Discos y Tapas: Comportamiento Aerodinámico

Los discos o ruedas tapadas constituyen la opción más aerodinámica para la rueda trasera, su utilización en las etapas contrarreloj de ciclismo es mayoritaria y su empleo en el triathlon sin drafting está cada vez más difundido, al menos entre los profesionales; sin embargo su comportamiento con vientos cruzados suele ser motivo de controversia, lo que sumado a su elevado costo, limita su uso en el ámbito amateur. Los perfiles "abultados" y la utilización de "tapas" sobre ruedas de banda son variantes que analizaremos.
NB: artículo publicado el 22/9/10 ver nueva sección.

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En un artículo anterior (Prueba Aerodinámica de Ruedas)  en el que comentamos el comportamiento aerodinámico de las ruedas no se incluyeron discos dado que el análisis estaba enfocado en las ruedas delanteras y, excepto en pistas cubiertas, su uso como rueda delantera no suele estar permitido.

Por otro lado es un hecho conocido y documentado en la bibliografía, al menos desde la década del '90, que las ruedas tapadas o discos constituyen la opción más aerodinámica que podemos utilizar como rueda trasera (ver el capítulo de Jim Martin y John Cobb, Bycicle Frame, Wheels and TiresHigh Performance en el libro High Performance Cycling editado por Asker Jeukendrup, por ejemplo).

Cuando se combina un disco con una rueda delantera de banda o de palos se puede lograr una reducción considerable en la resistencia aerodinámica, esta reducción se traduce en mejoras en el rango de 1' a 1'30" en una contrarreloj llana de 40km dependiendo del nivel del ciclista  y de su resistencia aerodinámica total:

• a menor velocidad promedio la reducción absoluta es mayor debido a la mayor duración de la prueba
• cuanto menor sea la resistencia aerodinámica total -por ej. por una mejor posición- mayor es la reducción dado que la participación de las ruedas representa una proporción mayor

Para un análisis mas detallado de estas afirmaciones ver Potencia y Aerodinámica en el Ciclismo.

Comportamiento con vientos cruzados

En líneas generales el comportamiento aerodinámico de los discos mejora con los vientos cruzados, en términos relativos diferencia en comparación con otros tipos de ruedas aumenta a medida que aumenta el ángulo incidencia e incluso en términos absolutos también tiende a disminuir llegando en algunos casos a volverse levemente negativa, es decir que la rueda en este punto hace un efecto "vela" y contribuye a la propulsión de la bicicleta en lugar de retardar su movimiento.

En consecuencia los discos son más ventajosos justamente cuando hay vientos cruzados.

Un aspecto que suele generar confusión es la contribución de los discos a la (in)estabilidad de la bicicleta. Para entender como se comportan hay que tener en cuenta que la bicicleta es más estable en la medida que su "centro de presión" esté retrasado y viceversa.

Un disco agrega superficie en la parte trasera de la bicicleta, de hecho es la rueda que más superficie agrega al estar totalmente cubierta, y por lo tanto contribuye a retrasar la ubicación del centro de presión y a estabilizar la bicicleta. Son las ruedas delanteras con mayor superficie las que contribuyen a la inestabilidad y cuanto mayor banda tenga la rueda delantera más conveniente es la utilización de un disco como rueda trasera para contrarrestar este efecto.

Supongo que muchos se preguntarán por qué, si los discos funcionan mejor con vientos cruzados y tienden a estabilizar la bicicleta, están prohibidos en competencias como el Ironman de Hawaii o Cozumel que se caracterizan por la posible ocurrencia de fuertes vientos. El problema es que en caso de ráfagas de viento muy fuerte el aumento total del área lateral especialmente en el caso de ciclistas livianos puede provocar que directamente la bici "se vuele", si bien la probabilidad de ocurrencia es baja los organizadores prefieren evitar el posible riesgo directamente no permitiendo su uso. Lo que hay que tener en cuenta en este caso es que, además de no usar el disco, es conveniente reducir el área de la rueda delantera por el fenómeno comentado en el punto anterior.

Distintos perfiles de disco

Tradicionalmente existían dos tipos de discos, los planos o de caras paralelas como el Zipp 900 o el PRO Disc de la foto siguiente y los lenticulares como el FFWD que se muestra a continuación:

pero hace unos pocos años se descubrió que un perfil mixto "aglobado" más cerca de la llanta podría reducir aún más la resistencia aerodinámica, el Sub-9 de Zipp y el Stinger Disc de Hed que se muestra a continuación son dos ejemplos de esta tendencia:

Un beneficio adicional de este tipo de discos es que no son tan rígidos en sentido vertical como los discos planos tradicionales y tienen un mejor confort de marcha, un aspecto interesante en pruebas de larga distancia, especialmente si el asfalto es rugoso.

En el caso de Zipp tenemos una tercer alternativa, el llamado Super-9, con un perfil plano pero de mayor grosor que logra un comportamiento aerodinámico similar presentando una gran rigidez lateral, un aspecto que es importante para las elevadas potencias que desarrollan los contrarrelojistas profesionales:

Pruebas en tunel de Viento

La revista a alemana Triathlon en un número especial publicado en abril de 2010 presentó una prueba aerodinámica de ruedas realizado en tunel de viento (ver foto inicial) con una bici completa (Giant Trinity Advanced) en la que montaron un maniquí con piernas móviles simulando el pedaleo, esta configuración permite contemplar las interferencias que puedan ocurrir con el movimiento de las piernas con ventaja del maniquí de permitir la reproducción más precisa de la posición entre una prueba y otra, además de su mayor tolerancia a la fatiga, por supuesto!
La resistencia aerodinámica se midió a 50km/h con ángulos de incidencia desde 0 hasta 15 grados en pasos de 2,5 grados.

El informe es muy amplio y cubre una cantidad importante de pares de ruedas pero a los efectos de esta nota vamos a considerar los casos en que se utiliza una Hed Stinger 9 delantera y la rueda trasera varía entre una Stinger 9, que usaremos como referencia por se una de las opciones más aerodinámicas sin llegar a ser un disco, y cuatro discos: los nuevos diseños ya mencionados Hed Stinger Disc y Zipp Super 9 sumados los diseños más tradicionales de Pro y FFWD:

En el gráfico puede apreciarse que el disco convencional plano (Pro Disc) es solo ligeramente mejor que la Hed Stinger 9 mientras que el FFWD de diseño lenticular es algo inferior hasta llegar a los 15grados donde los valore se igualan y a partir de ahí seguramente son mejores.
Esto muestra la evolución en el diseño de las ruedas de banda como la nueva Stinger 9 y es algo que probablemente también ocurra con la nueva 808 Firecrest.
En comparación los discos de diseño más avanzado presentan una reducción de la resistencia aerodinámica en todo el rango de ángulos de incidencia con una mejora mayor a medida que aumenta el ángulo de incidencia, especialmente en el caso del diseño "aglobado" (Stinger Disc/Zipp Sub 9).

Para estimar la diferencia de tiempo que se podría obtener es necesario conocer la distribución del ángulo de incidencia del viento, esta depende no solo de las características del circuito, posibles obstáculos y vientos predominantes (dirección e intensidad) sino también de la velocidad del ciclista dado que el ángulo de incidencia resulta de la composición del viento real con el generado por el avance, a modo de ejemplo asumimos una distribución de Gauss con media 10 grados y desviación estándar 5 grados y con ella obtenemos las siguientes diferencias respecto a la Hed Stinger 9 trasera:

FFWD Disc - 3watts a 50km/h - 11 seg en 40km (peor)
Pro Disc - 1 watt a 50km/h - 3 seg en 40km (mejor)
Zipp Super 9 - 5 watts a 50km/h - 18 seg en 40km (mejor)
Hed Stinger Disc - 6 watts a 50km/h - 22 seg en 40km (mejor)

Hasta hace algunos años se creía que todos los discos eran básicamente iguales desde el punto de vista aerodinámicos y superiores a las ruedas de banda, aparentemente esa situación está cambiando con los nuevos diseños.

Disc Cover o Tapas

Las "tapas" para convertir una rueda convencional de rayos en un disco existen desde hace mucho tiempo, cuando se utilizan sobre una rueda de bajo perfil se obtiene un diseño cónico similar al lenticular convencional y existen pruebas en tunel de viento que muestran que -si se instalan correctamente no dejando espacio entre la tapa y la llanta- se comportan de manera equivalente a discos reales a una fracción del costo.

Algo interesante ocurre cuando se instala estas tapas sobre una rueda de banda, el diseño resultante tiene similitudes con los nuevos discos "aglobados":

Probablemente sería mas correcto decirlo al revés: el descubrimiento, en condiciones reales y con medidor de potencia, que una Zipp 808 con tapa funcionaba mejor que un disco Zipp 900 es bastante anterior a la existencia de los Zipp Sub 9 y Hed Stinger Disc!

La ventaja en este caso pasa por la flexibilidad de contar con una rueda de banda que se convierte en un disco en cuestión de minutos y la posibilidad de utilizar una maza con medición de potencia (PowerTap).

Mas información: http://www.wheelbuilder.com/store/aero-disc-covers.html

Tapas en el Tunel de Viento (nueva sección)

Recientemente se publicaron datos comparativos que confirman lo que especulábamos respecto al comportamiento aerodinámico de las tapas, las pruebas realizadas en el Túnel de Viento de Baja Velocidad de San Diego incluyeron las siguientes ruedas:

1. Llanta de aluminio de 30mm (DT Swiss RR 585) sin tapas
2. Zipp 404 tubular sin tapas
3. Zipp 900 tubular, disco plano
4. Zipp Sub-9 tubular, disco con perfil toroidal 
5. Zipp 808 tubular con Tapas
6. Llanta de aluminio de 30mm (DT Swiss RR 585) con tapas

Para tener en cuenta el perfil asimétrico que presentan las tapas las pruebas fueron realizadas en ambas direcciones (con el viento incidiendo del lado de la transmisión y del lado contrario) y se promediaron, el siguiente gráfico resume los resultados obtenidos:

Las observaciones más relevantes:

• Las ruedas con las tapas tienen una resistencia aerodinámica sustancialmente menor que sin las tapas
• Las ruedas con las tapas tienen un comportamiento aerodinámico similar al de los discos en todos los ángulos de incidencia
• Una Zipp 808 con tapas se comporta mejor que un disco plano (Zipp 900) en todos los ángulos de incidencia
• Una Zipp 808 con tapas se comporta mejor que un disco de última generación (Zipp Sub-9) a partir de los 10grados
• Una rueda de entrenamiento con tapas es ligeramente inferior a un disco plano hasta los 7,5grados, se comporta de manera similar a partir de ahí y mejor que ambos discos a partir de los 12,5grados
• El perfil lenticular de las tapas en una rueda de entrenamiento presenta resistencia negativa (empuje) alrededor de los 20grados.

Fuente: Aerojacket Disc Cover Aerodynamic Testing

Conclusiones

Resumiendo podríamos decir que para el triathlon sin drafting la utilización de un disco como rueda trasera es altamente recomendable en la mayoría de los circuitos por su ventaja aerodinámica y por contribuir a la estabilización de la bicicleta cuando se utilizan ruedas delanteras de banda o palos, la excepción son aquellos pocos casos en los que está prohibido.
Si bien no lo analizamos en detalle en esta nota, la penalización por el incremento de peso de este tipo de ruedas es mínima, la excepción serían circuitos que tengan un fuerte desnivel positivo de los que hay pocos.
En el caso del triathlon de larga distancia la reducción de la resistencia aerodinámica sumada al mayor confort  debido a su mayor tolerancia vertical serían ventajas decisivas a favor de los discos de perfil aglobado tipo Hed Stinger Disc o Zipp Sub 9.
La utilización de tapas, especialmente cuando se las instala sobre ruedas de banda pero también sobre ruedas de entrenamiento, es una solución eficiente y económica.