La batalla perdida del ciclismo

Muy pocas veces somos plenamente conscientes de que vivimos inmersos en un fluido llamado aire. Gracias a esta mezcla de gases, compuesta por un 78 % de nitrógeno y un 21 % de oxígeno, además de trazas de otros como dióxido de carbono, ozono, hidrógeno, argón, etc., podemos respirar. Sin embargo, cuando queremos movernos, ya sea caminando, corriendo, o a bordo de un automóvil, este mismo aire empieza a mostrar su presencia de forma más que evidente.

En efecto, considerad por un momento el caso de un ciclista que se desplaza por una carretera perfectamente recta y horizontal con una velocidad constante. Si tienes unas nociones básicas de física elemental, como la que se puede estudiar en el instituto, enseguida caes en la cuenta de que sobre el conjunto ciclista-bicicleta actúan cinco fuerzas claramente distintas. Dos de ellas en la dirección vertical: el peso del citado conjunto, dirigida hacia abajo (más o menos, en dirección al centro de la Tierra) y la reacción normal al mismo, dirigida en sentido contrario a la primera. Como la bicicleta no se desplaza en dirección vertical, ambas fuerzas se cancelan entre sí. Esto es una consecuencia directa de la primera ley de Newton.

Las otras tres fuerzas restantes actúan en la dirección horizontal. En primer lugar, el rozamiento con el aire, que como es lógico actúa en sentido contrario al movimiento; la segunda es la fricción entre los neumáticos y el asfalto de la carretera, también opuesta al movimiento; finalmente, nos encontramos con la fuerza imprimida por el ciclista y que hace avanzar la bicicleta. Esta última fuerza debe compensar exactamente la suma de las dos primeras si admitimos que la bicicleta se desplaza a velocidad constante.

Analicemos detenidamente la forma concreta de estas fuerzas de rozamiento. La primera, también denominada arrastre aerodinámico, es de sobras conocida, pues resulta ser dependiente de cuatro factores diferentes: primero, el denominado coeficiente de arrastre aerodinámico, un número que depende de la geometría particular del conjunto ciclista-bicicleta. No es lo mismo que el corredor sea un tipo redondito y gordinflón que un alfeñique escuchimizado, que lleve casco en forma de cabeza de "alien" o que tenga la desfachatez de no llevar casco y luzca un voluminoso peinado "afro"; segundo, el área transversal de la superficie que opone el conjunto ciclista-bicicleta al aire. No es lo mismo que el corredor adopte una posición recogida sobre el manillar que lo haga sentado bien derechito y a "pecho descubierto", enfrentando toda la superficie de su tórax y cabeza;  tercero, la densidad del aire; por último, la velocidad de la bicicleta (o más correctamente, el cuadrado de la velocidad). Cada vez que se duplica uno de los tres primeros factores también se duplica el arrastre aerodinámico, haciendo más costoso desde el punto de vista energético el desplazamiento de la bicicleta. En cambio, si se duplica la velocidad el arrastre se cuadruplica.

En lo que respecta a la otra fuerza de rozamiento, la de los neumáticos con el asfalto, también resulta muy conocida. Su valor numérico se obtiene sin más que multiplicar el peso ciclista-bicicleta por un factor denominado coeficiente de rozamiento por rodadura. Este parámetro se puede determinar mediante técnicas que no vienen a cuento aquí y ahora. Lo único reseñable es que su valor resulta ser extremadamente pequeño, del orden de 0.003 o inferior. Suponiendo que entre el corredor y su montura el peso ascienda a unos 77 kg, la potencia que debería suministrar el corredor al pedalear si quisiera vencer esta fricción con el asfalto y desarrollar una velocidad constante de 43 km/h (el promedio en una etapa en línea del Tour de Francia, por ejemplo) ascendería, aproximadamente, a 27 watts (vatios, para los aficionados a la traducción de nombres propios). Parece sencillo, ¿no es cierto?

Pero hagamos el mismo cálculo estimativo para hallar la potencia requerida si se pretende vencer la fricción con el aire. Los valores conocidos para el producto del coeficiente de arrastre aerodinámico y el área transversal de la superficie opuesta al aire, la densidad del aire y la velocidad de la bicicleta son, respectivamente, 0.3 m², 1.2 kg/m³ y 43 km/h. Se obtiene, entonces, una potencia de 311 watts. Comparad esta cifra con la obtenida en el párrafo anterior. ¿No es increíble? El corredor debe suministrar a la bicicleta 338 watts (311 + 27) para mantener una velocidad constante de 43 km/h. El 8 % de dicha potencia se consume en vencer la fricción con el asfalto y el restante ¡¡¡¡¡ 92 % !!!! en vencer la irresistible fricción con el aire, el terrible arrastre aerodinámico.

¿Te vas a volver a reír cuando veas una etapa contrarreloj del Tour de Francia y contemples el ajustado intramuscular del maillot, el estrambótico diseño del manillar, las llamativas llantas o el surrealista diseño del casco? Pues piensa que todo ello constituye una lucha deseperada contra el implacable enemigo de la fricción, una batalla perdida de antemano. Y es que muy pocas veces somos plenamente conscientes de que vivimos inmersos en un fluido llamado aire...

Fuente original:

Vassilios McInnes Spathopoulos, A physics heptathlon: simple models of seven sporting events Physics Education, Vol. 45(6), 594 (2010)