Ciencia de la bicicleta

La ciencia detrás de la bicicleta

“Es tan fácil como andar en bicicleta” dice una expresión popular que es utilizada para expresar la sencillez que requiere la realización de algunas tareas; y en cuanto al ciclismo, es una expresión que no está nada alejada de la verdad, pues andar en bicicleta es tan sencillo, que realmente casi todo el mundo lo sabe a hacer –o al menos para quien se lo ha propuesto-, pero ¿realmente es tan simple como pensamos?

En cuanto al hecho de pedalear sí, lo es, pero mientras que para la mayoría de los ciclistas es común que estemos más concentrados en los baches del camino; evitar que el automovilista nos arrolle; la falta de infraestructura segura o sortear al autobús, esto nos distrae y pasamos por alto fenómenos que son innegablemente interesantes y que están presente en cada pedaleada que damos y que son: aquellos fenómenos que estudia la física y que son parte fundamental para comprender los mecanismos de nuestra bicicleta.

Y la comprensión de esos fenómenos comienza con uno de los primeros retos que sorteas cuando te inicias en la bicicleta, que es mantener el equilibrio. Este conocimiento va mucho más allá de vencer nuestro temor a caer, pues a partir de él, comienzan las implicaciones que tienen que ver con la ciencia detrás de la bicicleta.

La física de las bicicletas

Porque la ciencia de mantener el equilibrio mientras andamos en bici no es nada simple, y no hablo sólo del ahínco de nuestros cuerpos por evitar darse de bruces contra el pavimento, sino de la unión de los fenómenos físicos que actúan sobre una de las máquinas más perfectas que existen: la bicicleta.

Nuestra misteriosa bicicleta

Y es justo a través de la física, que se pone interesante e incluso misteriosa nuestra bicicleta, porque es la física, la que se encarga en describir las fuerzas que hacen posible que nuestra bici funcione, que se mantenga en pie y las variables que hacen que sea mejor que otra o, por qué una bicicleta es capaz de ir en línea recta, incluso sin jinete que la controle.

¿Qué hace que nuestra bici se mantenga de pie?

Se dice que Albert Einstein afirmó que “la vida es como montar en bicicleta: para conservar el equilibrio hay que mantenerse en movimiento”. Y tenía razón. La clave para que tu bici no caiga es el movimiento, porque si está en reposo se cae, pero si le añadimos movimiento se mantiene erguida y si mantenemos ese movimiento a un ritmo constante (energía cinética) nos garantiza un trayecto sin complicaciones, incluso sin sujetar el manubrio.

Acción giroscópica

Pero dejemos que la acción giroscópica explique el cómo una bicicleta se mantiene erguida, para ello, conozcamos que hay dos conceptos de la física que interactúan: magnitud y dirección. Por magnitud entendemos la fuerza generada por el movimiento giratorio de las ruedas. Cuando se mueven para ganarle la batalla a la fuerza gravitacional, avanzamos sin caernos. A mayor velocidad, mayor es el momento angular. De ahí que sea más fácil mantener el equilibrio cuando aceleramos que cuando reducimos la velocidad.

Para entenderlo un poco mejor, hagamos un experimento. Retira una rueda –la del frente es más fácil y probablemente más limpio- y, sosteniendo el eje, gírala. Ahora, trata de girar la rueda moviendo el eje. Verás que se resiste. Ahora, con la rueda aun girando, encoge un dedo debajo de un lado de ese eje y suelta el otro lado. Mágicamente, se queda allí, como si alguien invisible estuviera sosteniendo el otro lado.

¿Qué hace que siga en línea recta?

En una bicicleta, el eje de dirección baja por la horquilla o tijera. Si imaginas una línea que continúa hasta el final de la horquilla, en realidad toca el suelo delante de donde el neumático toca el suelo. Es decir, el eje de la dirección está delante del punto de contacto. La distancia entre estos dos puntos se denomina “sendero”.

Entre mayor sea el “sendero” la bicicleta será más estable, pero entre más corto sea, menos estable será y más difícil será conducirla. Esta es la razón por la que montar en monociclo sea más complicado que en bicicleta. Pues en el monociclo -además de solo tener un punto de apoyo-, su eje de dirección está justo debajo del piloto y no por delante de la rueda como ocurre con la bicicleta.

El misterio de la bici que se conduce sola

Sin embargo, en el corazón del rompecabezas de ingeniería y física que entraña nuestra bicicleta, hay algo que todos hemos observado. Si empujas tu bici, ésta se equilibra, dirigiéndose automáticamente para corregir cualquier bamboleo, hasta que se ralentiza y finalmente cae de costado. Si bien el “sendero” entre las ruedas determina la facilidad de manejo de una bicicleta y el efecto giroscópico ayuda a la estabilidad, ninguno de los dos es responsable del efecto de auto equilibrio de la bicicleta, siendo éste, un misterio incluso para la ciencia, pero se siguen proponiendo teorías que den con la respuesta.

