Area frontal efectiva y potencia al umbral (Watts/CdA)

El rendimiento en las etapas de ciclismo contrarreloj llanas y en los tramos de ciclismo de (la mayoría de) los triatlones sin drafting está ligado fundamentalmente a la relación entre la potencia que el atleta puede generar de manera sostenida (Umbral Funcional) y su área frontal efectiva (CdA) con una contribución secundaria -aunque no despreciable- de la resistencia a la rodadura y el peso del atleta y el equipamiento.

El área frontal efectiva es el producto del área frontal del objeto por el Coeficiente de Resistencia Aerodinámica (Cd).

El área frontal es la superficie perpendicular a la dirección de avance y es bastante intuitivo que la resistencia aumente en la medida que ésa aumenta, el Cd en cambio tiene en cuenta la manera en que la "forma del objeto" afecta la resistencia aerodinámica.

En la siguiente figura podemos ver los valores del Cd de algunas formas comunes:

Si bien ambos aspectos son independientes en la práctica es habitual medir directamente el producto de ambos y denominarlo como área frontal efectiva (CdA=Cd*A): en el tunel de viento se expone el objeto a un flujo de aire a velocidad controlada y se mide la fuerza que dicho flujo ejerce sobre el objeto, el CdA es el cociente entre el doble de esa fuerza y la densidad del aire por la velocidad del flujo de aire al cuadrado:

CdA= 2 * (Fuerza de resistencia) / ((Densidad del Aire) * (Velocidad del aire)^2)

El CdA depende de la dirección del viento, rotando el objeto se mide la fuerza con diferentes ángulos de incidencia (típicamente 20/30 grados a cada lado en el ciclismo) y se obtiene una curva de CdA.

Una forma alternativa de presentar esa información es como gramos de fuerza a una velocidad de 30mph/48kmh y densidad del aire estandarizada (1.2 kg/m^3), ambas son equivalentes.

En caso que no se cuente con tunel de viento es posible realizar la determinación mediante pruebas de campo pero este método es bastante laborioso y solo se puede utilizar sin viento, se obtiene el CdA con ángulo de incidencia cero.

Una vez conocido el CdA si mantenemos constantes el resto de los factores (Crr, temperatura, altitud y peso) el cociente ente la potencia y el área frontal efectiva (Watts/CdA) es un buen estimador de la velocidad que se puede desarrollar en una contrarreloj llana, en el siguiente gráfico producido por el Dr. Robert Chung se puede apreciar claramente esta relación:

En particular es posible ver que combinaciones de potencia promedio y área frontal efectiva son necesarias para una determinada velocidad promedio, por ej. se ve que con una CdA=0.24 se pueden promediar 40km/h con algo menos de 250watts y son necesarios más de 300watts si el CdA=0.30.

El área frontal efectiva depende del tamaño del ciclista pero la relación con el peso no es lineal: la superficie corporal está relacionada con el Peso^(2/3) mientras que la potencia tiende a estar linealmente relacionada con el peso, esta relación tiende a favorecer a los ciclistas de mayor tamaño.

A igualdad de tamaño la posición del ciclista tiene la mayor importancia dado que éste representa el 75% de la resistencia aerodinámica, el otro 25% depende de la bicicleta (cuadro, ruedas, aerobar, etc.)

En un artículo anterior comentamos el análisis de perfil de potencia desarrollado por el Dr. Coggan (Perfil de Potencia), a continuación puede verse una adaptación de dicho análisis a este caso donde el área frontal efectiva tiene mucha mayor importancia que el peso:

En el tope de la tabla tenemos a los mejores contrarrelojistas a nivel mundial con potencias sostenibles en el órden de los 450watts y área frontal efectiva en el órden de 0.20.

Es evidente que a fin de maximizar el rendimiento en este tipo de pruebas es necesario trabajar sobre ambos aspectos: maximizar la potencia sostenible y minimizar el área frontal efectiva.

Análisis de la distribución del esfuerzo pos-carrera

Esta nota es continuación del anterior Distribución del esfuerzo en el ciclismo s/drafting y tiene por objetivo mostrar la aplicación de los conceptos comentados al análisis de un caso práctico.

