Física del ciclismo: Fuerzas. Nociones básicas

Fecha: 09/12/2023 Autor: Antonio H.

Fuerzas sobre el ciclista y la bicicleta. Nociones básicas

Cuando circulamos en bicicleta, diversas fuerzas actúan sobre nosotros. Si nos centramos en el avance, las más significativas para alcanzar y mantener una cierta velocidad, son las siguientes.

• Resistencia del aire o resistencia aerodinámica

• Resistencia a la rodadura (rozamiento de las ruedas sobre el suelo)

• Fuerza de atracción de la gravedad (debida al peso del conjunto bicicleta-ciclista)

• Fuerza de aceleración (solo cuando hay cambio de velocidad, no existe a velocidad constante)

• Fuerzas marginales: Fricción de la cadena, engranajes y cojinetes, pérdidas por flexión cuadro…

Estas serían las cinco fuerzas principales que hay que superar para alcanzar y mantener una cierta velocidad. Las fuerzas marginales no las vamos a considerar en lo que sigue, pero se minimizan con un correcto mantenimiento y engrase. El estado final del movimiento dependerá de la diferencia que exista entre las fuerzas en el sentido del desplazamiento y las fuerzas en el sentido contrario al desplazamiento.

Fuerzas sobre el ciclista rodando en llano

Las dos fuerzas de resistencia más importantes que debe vencer un ciclista rodando en llano son la de resistencia a la rodadura y la de resistencia aerodinámica. Ciclista en llano

La resistencia a la rodadura resulta del rozamiento de las de ruedas con el terreno y vendrá determinada por las características de los neumáticos y del terreno.

La resistencia aerodinámica es la que ofrece el aire oponiéndose al movimiento. Vendrá determinada principalmente por nuestra velocidad, la velocidad del viento y el ángulo entre la dirección del viento y nuestro sentido de avance. También será determinante el área frontal que ocupamos nosotros y nuestra bicicleta.

Cuando estudiemos las fórmulas que permiten el cálculo, veremos que la fuerza de resistencia del aire es directamente proporcional al área frontal del conjunto bicicleta-ciclista, es decir aumenta linealmente con el área frontal. Sin embargo, la relación con la velocidad relativa al viento es exponencial, ya que es proporcional al cuadrado de la esta velocidad. Esto significa que conforme aumente la velocidad, la fuerza necesaria para vencer la resistencia del viento aumentará exponencialmente.

Por ejemplo: si rodamos en llano, sin viento y a una velocidad de 15 km/h, la fuerza que apliquemos se destinará aproximadamente por igual a vencer la resistencia a la rodadura y la resistencia aerodinámica. Si duplicamos la velocidad hasta los 30 km/h, el 75% de la fuerza ejercida se destinará a vencer la resistencia aerodinámica y solo una cuarta parte a vencer la resistencia a la rodadura. Si incrementamos la velocidad en 10 km/h más, llegando a los 40 km/h, el porcentaje de fuerza destinada a vencer la resistencia aerodinámica llegará hasta el 90% (Di prampero et al., 2000; Debraux, Grappe, Manolova, & Bertucci, 2011).

Podemos concluir que el aire es el mayor obstáculo que encontraremos circulando en tramos llanos y será mayor cuanto mayor sea nuestra velocidad y la velocidad y dirección del viento, de ahí la importancia de adoptar medidas que mejoren nuestra aerodinámica.

La fuerza de la gravedad, determinada por el peso del conjunto ciclista-bicicleta, actuará siempre dirigiéndose al centro de la tierra, por lo que, en este caso, será perpendicular a nuestro desplazamiento y no afectará sensiblemente al movimiento, excepto en los instantes en que se acelere o se reduzca la velocidad (2ª ley de Newton).

Por último, la fuerza de aceleración será aquella que debemos ejercer para aumentar nuestra velocidad. Esta fuerza, necesaria para acelerar, será mayor cuanto mayor sea la masa del conjunto bicicleta-ciclista, pero una vez nos movamos a una velocidad constante (1ª ley de Newton), las únicas fuerzas a vencer serán la de la resistencia a la rodadura y la de resistencia aerodinámica.

Fuerzas sobre ciclista ascendiendo

Cuando pedaleamos en ascenso, la resistencia aerodinámica va perdiendo importancia a favor de la fuerza de la gravedad que vendrá determinada por el peso del conjunto ciclista-bicicleta.

Ciclista en ascenso

Pero no todo nuestro peso se opondrá al avance. Para verlo con mayor claridad, podemos establecer un sistema de coordenadas que tenga el eje “x” paralelo al suelo y el eje “y” perpendicular. El peso total apuntará hacia el centro de la tierra, pero podemos descomponerlo en dos componentes según cada uno de los ejes de coordenadas establecidos. Así obtendremos una componente sobre el eje “y”, “Peso y” (perpendicular al suelo) y otra sobre el eje “x”, “Peso x” (paralelo al suelo). Esta última componente paralela al suelo es la parte de nuestro peso que realmente se opone a nuestro movimiento de ascenso.

Fuerzas sobre ciclista descendiendo

En el caso de los descensos, la componente “Peso x” apuntará en la dirección del movimiento con lo que se sumará a la que ejercemos al pedalear facilitando el avance. Cuánto más pronunciada sea la pendiente del descenso, mayor será el valor de “Peso x”. Podremos dejar de pedalear cuando esta fuerza supere el valor de la suma de las fuerzas opuestas al sentido del movimiento.

Ciclista descendiendo

En próximos artículos ampliaremos y profundizaremos en todos estos conceptos.

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