Radios, bujes, llantas, frenos y pares de fuerzas

Radios en ruedas con frenos de disco y frenos de llanta

Existe una diferencia visual inmediata entre las ruedas de bicicleta de carretera que usan freno de disco y las que usan freno de llanta y no está solamente en las zapatas o en los discos, ¿sabrías diferenciar cuál de estos pares de ruedas (igual marca y modelo) corresponde a freno de disco y cual a freno de llanta?

La diferencia es evidente y está en la distribución de los radios de la rueda delantera.

Tradicionalmente los radios de la rueda trasera han sido colocados con un cruzado diferente al de la rueda delantera. En muchos casos los radios de las ruedas delanteras tenían una disposición exactamente “radial”, es decir iban desde el centro de la rueda (el buje) hacia el exterior y llegaban perpendicularmente a la llanta.

Esfuerzos mecánicos sobre las ruedas

El motivo de esto es que los esfuerzos mecánicos a los que está sometida la rueda trasera y la delantera son diferentes, especialmente los esfuerzos de la transmisión. Concretamente la rueda trasera debe transmitir al suelo el par de giro (momento) de la fuerza de la cadena sobre los piñones que a su vez se transmite al buje y desde el buje a la llanta y neumático a través de los radios. De modo que los radios son los “pilares” que transmiten el giro desde el eje de la rueda hasta el suelo.

Como el terreno opone resistencia al avance y rotación de la rueda, se generan esfuerzos mecánicos sobre los radios.

Esfuerzos mecánicos sobre los radios de las ruedas

Los principales esfuerzos a los que se ve sometido un radio serán de compresión-tracción y de flexión pero ¿cómo afectan estos al comportamiento mecánico de los radios?. Los esfuerzos de compresión/tracción actúan en la misma dirección que el eje principal del radio y tenderán a acortarlo (compresión) o alargarlo (tracción). Los esfuerzos de flexión son resultado de fuerzas que actúan perpendicularmente al eje principal y tenderán a doblarlo, por lo que son los que tendrán mayor efecto en que el radio se curve. Debemos considerar que los extremos no sean libres pues en este caso producirán movimientos de rotación y/o traslación. Podemos imaginar que el radio está “momentaneamente” fijado en el punto de contacto con el suelo e imaginarlo como una varilla fijada en ese extremo. El eje-buje de la rueda está aplicando una fuerza sobre ese radio en sentido contrario.

Si pensamos en cuánta fuerza es necesaria para deformar una varilla de cualquier metal, seguramente concluiremos que casi siempre será más fácil romper un lápiz sujetándolo por los extremos y doblándolo que apoyándolo sobre la mesa y presionandolo en uno de los extremos.

Veamos se ven afectados los radios por estas fuerzas según sea su disposición.

Un radio que en el punto de contacto sea perpendicular al suelo, se verá sometido a fuerzas de sentido opuesto en cada uno de sus extremos que provocarán esfuerzos casi exclusivamente de flexión, que son aquellos que tienen mayor efecto en que el radio se curve. En el caso de un radio “cruzado”, en el momento de contacto con el suelo la fuerza que aplica el buje tiene una componente de flexión y otra axial de compresión con lo que parte de esa fuerza total será absorbida por el material. Las fuerzas de compresión tienen un efecto de arqueo sobre una varilla mucho menos relevantes.

Otra de las fuerzas que actúan sobre estos mismos planos de una rueda son las fuerzas de frenada y no olvidemos que la frenada efectiva se produce en el punto de contacto del neumático de la rueda con el suelo. En el caso de un freno de llanta la fuerza aplicada para detener la rueda se aplica sobre la llanta y ésta la transmite al neumático, situado muy cerca, por lo que es la llanta la que soporta casi todos los esfuerzos con muy poca repercusión sobre los radios. Sin embargo, en el caso de los frenos de disco la fuerza de frenada se aplica sobre un disco solidario con el buje, con lo que esta fuerza debe ser transmitida a la llanta y al neumático, siendo los radios esos elementos de transmisión de fuerzas. Este es uno de los motivos de que actualmente las ruedas delanteras de las bicicletas de carretera que montan frenos de disco hayan abandonado la disposición radial y adoptado también la disposición de radios cruzados tradicional de las ruedas traseras.

¿Podría ser este el verdadero motivo de la rotura de radios de la rueda con frenos de disco de Wilco Kelderman en el Giro de Italia de 2022, cuando perdió casi 11 minutos en los descensos?. Algunos lo achacaron al "calentón" de los radios por el freno de disco, aunque parece dificil que tanta cantidad de calor pueda transmitirse desde el disco al radio y que esta llegue a destruirlo. Quizás aquellos radios simplemente no soportaron los intensos y repetidos esfuerzos de flexión de las fuertes y largas frenadas del descenso.