El caso elegido es el Ironman 70.3 de Hawaii 2008 y la razón es que, de las carreras que he corrido y tengo datos completos, es la que presenta condiciones de altimetría y viento más variables (el circuito de ciclismo es comparte el tramo de Mauna Lani a Hawi con el Ironman) de manera que la distribución óptima del esfuerzo tiende a ser más compleja.

La metodología utilizada para el tratamiento de los datos es la ya comentada en el artículo Viento, que viento ?, en la que los datos de potencia y velocidad del medido de potencia PowerTap se combinan con la altitud barométrica obtenida de un pulsómetro Polar RS800 y se posprocesan utilizando las ecuaciones de movimiento junto a los parámetros aerodinámicos, peso total y resistencia a la rodadura para obtener una estimación del viento frontal actuante.

Estos datos registrados cada 5 segundos se consolidaron en segmentos discretos de 3 minutos de duración calculando distancia recorrida, ascenso/descenso, velocidad y potencia promedio para cada segmento y se calculó una aproximación a la potencia normalizada.

Con estos datos se planteó el siguiente problema de optimización:

encontrar la potencia promedio para cada segmento que minimiza el tiempo
necesario para completar el recorrido sin exceder la potencia normalizada del
caso real.

El objetivo es obvio: el menor tiempo posible, la restricción quizá no tanto: no exceder la potencia normalizada del caso real está basada en la hipótesis que la potencia normalizada es representativa del "costo fisiológico" para una duración determinada, es decir la idea es ver si, con una mejor distribución del esfuerzo (pacing) es posible completar el recorrido en menos tiempo con el mismo esfuerzo total.

Para esto se utilizó la planilla BikeOptimizer.xls y la herramienta Solver de Excel, dado que el problema es no-lineal la elección de los valores iniciales es importante y se utilizaron los datos reales como tales, el resultado se muestra en el siguiente gráfico: la curva amarilla representa la potencia óptima encontrada para cada segmento y la celeste la real:

El tiempo total obtenido es de 2h35'30" frente a un tiempo real de 2h36'15", es decir que en este caso el margen de mejora por esta vía es de 45" (0.5%), es decir que la distribución del ritmo fue bastante adecuada, al menos comparada con este modelo teórico.

La potencia promedio de la optimización es de 187 vatios frente a 185 vatios de la real, es decir una distribución ligeramente menos variable.

Finalmente quería comentar la motivación para este tipo de análisis comenzó cuando empecé a utilizar el medidor de potencia en carreras y notar que en circuitos no-llanos y/o con mucho viento el índice de variablidad (VI=potencia normalizada/potencia promedio) era bastante mas elevado que en los circuitos planos y el promedio de velocidad relativamente bajo, la pregunta obligada fué: eso es algo inherente o se puede mejorar ?
La respuesta es que se puede mejorar y mucho, en las primeras carreras que corrí sin tener en cuenta estos aspectos (por ejemplo del Duatlón Hombre de Piedra 2007) la diferencia era importante, superior al 1%, de manera que comencé a prestarle atención al problema de tratar de reducirla aplicando esta metodología de análisis, lo que encontré en esas ocasiones era una aplicación de la potencia demasiado despareja: demasiado esfuerzo en los tramos lentos (subidas y/o viento en contra) y recuperación por demás en los tramos rápidos (bajadas y/o viento a favor), el análisis pos-carrera mostraba que una aplicación algo mas pareja -aunque no totalmente pareja- resultaba una mejor estrategia.

Un análsis similar se puede utilizar si se dispone de la altimetría del circuito y algúna idea de los vientos predominantes para estimar cuál podría ser la distribución del esfuerzo más adecuada y tener una aproximación al tiempo, en esas condiciones, en función de la potencia normalizada (o la intensidad relativa para una potencia al umbral dada o incluso un TSS máximo).
En algunos circuitos pueden ser necesarias restricciones adicionales para que el resultado sea "ejecutable": potencia máxima por tramos (para subidas cortas) y velocidad máxima por tramos (para bajadas técnicas) por ej., también puede ser necesario considerar un CdA diferente para tramos en los que se piense subir fuera del acople.

Esta forma de análisis tiene como origen ideas y conceptos desarrollados por el Dr. Andrew Coggan (potencia normalizada entre otros), Dr. Robert Chung (elevación virtual) y el trabajo de optimización de Alex Simmons, editor de un muy interesante blog de ciclismo.

Niveles de Intensidad - Velocidad de Natación

En artículos anteriores comentamos una división en Niveles de Intensidad del Entrenamiento propuesta específicamente para el ciclismo, pero basada en principios básicos generales de la fisiología del ejercicio, propuesta por el Dr. A. Coggan y su aplicación a la carrera en Niveles de Intensidad - Velocidad de Carrera comparándola con las intensidades propuestas por J. Daniels.

Como ya hemos comentado los niveles son mas descriptivos que prescriptivos y apuntan a identificar las adaptaciones esperables en cada una de ellas, en lo que sigue presentamos una adaptación de estos niveles al entrenamiento de natación, en buena parte en línea con la propuesta del Dr. P. Skiba (Scientific Training For Triathletes / Triathlete’s Guide To Training With Power) y comparándolo con los ritmos de entrenamiento propuestos por el reconocido entrenador de natación Bill Sweetenham en su libro Championship Swim Training.

Uno de los aspectos diferenciales de la natación respecto a la carrera y el ciclismo es que el medio en el que nos desplazamos –agua- tiene una densidad que es unas 800 veces superior al aire y en consecuencia la potencia necesaria para aumentar la velocidad crece mucho más rápidamente y recíprocamente baja mucho más cuando disminuye la velocidad, por veremos que los niveles están muy “comprimidos” cuando los analizamos en función de la velocidad/ritmo de natación: pequeñas diferencias de velocidad implican grandes diferencias en el gasto energético por unidad de tiempo (potencia).

El otro aspecto diferencial, la mayor importancia que tiene el gesto técnico de nado en la economía de movimiento frente a las otras dos disciplinas, no tiene un impacto relevante en la definición de los niveles de intensidad que están asociados a los requerimientos metabólicos, aunque su importancia no puede dejar de ser enfatizada.

Siguiendo con la idea de utilizar como punto de anclaje de los niveles una intensidad que tenga una fuerte correlación con aquella que produce el máximo estado estable de lactato (MLSS) en natación puede utilizarse la Velocidad Crítica o el ritmo promedio en una prueba máxima de alrededor de 30' de duración (3000m para nadadores de elite y 2000m para amateurs).

A continuación presentamos los niveles con su correspondiente rango de velocidad en función de la Velocidad Umbral Funcional y el rango de ritmo propuesto Sweetenham representativo de ese nivel en función del mejor tiempo en 200m.

Para los ejemplos vamos a considerar que nuestro triatleta nada los 200m en 2'26" y los 500m e 6'30", su velocidad crítica la podemos estimar en 1'21"/100m y los niveles de intensidad según los dos esquemas comentados serían los siguientes:

Nivel 1 – Recuperación Activa

Velocidad “< “ 93% Velocidad Umbral Funcional En el orden de 20 seg/100m más lento que el mejor ritmo en 200m. Característica principal: aumento de la circulación para facilitar los procesos de recuperación y reparación, descanso sin inactividad., ejercicios técnicos de baja intensidad (A1). Ejemplo: 5x500 saliendo cada 9’ (trabajo y pausa) c/respiración bilateral

Nivel 2 – Resistencia Aeróbica

Velocidad = 93-97% Velocidad Umbral Funcional
Entre 15 y 20 seg/100m más lento que el mejor ritmo en 200m.

Característica principal: mejora de la resistencia a la fatiga de las fibras de contracción lenta, la duración es mas importante que la intensidad en este nivel. Mantenimiento aeróbico en la terminología de Sweetenham (A2).
Ejemplo: 10x400 en 6’ con 30” de pausa

Nivel 3 – Tempo

Velocidad = 97-99% Velocidad Umbral Funcional
Entre 10 y 15 seg/100m más lento que el mejor ritmo en 200m.

Entrenamiento aeróbico intensivo o desarrollo aeróbico en la terminología de Swetenham (A3).
Ejemplo: 10x300 en 4:10 con 20” de pausa

Nivel 4 – Umbral

Velocidad = 99-102% Velocidad Umbral Funcional
Entre 7 y 10 seg/100m más lento que el mejor ritmo en 200m, ritmo de 3000m en nadadores de elite, ritmo de 2000m en nadadores amateurs, velocidad crítica.

Característica principal: maximiza las adaptaciones metabólicas a nivel muscular, componente crítico para todas las distancias de competencias de resistencia/fondo.
Ejemplo: 10x200 en 2:40 saliendo cada 3’

Nivel 5 – VO2max

Velocidad = 102-109% Velocidad Umbral Funcional
Entre 5 y 7 segundos más lento que el mejor ritmo en 200m.

Característica principal: maximiza las adaptaciones cardiovasculares, componente importante para todas las distancias de competencias de resistencia/fondo.
Ejemplo: 10x100 en 1:15 con 30” de pausa

Nivel 6 – Capacidad Anaeróbica

Velocidad > 109% Velocidad Umbral Funcional
Menos de 4seg mas lento que el mejor ritmo de 200m y ritmo de carrera en pruebas cortas.

Característica principal: maximiza la mejora de la capacidad anaeróbica.
Ejemplo: 3x(3x100 saliendo cada 3’) con 100m de nado suave entre bloques

Nivel 7 – Sprint

No guarda relación con la Velocidad Umbral Funcional

Característica principal: sprints de 10 a 25m con recuperación completa
Ejemplo: 8x(10m sprint+15m con brazadas largas) con 1' de pausa

Es importante tener en cuenta que las adaptaciones al ejercicio forman un “contínuo” respecto de la intensidad y las divisiones en niveles o zonas son un tanto arbitrarias y apuntan a identificar las principales adaptaciones fisiológicas esperables en cada nivel, la siguiente tabla intenta reflejar esta relación (con clic se puede ampliar):



La planilla CurvaFatigaNatacion.xls facilita la realización de estos cálculos y permite estimar tiempos para otras distancias.

Niveles de Intensidad - Velocidad de Carrera

En un artículo anterior comentamos una división en Niveles de Intensidad del Entrenamiento propuesta específicamente para el ciclismo, pero basada en principios básicos generales de la fisiología del ejercicio, propuesta por el Dr. A. Coggan.

Los niveles son mas descriptivos que prescriptivos y apuntan a identificar las adaptaciones esperables en cada una de ellas, en lo que sigue presentamos una adaptación de estos niveles al entrenamiento de carrera, en buena parte en línea con la propuesta del Dr. P. Skiba (Scientific Training For Triathletes / Triathlete’s Guide To Training With Power) y comparándolo con los ritmos de entrenamiento propuesto por el notable fisiólogo y entrenador Dr. Jack Daniels (Daniels Running Formula).

En todos los casos el punto de anclaje es el máximo ritmo promedio que el atleta puede mantener en una carrera de 1h de duración a la que llamaremos
Velocidad Umbral Funcional (T-Pace o Ritmo Umbral en la terminología de Daniels).

A continuación presentamos los niveles con su correspondiente rango de velocidad en función de la Velocidad Umbral Funcional y el ritmo propuesto por Daniels representativo de ese nivel.

Nivel 1 – Recuperación Activa

Velocidad “<” 80% Velocidad Umbral Funcional

Característica principal: aumento de la circulación para facilitar los procesos de recuperación y reparación, descanso sin inactividad. Para los triatletas son mejores opciones de recuperación activa el ciclismo o la natación de baja intensidad.

Nivel 2 – Resistencia Aeróbica

Velocidad = 80-87% Velocidad Umbral Funcional
Ritmo fácil/largo de Daniels (E/L-Pace) = 80% Velocidad Umbral Funcional

Característica principal: mejora de la resistencia a la fatiga de las fibras de contracción lenta, la duración es mas importante que la intensidad en este nivel.

Nivel 3 – Tempo

Velocidad = 88-95% Velocidad Umbral Funcional
Ritmo de Maratón de Daniels (M-Pace) = 94% Velocidad Umbral Funcional

Característica principal: entrenamiento de ritmo de carrera para competencias de larga distancia tales como Medio Ironman y Maratón, Sweet-Spot Training.

Nivel 4 – Umbral

Velocidad = 95-105% Velocidad Umbral Funcional
Ritmo umbral de Daniels (T-Pace) = Velocidad Umbral Funcional (por definición)

Característica principal: maximiza las adaptaciones metabólicas a nivel muscular, componente crítico para todas las distancias de competencias de resistencia/fondo.

Nivel 5 – VO2max

Velocidad = 106-115% Velocidad Umbral Funcional
Ritmo de Intervalos de Daniels (I-Pace) = 109% Velocidad Umbral Funcional

Característica principal: maximiza las adaptaciones cardiovasculares, componente importante para todas las distancias de competencias de resistencia/fondo.

Nivel 6 – Capacidad Anaeróbica

Velocidad > 115% Velocidad Umbral Funcional
Ritmo de Repeticiones de Daniels (R-Pace) = 117% Velocidad Umbral Funcional

Característica principal: maximiza la mejora de la capacidad anaeróbica y en el caso de la carrera se cree que induce mejoras en la economía de carrera.

Nivel 7 – Potencia Neuromuscular

No guarda relación con la Velocidad Umbral Funcional

Característica principal: sprints, multi-saltos, ejercicios pliométricos funcionales para la carrera, etc. trabajos cortos y de alta intensidad que generalmente afectan más el sistema músculo-esquelético que el metabólico.

Es importante tener en cuenta que las adaptaciones al ejercicio forman un “contínuo” respecto de la intensidad y las divisiones en niveles o zonas son un tanto arbitrarias y apuntan a identificar las principales adaptaciones esperables en cada nivel, la siguiente tabla intenta reflejar esta relación (con clic se puede ampliar):



Para ver un caso concreto supongamos que un atleta amateur corre 15km en 1h, los niveles serían:



Algunos ejemplos de entrenamiento en cada nivel para un atleta de este nivel siguiendo las recomendaciones adaptadas de Daniels:

Nivel 2 – Resistencia Aeróbica

1h30’ de carrera contínua a ritmo promedio alrededor de 5 min/km
La duración puede extenderse hasta 2hs.

Nivel 3 – Tempo

10’ entrada en calor
45’ de carrera contínua a 4:15 min/km
5’ de vuelta a la calma
La duración de la parte principal hasta 1h30’

Nivel 4 – Umbral

15’ entrada en calor
5 alargues de 100m con recuperación caminando
4x1500 en 6’ con 1’ de recuperación
10’ de vuelta a la calma
La duración del intervalo entre 6 y 12 minutos, la pausa es menor al 20% de la duración del intervalo y la suma de los intervalos no debería superar el 10% del volumen semanal (puede extenderse hasta el 12% para triatletas).

Nivel 5 – VO2max

15’ entrada en calor
5 alargues de 100m con recuperación caminando
4x1000 en 3’40” con 3’20 de recuperación activa
10’ de vuelta a la calma
La duración del intervalo menor a 5’, la pausa menor o igual al intervalo y la suma de los intervalos no debería superar el 8% del volumen semanal (hasta el 10% para triatletas).

Nivel 6 – Capacidad Anaeróbica

20’ entrada en calor
5 alargues de 100m con recuperación caminando
5x300 en 1’ con 3’ de recuperación activa
10’ de vuelta a la calma
La duración del intervalo menor a 2’, la pausa mayor o igual al doble del intervalo y la suma de los intervalos no debería superar el 5% del volumen semanal (hasta 6% para triatletas).

Para la estimación del ritmo umbral se pueden utilizar la Curva de Fatiga si se cuenta con al menos 2 marcas recientes en carreras de pedestrismo, si se cuenta con solo una entre 5k y 21.1k se pueden utilizar las Tablas de Daniels para obtener el T-Pace, si no se cuenta con ninguna es buena idea buscar una marca!

La planilla VDOTTriatlon.xls facilita la realización de estos cálculos y trata de relacionarlos con los parciales de pedestrismo en triatlón.