Aerodinámica, ¿moda o realidad?: Drag y CdA

Como expusimos en el segundo artículo de esta sección, “¿Importa el peso? Ciclistas pesados frente a ligeros (76 ilos vs 60 kilos)”, existen varias resistencias que se oponen a nuestro avance al rodar en bicicleta.

Por lo que la potencia que generamos al pedalear es disipada por dichas resistencias:

• Resistencia Aerodinámica o Drag
• Resistencia de Rodadura o Rolling resistance
• Resistencia debida a la gravedad
• Perdidas mecánicas
• Resistencia debida a cambios de velocidad (aceleraciones y deceleraciones)

En artículos anteriores, hemos ido desgranando y profundizando en la Resistencia de Rodadura, “¿Neumáticos anchos o estrechos? ¿23mm o 28mm? (Resist. Rodadura y Crr)”, así como en la resistencia debida a la gravedad “Chris Froome en la Finestre y la ley universal que persigue al ciclista: La Gravedad”.

Foto: Cor Vos / Team Sunweb

En esta ocasión, me gustaría profundizar en la Resistencia Aerodinámica. En los últimos años las marcas de bicicletas y equipamiento le han dado cada vez más importancia, llegando incluso a ser un factor prioritario a la hora de diseñar nuevos cuadros y componentes. Vamos a ver qué parámetros son relevantes en la aerodinámica e intentaremos descifrar porque y cuando se vuelve un factor de máxima importancia.

¿Cómo la definimos?

La resistencia aerodinámica o Drag, no es más que la fuerza o resistencia que opone el aire cuando intentamos atravesarlo con nuestra bicicleta.

En la mecánica de fluidos se dice que cualquier cuerpo en movimiento dentro de un fluido se verá afectado por la resistencia que el fluido en si opone. En general se denomina Resistencia Fluidomecánica. Cuando hablamos, por ejemplo, de un buceador dentro del agua, tendremos que la denominada Resistencia Hidrodinámica se opone a su avance y como hemos visto, en nuestro caso particular al rodar en bicicleta, nuestra oposición será la Resistencia Aerodinámica, debido a que el aire es un fluido.

Ecuación:

Esta es la ecuación de la mecánica de fluidos, que describe la resistencia aerodinámica que el aire opone cuando intentamos atravesarlo. Como veis depende de 4 diferentes factores:

Como ya hemos visto también en artículos anteriores, sabemos que la potencia puede ser expresada como el producto de la Fuerza por la Velocidad, por lo que podemos calcular que parte del total de nuestra potencia generada es la que destinamos a vencer la resistencia aerodinámica.

Por tanto, son 3 factores implicados en la ecuación, densidad del aire, el área frontal proyectada y el coeficiente aerodinámico de arrastre o Drag coefficient que intervienen de manera lineal en el aumento de potencia necesaria, mientras que la velocidad relativa afecta de manera exponencial y por lo tanto se muestra como el parámetro determinante y que más impacto genera.

Vamos a desgranar teóricamente y con algunos ejemplos prácticos los cuatro factores implicados, y dos de ellos los trataremos en conjunto:

1. Densidad del aire (ρ)

Todos los fluidos, bien sean líquidos o gaseosos (el aire en nuestro caso), presentan una densidad. Esta densidad se expresa en el sistema internacional en kilogramos por metro cubico (kg/m3). La densidad del aire, y de cualquier otro fluido liquido o gaseoso, al contrario que en los materiales sólidos (como por ejemplo aluminio, acero, etc.), no es una constante, sino que es variable en función de diversos factores:

• Temperatura: La temperatura hace variar la densidad del aire. A medida que la temperatura aumenta, la densidad del aire disminuye. Esto sucede porque a temperaturas más elevadas, las moléculas de aire se mueven más rápido, haciendo bajar la densidad del mismo.
• Humedad: La humedad modifica también la densidad del aire. A medida que la humedad aumenta, la densidad del aire disminuye. Aunque pueda parecer lo contrario, el vapor de agua tiene menor densidad que el aire seco, por lo que, en ambientes húmedos, la densidad total del aire disminuye.
• Presión: La presión atmosférica también hace variar la densidad del aire, a mayor presión (a nivel del mar) mayor es la densidad del aire y viceversa, en altitudes elevadas como por ejemplo a 2000m la presión del aire es más baja, por lo que la densidad del aire disminuye. Es algo lógico, cuando la presión atmosférica es más elevada, las moléculas del aire están más juntas, por lo que atravesar el aire se vuelve algo más complicado, debido a que su densidad es mayor.

Dennis, el contrarrelojista de moda. Foto: PhotoGomez Sport

Ejemplo práctico: Récord de la hora

¿Por qué creéis que algunos intentos de récord de la hora se llevan a cabo en altitud? Pues la respuesta es que se intenta buscar una menor densidad del aire, que haga que con una misma potencia generada por el ciclista, este pueda ir más rápido.

Imaginemos a un ciclista de 72kg de peso que quiere intentar el récord de la hora. Suponemos que su bicicleta de crono pesa 8kg y su equipación total (casco, zapatillas, etc) 1kg extra. Vamos a hacer el cálculo de cuantos vatios de potencia le supondría a nivel del mar y cuantos le supondría a 2.250m de altitud. Vamos a simular que la resistencia de rodadura, su coeficiente aerodinámico y todos los demás parámetros permanecen constantes y vemos así que cambiaría en uno y otro escenario. Imaginemos también que se queda cerca del récord de la hora de Wiggins y que promedia 53,5km/h.

Datos de entrada

Cálculo

Vamos a calcular ahora la potencia que supondría realizar el intento a nivel del mar o a 2.250m de altitud. Los valores de densidad del aire son orientativos ya que dependerán también de la temperatura y de la humedad, tal y como hemos visto anteriormente.

Como se puede observar en la tabla, la potencia total a desarrollar a nivel del mar, sería de 448w, mientras que a 2.250m de altitud, estaríamos hablando de 377wpara realizar el intento a la misma velocidad de 53,5kmh. Estos 70/71w de ventaja al realizarlo en altitud pueden parecer mucho, y realmente lo son, pero tenemos que tener en cuenta que, al realizar este esfuerzo máximo a tan elevada altitud, supone un descenso en la prestación y rendimiento del deportista. Debido a la baja presión de aire existente la altitud que genera que la saturación de oxigeno disminuya. Por lo tanto, como siempre, es cuestión de buscar el equilibrio entre mejora que podemos obtener debida a la menor densidad de aire en altitudes elevadas y la bajada de rendimiento debida a factores fisiológicos del deportista.

Esta bajada de rendimiento fisiológico no se da de igual manera en todas las personas, por lo que se tratará de buscar un balance personal de cuanta potencia perdemos en el esfuerzo determinado que vayamos a realizar en altitud y contrarrestarlo con la potencia positiva que este mismo esfuerzo en altitud nos ofrece debido a la menor densidad de aire.

Tomando como referencia estudios llevados a cabo y publicados por Joe Friel, uno de los cofundadores de la plataforma TrainingPeaks y reputado miembro de la comunidad de la ciencia deportiva a nivel mundial, la bajada de rendimiento a esta altitud de 2.250m de altitud varía entre 84%-88% (según condiciones personales, aclimatación, etc) de nuestro máximo a nivel del mar. Por lo que, si tomamos que en nuestro ejemplo el máximo a nivel del mar sería de 448w en una hora, nuestros ciclista podría realizar teóricamente entre 376w (84%) y 396w (88%).

Como podéis comprobar, lo que ganamos en altitud debido a una menor densidad de aire (377w) lo equilibramos con la caída de rendimiento debido a realizar el esfuerzo en altitud elevada. No es una decisión sencilla, por lo tanto. Por esta razón precisamente por la que varios ciclistas han intentado batir el récord de la hora en altitud.

También tenéis aquí una de las razones de por qué en el récord de la hora de Wiggins trataron de buscar el día idóneo donde la presión atmosférica sería más baja, y también por qué dentro del velódromo intentaron controlar lo máximo posible la humedad y la temperatura. De este modo querían lograr la densidad de aire más favorable posible para batir el récord de la hora.

Como siempre este cálculo esta realizado de manera teórica y sin tener en cuenta aceleraciones y deceleraciones que se producen en la realidad y que hacen que los resultados varíen algo de los expuestos teóricamente.

1. CdA (coeficiente aerodinámico x área frontal proyectada)

Vamos a hablar ahora del famoso CdA, que en los últimos tiempos se ha puesto tan de moda. En la expresión CdA están contenidos dos factores que explicaremos a la vez, ya que en la actualidad se usan de manera conjunta en el ciclismo, para determinar nuestra aerodinámica.

• Cd = coeficiente arrastre o Drag coefficient
• A = área frontal proyectada del ciclista + su bicicleta

Coeficiente de arrastre (Cd)

Es un coeficiente adimensional, que depende de la forma del objeto (en nuestro caso de ciclista con su bicicleta y equipamiento) y que puede ser determinado de manera fiable en un túnel de viento. Sin entrar en más profundidad en el término, ya que nos llevaría un artículo completo, os dejo unas imágenes con sus respectivos coeficientes de arrastre. Como ya habréis intuido por la ecuación anterior, cuanto menor sea el Cd, menor será la resistencia ejercida por el aire, y menor será la potencia que debamos generar para una misma velocidad.

Fijaros como las imágenes con formas más aerodinámicas son aquellas que presentan un Cd más bajo y tienen forma de ala de avión y se asemejan mucho a los cascos de crono actuales. Si queréis profundizar un poco más en el tema, existen muchísimos perfiles alares codificados y clasificados. Estas formas toman el nombre de perfiles NACA y han sido y continúan siendo ampliamente estudiados en aviación, debido a que son la clave de la aerodinámica de los aviones.Área frontal proyectada (A)

No es nada más y nada menos que el área frontal del objeto que atraviesa el aire, expresada en metros cuadrados. Al igual que la densidad del aire y el Cd, cuanto menor sea el área frontal, menor será también la resistencia aerodinámica que debemos vencer y por lo tanto menor será la potencia a desarrollar para una velocidad determinada. Vamos a mostrarlo también en imágenes. Debajo podéis ver tres imágenes frontales en las que se aprecia claramente como una posición de contrarreloj ofrece una menor área frontal proyectada  las clásicas posiciones en la bicicleta de ruta.

En el ciclismo en los últimos tiempos, se habla mucho más del conjunto CdA, que de los dos parámetros por separado. Una de las razones es que el CdA puede ser calculado indirectamente desde la potencia y la velocidad generada por el ciclista, de manera conjunta (CdA) y otra es porque en el ciclismo no contamos con un área frontal proyectada (A) y un coeficiente de arrastre (Cd) fijos, como puede ser en un automóvil, un avión o un barco, sino que el área frontal y el coeficiente de arrastre son parámetros que varían en función de nuestra posición encima de la bicicleta y además están directamente relacionados entre sí.

Cuando variamos nuestra área frontal bajando la cabeza, por ejemplo, inevitablemente de algún modo estamos variando nuestro Cd, ya que modificamos de alguna manera la forma con la que atravesamos el aire. Esta es la razón, por la que tiene mucho más sentido hablar directamente en términos de CdA (conjuntamente) y no de Cd y A por separado.

Foto: Photo Gomez Sport

¿Cómo medimos el CdA?

En los últimos años, se han multiplicado las herramientas que nos permiten calcular o estimar nuestro CdA, y por lo tanto testar y analizar nuestra posición, los materiales que usamos, el equipamiento, etc. Estos test, podemos llevarlos a cabo en diferentes entornos:

Túnel de viento: Demasiado costoso de momento para los usuarios particulares. Bajo mi humilde experiencia, por su rapidez y precisión, el túnel es una gran herramienta para testear materiales como ruedas, cuadros, cascos, etc.; pero aun siendo una gran herramienta, no me convence tanto para el testeo de posiciones. Normalmente en el túnel el ciclista se encuentra en un banco o rodillo estático, en el que no tenemos en cuenta el equilibrio, el manejo de la bici y no existen inercias. Por lo tanto, casi cualquier posición es viable.

Foto: Daniel Geiger / Merida Europe GmbH

En varias ocasiones he tenido la oportunidad de ver ciclistas profesionales que después de realizar una prueba en el túnel de viento, han tenido que modificar esta posición a los 5/10min de salir a carretera o de rodar en un velódromo, porque no eran capaces de ejercer la fuerza necesaria a los pedales, porque no podían manejar la bici con seguridad, etc. No quiero decir con esto que el túnel no sea válido, ni mucho menos, sino que debemos tener en cuenta todos los factores cuando testamos en él. Buscar el equilibrio entre aerodinámica y producción de potencia, manejo, etc.

Test en Velódromo: Existen varias herramientas que nos permiten estimar o calcular de manera indirecta el CdA. Para ello, debemos conocer nuestra potencia y velocidad, debemos saber también la densidad del aire y el Crr de nuestros neumáticos. Debido a la ausencia de velocidad de viento en el velódromo, podemos eliminar esta compleja variable del cálculo, por lo que hace del test de velódromo bastante preciso y fiable.

En él incluimos también el movimiento real con equilibrio, manejo de la bici, aceleraciones e inercias que se dan cuando rodamos después en carretera. Podemos destacar que es mucho menos costoso que un test en el túnel de viento y que puede ser repetido tantas veces como queramos, siempre que tengamos un velódromo cerca, claro está.

Fabio Aru, en acción en el velódromo. Foto: Matteo Cappè

Test en Carretera: En los últimos tiempos, han salido al mercado productos como NotioKonect, Aerolab, etc. que nos permiten realizar un cálculo de nuestro CdA mientras rodamos en condiciones reales en carretera abierta.nEstos dispositivos electrónicos, recogen la velocidad del aire mediante un sensor de presión y realizan el cálculo del CdA incluyendo todas las variables. Tengo la oportunidad de trabajar con NotioKonect en la actualidad, y creo realmente que son los dispositivos del futuro.

Todavía necesitan algo más de resolución y precisión para poder medir pequeños cambios que sí son perceptibles en un túnel de viento o un velódromo, pero la tecnología seguirá evolucionando y sin duda se convertirán en herramientas de referencia a la hora de testear la aerodinámica, ya que como he mencionado, incluyen todas las variables en condiciones reales de marcha.

Ejemplo práctico: Contrarreloj individual de 40km

Vamos a hacer el mismo ejercicio que en el apartado anterior, vamos a simular para las mismas condiciones de peso, potencia generada, Crr, densidad del aire, etc. que supondría para un ciclista como Ion Izagirre, tener un CdA de 0.213 o bajar hasta 0.203. Vamos a calcular para un promedio de 380w de potencia media, y 40km de contrarreloj llana, cuántos segundos de mejora supondrían esta bajada de 0,01 en su coeficiente aerodinámico.

Datos de entrada:

Cálculo:

Como se puede observar, reduciendo el CdA del ciclista, lograríamos también reducir de manera significativa el tiempo invertido en esta contrarreloj por Ion Izagirre. Este es el motivo por el cual, en los últimos años, la gran mayoría de equipos profesionales trabajan para intentar mejorar aerodinámicamente, sobre todo en pruebas contrarreloj. La intención de todos estos esfuerzos es pulir cualquier detalle que haga que sus ciclistas sean más rápidos desarrollando el mismo esfuerzo.

Para intentar reducir el CdA, se realizan test con diferentes posiciones, pero también se intenta por parte de los equipos tener una evolución continua en cuanto a materiales se refiere, empezando por ruedas y cuadros, llegando hasta cascos y buzos cada vez más estudiados. Hoy en día cada segundo y cada vatio cuenta en el ciclismo profesional donde todo esta tan igualado.

2. Velocidad

Como hemos mencionado ya, la velocidad influye de manera exponencial en el Drag o resistencia aerodinámica que el ciclista debe vencer para avanzar. ¿Qué quiere decir esto? Pues que cuando la velocidad del ciclista va en aumento (estamos hablando en terreno llano, donde la gravedad no ejerce su efecto), la potencia que el ciclista debe realizar aumenta exponencialmente. Vamos a verlo gráficamente. Fijaros como varia la potencia para Ion Izagirre, si fijamos una densidad de aire de 1,1kg/m3 y un CdA para la bici de ruta de 0.285:

El aumento de velocidad exponencial, supone que a 40km/h la potencia que Ion deberían realizar serían 215w, mientras que aumentando a 50km/h la potencia prácticamente se doblaría hasta 419w. Estos datos son solamente la potencia referida a la parte aerodinámica, y por lo tanto no son los vatios reales que Ion estaría moviendo a estas velocidades. Como hemos visto ya en varias ocasiones, a estos vatios habría que sumarle la resistencia debida a la resistencia de rodadura, las perdidas mecánicas y las referentes a la gravedad (en caso de haber subidas y bajadas) y a las aceleraciones y deceleraciones.

Conclusiones

Como veis, la velocidad es el factor clave en la aerodinámica. A bajas velocidades, el efecto es pequeño. Pero a medida que la velocidad aumenta, la resistencia aerodinámica aumenta de manera exponencial. Es por esto que los equipos profesionales y las marcas comerciales trabajan en desarrollo de productos cada vez más aerodinámicos. Cuando la velocidad pasa de 35km/h, la aerodinámica se lleva casi toda energía que producimos en nuestros pedales, por lo que cualquier mejora a nivel de posición, materiales o equipación, que haga que con la misma potencia logremos ir más rápido, siempre es bienvenida. Al final no dejan de ser vatios o segundosgratis, que tanto nos cuesta ganar mediante el entrenamiento.

Como habréis podido comprobar también durante el artículo, la velocidad, es simplemente un efecto de la potencia generada. La densidad del aire es muy difícil, por no decir imposible de controlar por el ciclista o el equipo, ya que cada competición se lleva a cabo en un lugar determinado y no podemos cambiarlo. La única manera de variar y mejorar nuestra aerodinámica y, por lo tanto ser más rápidos con menos esfuerzo, es trabajando sobre nuestro CdA.

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