Aerodinámica

Antes de comenzar, debemos tener claro en que consiste la aerodinámica. En primer lugar, la aerodinámica es la rama de la mecánica de fluidos que estudia las acciones que aparecen sobre los cuerpos sólidos cuando existe un movimiento relativo entre estos y el fluido que los rodea, siendo éste último un gas. En el caso que sea un líquido, la encargada de estudiarlo es la Hidrodinámica.

Un móvil en movimiento, sea este un automóvil, una aeronave, una motocicleta e incluso una bicicleta, está en contacto directo con el aire atmosférico, el cual provoca grandes efectos en el comportamiento de estos. En el caso particular de la bicicleta, su rendimiento se ve alterado notoriamente por la resistencia aerodinámica. Más aún, la resistencia del aire llega a ser más del 80% de la fuerza total de frenado, para velocidades superiores a los 30 Km./h. Es decir, si queremos mejorar el rendimiento de la bicicleta, claramente el enfoque viene dado por la aerodinámica. Incluso las perdidas mecánicas entre los componentes de la bicicleta tienen poca importancia en esta situación.


En términos generales, todo cuerpo inmerso en la corriente de un fluido (desde este punto de vista, toda la vida se desarrolla inmersa en la atmosfera) está sometido a fuerzas y momentos que dependen de la forma y orientación del cuerpo respecto al fluido. Si descomponemos esta fuerza general en dos, en una paralela al flujo y otra perpendicular, podemos señalar que la componente paralela al flujo se llama arrastre o resistencia al aire.

El arrastre es una fuerza mecánica, genera cuando un cuerpo interactúa y esta en contacto con un fluido. En el caso de la bicicleta, es claro que ella está en permanente contacto con el aire atmosférico. Además debe existir un movimiento relativo entre ambos.

Cuando un móvil se desplaza sobre la superficie terrestre y sumergido en la atmósfera, siente una fuerza que se opone al movimiento. Bueno, claramente estamos siendo afectados por la fuerza de arrastre. Dentro de los diversos factores que afecta su magnitud, podemos señalar que la sección de impacto y la forma de la superficie son bastante importantes.
Dado que estamos en el mundo real, los supuestos de fluidos ideales y despreciando efectos del roce no son validos. Es cierto que los supuestos anteriores nos ayudan a tener una vision bastante aproximada de la realidad, pero para nuestro caso, es imprescindible considerar los efectos tanto del roce como de la viscosidad del aire atmosférico.

La bicicleta es un cuerpo que sirve para desplazarse, y en el mundo real, lo hace a través de un aire viscoso.

Un cuerpo que se mueve en un fluido viscoso con velocidad constante debe estar sometido permanentemente a la acción de una fuerza, la cual se opone al movimiento. Esta resistencia que impide la aceleración del cuerpo se llama fuerza de arrastre, formada fundamentalmente por la suma de dos fuerzas.

La primera fuerza es la llamada arrastre de forma o de presión que resulta de los gradientes de presión que se forman en las partes traseras y delanteras de los cuerpos. Esta fuerza se produce cuando el flujo de aire no logra adaptarse al contorno del objeto que se mueve, haciendo que el aire se separe. Este último efecto se conoce como efecto de separación.

Para entender este efecto hay que señalar que los flujos de un fluido son irreversibles debido a las pérdidas de energía que ocurren durante el flujo, producidas por la viscosidad del fluido, o más bien, al gradiente de velocidades. Dada la existencia de este gradiente de velocidades, se genera el efecto de separación del fluido que consiste en que en algunas partes del flujo, el fluido va en dirección contraria a la dirección que tiene el flujo principal. Esto se puede ver por ejemplo en un difusor, en una tubería o, lo más interesante para nosotros, cuando un cuerpo que interrumpe el flujo de un fluido:

Para mayor claridad, presentaremos una imagen de un fluido que se ve interrumpido por un objeto. Veremos que relación existe entre el número de Reynolds, el cual proporciona una indicación de la pérdida de energía causada por efectos viscosos y el fenómeno de separación.


Generalmente las separaciones ocurren cuando el fluido pasa de un área más pequeña a un área más grande de flujo, y de menor consideración cuando se pasa de un área más grande a una pequeña (es importante considerar la forma del tubo de flujo, vale decir si tiene cambios de área con ángulos rectos o angulados).