Para que entiendas de lo que hablo puedes ver este video por: Minute Physics.

Resistencia

Y en la búsqueda de esa respuesta damos con otro concepto: la resistencia al movimiento que hay en nuestras ruedas.

La resistencia de una rueda puede variar enormemente dependiendo de la superficie sobre la que se desplaza. Un camino sinuoso es mucho más difícil de rodar que uno suave. Pero mucha de esa resistencia al piso de rodadura también depende del tipo de llanta que usemos.

La mayoría de las bicicletas de ruta y urbanas tienen neumáticos más delgados, mientras que las bicicletas de montaña tienen neumáticos grandes y gruesos. Cada tipo de neumático se ha diseñado para las superficies sobre las que se circula.

Los neumáticos de ruta son inflados a 100 o incluso 120 PSI (libras por pulgada cuadrada). Un neumático delgado y firme en la superficie del asfalto no se aplanará mucho. Cuanto menos se aplana el neumático en la parte inferior, menor es el área de superficie que está en contacto con la carretera. Menos contacto en este caso significa menos fricción, y más velocidad producimos, porque hay menos resistencia a la superficie de rodamiento -por eso es tan importante mantener los neumáticos correctamente inflados-.

Los neumáticos anchos y gruesos para bicicletas de montaña se aplanan más en una superficie de asfalto duro. Sin embargo, en un camino de tierra, un neumático de bicicleta de montaña “flota” sobre la superficie rugosa. Al contrario, un neumático de ruta más delgado cortaría profundamente la tierra, obligando a la ciclista a pedalear con mayor fuerza para salir del surco que genera.

Perdiendo energía

Es fácil entender cómo un neumático se “aplana” en la parte inferior a medida que gira. Pero, sorprendentemente, las ruedas de tren -de acero- sobre un riel de acero experimentan el mismo efecto.

El aplanamiento temporal de la rueda, así como el hundimiento en la superficie de contacto, es lo que se conoce como la “resistencia a la rodadura”. Este término se usa para describir cuánta energía se pierde en el pedaleo cuando una rueda avanza. Los neumáticos con baja presión que viajan sobre un suelo blando tienden a tener una mayor resistencia a la rodadura. Esta es una de las principales razones por las que las carreras en carretera son un deporte más rápido que el ciclismo de montaña.

¿Pero cómo logran que una rueda no se deforme más allá de lo normal? Y aquí los rayos de tu bicicleta juegan un papel fundamental.

Hay muchas maneras diferentes de hablar de enrayar una rueda de bicicleta. La mayoría de las bicicletas tienen rayos tangenciales, lo que significa que los rayos no se conectan desde la masa hasta la llanta en línea recta, sino en ángulo. Hay muchos patrones diferentes de rayos tangenciales. Y aunque ocasionalmente las bicicletas tendrán rayos completamente radiales. El rayado tangencial ayuda a transmitir el par de torsión (fuerza) de la masa a las ruedas de manera más eficiente, como si de una palanca se tratara.

Una rueda con rayos radiales no solo sería menos eficiente que una enrayada de manera tangencial, sino que sería significativamente más débil. Una rueda de bicicleta necesita poder manejar una variedad de fuerzas. Además de soportar el peso del ciclista, una rueda debe soportar las fuerzas de pedalear y frenar y los efectos discordantes de la superficie de la carretera.

Tensión no compresión

Es fácil pensar en los rayos como columnas que sostienen la rueda y ayudan a mantener su forma. Pero, el “soporte” que recibe la rueda se crea tirando de los rayos hacia el centro de la rueda (tensión) en lugar de empujar desde el centro (compresión).

Si has tenido la ocasión de sostener un rayo que no está montado, probablemente te hayas dado cuenta de lo endeble que es. Podrías doblar uno por la mitad sin demasiado esfuerzo. Sin embargo, si tratarás de separar uno que esté montado, no podrías hacerlo. La “tracción” de los radios hacia el centro de la masa es lo que le da fuerza a la rueda de tu bicicleta.

Entonces, ¿qué tan fuertes son las ruedas de bicicleta? Dependiendo de su material y su enrayado, las ruedas, pueden sostener aproximadamente 400 veces su propio peso de forma regular y no se colapsará hasta que sean aproximadamente 700 veces su propio peso, lo que la convierte en una de las estructuras más fuertes hechas por el hombre.

Velocidades y engranajes: relación

El desarrollo de la cadena de transmisión ayudó a hacer posible la bicicleta que hoy conocemos. La cadena de transmisión eliminó la necesidad de tener al ciclista directamente sobre la rueda. En cambio, el ciclista podrá colocarse entre las dos ruedas para un mejor equilibrio. Con la llegada de los engranajes, el ciclista también podría pedalear de manera más eficiente.

