridimensional rígida que puede resistir la torsión, el pandeo y la flexión. Foto de David Danals, cortesía de la Armada de EE.UU.
Como cada rueda tiene un par de docenas de radios, se podría pensar que cada radio tiene que soportar sólo una fracción del peso total, tal vez tan sólo 1-2 kg (2,2-4,4 lb), si hay 30 radios, lo que puede hacer fácilmente. En realidad, los radios soportan el peso de forma desigual: los pocos radios que están cerca de la vertical soportan mucha más carga que los demás. (Todavía hay bastante debate entre los científicos de la bicicleta sobre cómo se soporta realmente la carga, y si es mejor pensar que la bicicleta cuelga de los radios de la parte superior o que empuja los de la parte inferior). A medida que la rueda gira, los otros radios se acercan a la vertical y comienzan a asumir una mayor parte de la tensión. La carga de cada radio aumenta y disminuye drásticamente durante cada rotación de la rueda, por lo que, finalmente, después de muchos miles de ciclos de tensión y esfuerzo repetidos, durante los cuales cada radio se estira y relaja en rápida alternancia, es probable que uno de los radios (o su conexión con la rueda o el buje) falle por fatiga del metal. Eso aumenta instantánea y drásticamente la carga sobre los radios restantes, haciendo más probable que fallen también, y causando una especie de efecto «dominó» que hace que la rueda se doble.
Cómo funcionan los engranajes de las bicicletas
Foto: Un engranaje es un par de ruedas con dientes que se entrelazan para aumentar la potencia o la velocidad.En una bicicleta, el par de engranajes no se acciona directamente sino que está unido por una cadena. En un extremo, la cadena está permanentemente enrollada alrededor de la rueda principal (entre los pedales). En el otro extremo, cambia entre una serie de ruedas dentadas más grandes o más pequeñas cuando se cambia de marcha.
Una bicicleta típica tiene entre tres y treinta marchas diferentes: ruedas con dientes, unidas por la cadena, que hacen que la máquina sea más rápida (en las rectas) o más fácil de pedalear (en las subidas). Las ruedas más grandes también ayudan a ir más rápido en las rectas, pero son un gran inconveniente cuando se trata de cuestas. Ésta es una de las razones por las que las bicicletas de montaña y las BMX tienen ruedas más pequeñas que las bicicletas de carreras. No son sólo las marchas de una bicicleta las que ayudan a magnificar tu fuerza de pedaleo cuando subes una cuesta: los pedales están sujetos a la rueda principal por un par de bielas: dos palancas cortas que también magnifican la fuerza que puedes ejercer con tus piernas.
Las marchas pueden suponer una diferencia increíble en tu velocidad. En una bicicleta de carreras típica, por ejemplo, la relación de transmisión (el número de dientes de la rueda del pedal dividido por el número de dientes de la rueda trasera) puede ser de hasta 5:1, por lo que una sola vuelta de los pedales te impulsará unos 10 m por la calle. Suponiendo que sólo puedas mover las piernas a cierta velocidad, puedes ver que las marchas te hacen ir más rápido ayudándote a ir más lejos por cada vuelta de los pedales.
Lee más en nuestro artículo principal sobre las marchas.
Trabajo: Las bicicletas antes de las marchas: Las primeras bicicletas de este tipo (conocidas como «Penny Farthings» o «High Wheels») tenían una enorme rueda delantera que multiplicaba la velocidad y permitía ir muy rápido en las rectas.No había marchas: la rueda delantera giraba una vez cada vez que las piernas empujaban hacia arriba y hacia abajo las bielas (pedales).Ir cuesta abajo era bastante complicado (a menos que se quitaran los pies de las bielas) y subir la cuesta era prácticamente imposible.Detalle de una pintura original, c.1887, de Henry «Hy» Sandham, cortesía de la Biblioteca del Congreso de los Estados Unidos.
Cómo funcionan los frenos de las bicicletas
Foto: Frenos de llanta: Las zapatas de goma (tacos) de los frenos de esta bicicleta sujetan la llanta metálica de la rueda para reducir la velocidad. Al perder velocidad, pierdes energía. ¿A dónde va la energía? Se convierte en calor: las zapatas de los frenos pueden calentarse increíblemente
No importa lo rápido que vayas, llega un momento en que tienes que parar. Los frenos de una bicicleta funcionan mediante la fricción (la fuerza de rozamiento entre dos cosas que se deslizan una junto a la otra mientras se tocan). Aunque algunas bicicletas tienen ahora frenos de disco (similares a los que usan los coches), con discos de freno separados fijados a las ruedas, muchas siguen usando frenos de llanta tradicionales accionados por pinzas con zapatas.
Cuando se presionan las palancas de freno, un par de zapatas de goma (a veces llamadas tacos) se sujetan a la llanta metálica interior de las ruedas delanteras y traseras. Cuando las zapatas de freno rozan con fuerza las ruedas, transforman tu energía cinética (la energía que tienes porque estás avanzando) en calor, lo que tiene el efecto de ralentizarte.Hay más información sobre esto en nuestro artículo principal sobre los frenos.