La separación esta fuertemente relacionada con la fuerza de fricción. Las esquinas afiladas o de ángulos rectos forman gran separación, pero cuerpos de otras formas también afectan en la aparición de este fenómeno.

Esta separación del aire hace que la distribución de presión varíe sobre el objeto, esta se produce hacia la parte de atrás de la bicicleta, haciendo que la presión del aire allí sea menor que en la superficie delantera, produciendo resistencia.

La otra fuerza presente es la de arrastre viscoso o fricción de piel. El origen de esta fuerza se debe a las fricciones internas del fluido y el contacto de este con el cuerpo.

Cuando un fluido como el aire fluye través de una superficie, claramente hay fricción que se opone al movimiento. La magnitud del arrastre viscoso depende de la viscosidad del fluido y la suavidad de la superficie.

Un fluido muy viscoso se resistirá a fluir a lo largo de una superficie lisa, incluso si inclinamos la superficie. En este caso, la fuerza de fricción en la superficie es muy grande. Es cosa de observar un fluido como la miel, darla vuelta sobre la mesa de la cocina y notar como fluye muy lentamente.

En caso contrario, un fluido como el agua con una viscosidad mucho más baja se moverá mucho más rápido sobre la superficie inclinada (incluso si no la superficie es plana notamos que fluye fácilmente). Esto se debe la fricción entre el agua y dicha superficie es mucho más pequeña.
Ahora veamos que pasa si hacemos fluir el agua sobre otra superficie. Si seleccionamos una superficie muy áspera, como la alfombra de la casa, y la inclinamos, notamos que el agua fluirá más lentamente que en el caso anterior. Como la superficie es más áspera, la fricción es mayor y la velocidad menor.

En el caso particular del ciclista, la fricción aerodinámica es producida por el choque de las moléculas que componen el aire, que al chocar cambia su cantidad de movimiento y ejerce una fuerza normal a la superficie. Cuanto mayor sea la velocidad a la que se desplace el ciclista, mayor variación sufrirá la cantidad de movimiento de las moléculas y mayor será la fuerza normal que ejerzan. Por otra parte el deslizamiento de las moléculas también produce una importante fricción.

De lo anterior, notamos que la fricción depende de la velocidad.

Por otro lado, el flujo puede ser laminar o turbulento.

A velocidades bajas el flujo será laminar y por tanto la fricción muy pequeña, pero a velocidades más altas el flujo laminar se vuelve inestable y las capas del aire comienzan a separarse, generando un flujo turbulento y haciendo que la fricción sea mucho mayor.

Sin embargo, la mayor fuerza de fricción tiene lugar en la región cercana de transición de los dos flujos, pudiendo ser hasta 5 veces mayor que en la región del flujo turbulento. Este rango de transición se encuentra entre los 15 y los 20 km./h.

Ya hablamos bastante de aspectos generales, de la interacción de un cuerpo cualquiera y el aire.

Si analizamos concretamente el caso de un ciclista, la situación es bastante especial. La bicicleta en sí genera problemas aerodinámicos (dada su forma) pero es el ciclista (y su posición vertical clásica sobre la bicicleta) quien genera entre 65 % y 80 % de la resistencia total del aire. Por lo tanto, la postura del ciclista es muy importante. Desde hace mucho tiempo se ha sabido de la importancia que tiene la postura del ciclista. La posición agachada para las competencias y los manubrios bajos se han utilizado desde la década de 1890. Pruebas en el túnel de viento, al igual que otros experimentos, han demostrado que la posición adecuada del cuerpo puede reducir la resistencia del aire hasta en un 31% con respecto a una posición vertical.

Los nuevos manubrios han permitido que los ciclistas logren obtener una posición aerodinámica óptima. Esta posición consiste en agachar la cabeza, manteniendo la espalda derecha. Aún así se puede pedalear eficientemente. En esta posición la resistencia del aire se reduce en un 25%.

Un casco también puede ayudar a disminuir la resistencia aerodinámica, aproximadamente un 2%. De hecho, los cascos aerodinámicos modernos hacen que la resistencia del aire sea menor ¡incluso para un ciclista calvo! Por lo tanto, un casco apropiado no sólo te protege la cabeza, sino puede ayudarte a ganar una carrera.