Una transmisión en cadena sola (sin engranajes o cambios de marcha: piñones) es efectiva en superficies planas y cuesta abajo. Sin embargo, cuando se trata de vientos en contra, escalar colinas, el ciclista tiene que pararse sobre los pedales pedales y esforzarse mientras pedalea a una velocidad muy baja. Los engranajes o marchas, le permiten al ciclista pedalear a una velocidad cómoda y eficiente mientras viaja cuesta arriba o con viento en contra.

En la primigenia bicicleta de rueda alta (High Wheel), los pedales estaban unidos directamente a la rueda. Una vuelta de los pedales igualó una vuelta de la rueda. Los engranajes o piñones le permiten al ciclista cambiar esa relación. Para colinas empinadas, elegimos un engranaje que nos permite girar los pedales muchas veces para girar la rueda una sola vez; en plano o bajadas, podemos elegir un engranaje que gire la rueda muchas veces por cada giro de los pedales.

Eso significa, por ejemplo, que cada vez que da una vuelta, la cadena gira alrededor de los 54 dientes de una estrella y sus 27 dientes del piñón trasero, lo que hace que la rueda de tu bici giraría dos veces. Proporcionando una relación de 2 a 1. Si el engranaje trasero tuviera 11 dientes, la proporción sería más cercana a 5-a-1 y así sucesivamente.

Estrés en el cuadro

Otro de los conceptos de la física que interactúa en nuestra bicicleta es el estrés.  Los cuadros de bicicletas deben construirse para manejar una variedad de cargas. Primero, el cuadro debe soportarse a sí mismo y a otros componentes de la bicicleta. Estas se consideran “cargas estáticas”. Además, el cuadro debe poder manejar el peso del ciclista, las fuerzas de pedaleo y frenado, y los efectos de la superficie de la carretera. Estas son “cargas dinámicas”; son las más problemáticas para un constructor de cuadros ya que, como su nombre lo indica, se mueven y varían en intensidad

Cuando un fabricante de bicicletas elige un material para hacer un cuadro de bicicleta, generalmente considera las siguientes propiedades del material:

  • Elasticidad: cuando un objeto responde a doblarse o estirarse volviendo a su forma original, se dice que tiene un alto nivel de elasticidad. Un material que se dobla y luego mantiene la forma doblada tiene muy poca elasticidad.
  • Fuerza de rendimiento: Esta es la cantidad de fuerza necesaria para doblar un material hasta un punto donde no puede volver a su forma original.
  • Fuerza final: esta es la cantidad de fuerza necesaria para romper un material. Este es el punto en el que se rompe un cuadro de bicicleta, generalmente con consecuencias peligrosas para el ciclista.

Los materiales y el diseño

En una bicicleta hecha de acero los tubos serán más angostos debido a que el acero tiene una buena “fuerza final”, con una “fuerza de rendimiento” mucho menor. Esto es bueno, ya que significa que un cuadro de acero se doblará bien antes de romperse.

En contraste, el uso de aluminio se ha convertido en el material de elección para los cuadros, debido a su peso más ligero. Sin embargo, el aluminio tiene una resistencia al “rendimiento” muy cercana a su “resistencia máxima”. En otras palabras, es bastante frágil y propenso a romperse. Por lo que los fabricantes de cuadros han respondido construyendo bicicletas de aluminio con tubos más anchos y soldaduras más gruesas, para reducir el “estrés” y la posibilidad de rotura del cuadro.

Otros materiales, como la fibra de carbono y el titanio, tienen cualidades como: peso ligero, alta elasticidad, alta “resistencia final”, resistencia de “rendimiento” relativamente baja. Esto significa que los cuadros hechos de estos materiales deben estar bien diseñados para ser lo suficientemente rígidos como para resistir las fuerzas de pedaleo.

Si bien el diseño de diamante es el principio de la mayoría de las bicicletas construidas hoy en día, algunos constructores de cuadros están experimentando con nuevas variaciones en este diseño clásico. Por ejemplo, algunos cuadros de fibra de carbono se están fabricando con tubos ovalados, lo que hace que la bicicleta sea más aerodinámica. Las nuevas bicicletas de suspensión total han modificado el diseño del diamante para permitir que se monte una gran descarga en la tija (tubo) del asiento. Sin embargo, la mayoría de los cambios en el diseño son más sutiles y tienen que ver con maximizar el rendimiento para diferentes tipos de terreno o usos.

Las bicicletas están llenas de felicidad, salud y eficiencia, pero también de engranajes, palancas, cojinetes, fuerzas, contra-fuerzas, impulso, inercia, pivotes, fricción, empuje, acción giroscópica  y muchas otras cosas ingeniosas.

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