Frenos de llanta frente a frenos de disco
Los frenos de llanta accionados por las zapatas empujan el borde exterior de la rueda, donde gira más rápido pero con menos fuerza. Esto significa que necesitan relativamente poca fuerza de frenado para reducir la velocidad de las ruedas (por lo que pueden ser pequeños y ligeros), aunque todavía tienes que presionar con fuerza, y tienes que aplicar esa fuerza durante más tiempo para detenerte a ti y a tu bicicleta. Un gran inconveniente de los frenos de llanta es que están totalmente expuestos a la lluvia desde arriba y a las salpicaduras de las ruedas; si las zapatas y las ruedas están mojadas y llenas de barro, la lubricación es considerable, la fricción entre los frenos y las ruedas podría ser hasta diez veces menor que en condiciones secas (según Bicycling Science, de David Gordon Wilson), y tu distancia de frenado será mucho mayor.
Los frenos de disco trabajan más cerca del buje, por lo que necesitan aplicar una mayor fuerza de frenado, lo que puede estresar las horquillas y los radios, y son más pesados (lo que puede afectar al manejo de la bicicleta) y mecánicamente más complejos, pero tienden a ser más eficaces en condiciones de humedad y barro.
Busca en los foros de bicicletas en línea y encontrarás opiniones muy diferentes sobre qué tipo de frenos son los mejores para los diferentes tipos de bicicletas, terrenos y condiciones climáticas. A algunos les gustan los frenos de disco porque dan un mejor aspecto a la bicicleta; a otros les gustan los frenos de llanta porque son muy simples y sencillos.
Trabajo: Frenos de disco (simplificados). Cuando se tira de la palanca de freno, un cable o conducto hidráulico (amarillo) acciona las pinzas (azul) que empujan las pastillas de freno contra un disco llamado rotor (rojo) fijado a la rueda. Debido a que las pinzas están unidas a una de las horquillas (gris), y la fuerza de frenado tiene que pasar a través de los radios (negro) para detener la rueda, los frenos de disco ponen mucha más tensión en las horquillas y los radios que los frenos de llanta.
Cómo funcionan los neumáticos de las bicicletas
La fricción también funciona a su favor entre los neumáticos de goma y la carretera por la que circula: le proporciona un agarre que hace que su bicicleta sea más fácil de controlar, especialmente en días húmedos.
Al igual que los neumáticos de los coches, los neumáticos de las bicicletas no están hechos de goma sólida: tienen un tubo interior lleno de aire comprimido (exprimido). Esto significa que son más ligeras y elásticas, lo que proporciona una conducción mucho más cómoda. Las ruedas neumáticas, como se conocen, fueron patentadas en 1888 por el inventor escocés John Boyd Dunlop.
Los distintos tipos de bicicletas tienen diferentes tipos de ruedas.Las bicicletas de carreras tienen ruedas estrechas y lisas diseñadas para alcanzar la máxima velocidad (aunque su perfil «fino» les confiere una mayor resistencia a la rodadura), mientras que las bicicletas de montaña tienen ruedas más gruesas y robustas, con bandas de rodadura más profundas, más goma en contacto con la carretera y un mejor agarre (aunque al ser más anchas crean más resistencia al aire).
Por qué la ropa es importante
La fricción es una gran cosa en los frenos y los neumáticos, pero es menos bienvenida en otra forma: como resistencia al aire que te frena. Cuanto más rápido se va, más se convierte la resistencia en un problema. A altas velocidades, correr en bicicleta puede ser como nadar en el agua: puedes sentir el aire empujando contra ti y (como ya hemos visto) utilizas alrededor del 80% de tu energía para superar la resistencia. Ahora bien, una bicicleta es bastante fina y aerodinámica, pero el cuerpo de un ciclista es mucho más gordo y ancho. Por eso los ciclistas llevan ropa de neopreno ajustada y cascos puntiagudos para agilizarse y minimizar las pérdidas de energía.
Foto: Las bicicletas de carreras tienen dos juegos de manillares. Los manillares interiores permiten a los ciclistas reducir la resistencia al aire manteniendo los codos más juntos.Foto de Ben A. Gonzales por cortesía de la Armada de EE.UU.
Puede que no se haya dado cuenta, pero el manillar de una bicicleta también es una palanca: los manillares más largos hacen palanca y facilitan el giro de la rueda delantera.Pero cuanto más separados estén los brazos, más resistencia al aire se creará.Por eso las bicicletas de carreras tienen dos juegos de manillares para ayudar al ciclista a adoptar la posición mejor y más aerodinámica. Hay un manillar exterior convencional para la dirección y otro interior para sujetarse en la recta. La mayoría de los ciclistas utilizan ahora cascos, tanto por razones de seguridad como por la mejora de la aerodinámica.
Las bicicletas son física en acción
Resumamos brevemente con un sencillo diagrama que muestra todos estos aspectos de la ciencia del ciclismo en acción:
