Cuando analizamos en como se emplea la potencia que produce el ciclista al pedalear vimos que una pequeña parte se pierde en la transmisión y la porción mayoritaria que llega a la rueda trasera se distribuye en la necesaria para vencer la resistencia aerodinámica, la resistencia gravitacional en subidas y “resistencia a la rodadura”.
Para tener idea de magnitudes consideremos que un ciclista con una bici que en conjunto pesen 80kg, en terreno llano y sin viento, puede necesitar entre 200 y 250 vatios para vencer la resistencia aerodinámica a 40km/h, dependiendo de su área frontal efectiva, y entre 35 y 70 vatios para vencer la resistencia a la rodadura sobre un asfalto liso dependiendo de los neumáticos y presión utilizados.
Es decir que la resistencia a la rodadura se trata de un componente que tiene un importancia no despreciable en el rendimiento, en esta primer parte analizaremos la naturaleza de este componente a partir un trabajo del Ing. Mecánico y ciclista Tom Anhalt publicado en Tires and wheels for timed cycling events.
Causas de la resistencia a la rodadura
La resistencia a la rodadura de un neumático es el resultado de la disipación de energía en la flexión de materiales, un fenómeno también conocido como histéresis en el que el material cuando se expande no devuelve toda la energía que absorbe al contraerse.
En reposo el neumático se deforma hasta que el área de contacto multiplicada por la presión del aire en el neumático es equivalente al peso que soporta el neumático, si se incrementa el peso, o se disminuye la presión del neumático, el área de contacto se hará más grande y viceversa.
Cuando la rueda gira, en la parte delantera del área de contacto el neumático se está comprimiendo, mientras que en la parte trasera ocurre lo contrario: el neumático se expande y devuelve la fuerza de compresión a la superficie. La diferencia de fuerza ejercida entre los dos extremos del área de contacto es el resultado directo de la disipación de energía en la estructura del neumático.
Si sustituimos el conjunto de fuerzas ejercidas en ambas secciones del área de contacto (desde el eje hacia adelante y desde el eje hacia detrás) por dos fuerza equivalentes, vemos que la fuerza correspondiente a la porción delantera es mayor que la correspondiente a la porción trasera y que está desplazada por delante del eje, de la misma manera que la fuerza de la porción trasera está desplazada por detrás del eje.
Estas dos fuerzas desplazadas generan pares de torsión alrededor del eje: la parte trasera genera un par favorable al giro de la rueda, mientras la delantera genera un par mayor que se opone al giro de la rueda. La diferencia entre estos dos pares resulta en un par opuesto al giro de la rueda.
Este par resultante es lo que se denomina resistencia a la rodadura.
Influencia del ancho del neumático
Dada una misma construcción del neumático y una misma presión de inflado un neumático más ancho tendrá una resistencia a la rodadura menor que uno angosto.
Esto es así porque el área de contacto viene determinada por la carga soportada por el neumático y la presión del aire dentro del mismo. Si estos dos factores son idénticos, un neumático más ancho tendrá un área de contacto más ancha, por lo tanto, para mantener el área de contacto idéntica a la del neumático más angosto, la longitud del área de contacto será menor. Al reducir la longitud, significa que los dos puntos de fuerza equivalentes de los que hablábamos anteriormente, estarán menos desplazados del eje, y por tanto el par aplicado por las fuerzas se reducirá.
En la siguiente figura (adaptada de Tire Rolling Resistance) puede apreciarse esta diferencia:
Un aspecto a tener en cuenta en la elección de neumáticos para eventos con drafting prohibido, es la posible penalización aerodinámica por utilizar un neumático más ancho. Al incrementar el ancho del neumático también se incrementa su área frontal lo que aumenta su resistencia aerodinámica.
Adicionalmente, si el neumático es sustancialmente más ancho que la llanta sobre la que va montado, puede causar una resistencia aerodinámica adicional al aumentar la turbulencia en la transición de la llanta al neumático.Si el neumático está montado en una llanta de perfil bajo, esta discontinuidad no tendrá grandes consecuencias, pero si hablamos de llantas de perfil alto, el efecto puede ser significativo.
Una regla general a seguir con las ruedas aerodinámicas es utilizar un neumático que no sea más ancho que la pista de frenado de la llanta, algunos fabricantes de llantas suelen especificar cual es la anchura óptima de neumático para la que fueron diseñadas su llantas. Por ejemplo, los ingenieros de Zipp han optimizado sus llantas para neumáticos de 21mm y una Hed H3 funciona mejor con neumáticos de 19mm.
Conclusiones
La comprensión de la naturaleza de la resistencia a la rodadura nos permite entender porqué:
- neumáticos más anchos (para una misma presión y materiales) tienden a producir una menor resistencia a la rodadura por menor deflexión pero pueden tener una penalización aerodinámica.
- las altas presiones (hasta cierto punto) reducen las resistencia a la rodadura al disminuir la deflexión pero reducen el confort dado que los neumáticos forman parte de la “suspensión” de la bicicleta.
- la utilización de materiales más finos en la carcasa de un neumático con mayor cantidad de hilos por pulgada (TPI) generalmente se traduce en una menor resistencia a la rodadura debido a su mayor flexibilidad y menores pérdidas internas.
- los materiales empleados para aumentar la resistencia a las pinchaduras pueden aumentar la resistencia a la rodadura debido a la menor flexibilidad y mayores pérdidas internas.
- una cámara fabricada con materiales más flexibles (como el látex) tiene menos resistencia que otra fabricada con materiales con menos flexibles (como el butil) debido a sus menores pérdidas internas.
En próximos artículos de esta serie analizaremos los aspectos cuantitativos de la resistencia a la rodadura en base a resultados obtenidos de pruebas de laboratorio (segunda parte) y de campo (tercera parte).
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