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domingo, 26 de mayo de 2019

¿Corre más una bici o una handbike?¿siempre es igual?

A la bici le damos más potencia pero la handbike es más aerodinámica

Bicis y handbikes se mueven de formas muy diferentes. Como ya sabrás, las handbikes son las bicis de tres ruedas que usa la gente que no puede pedalear con las piernas. Dan pedales con las dos manos a la vez en un pedalier que sirve también de manillar. En una bici, al pedalear con las piernas, disponemos de más fuerza, pero la aerodinámica es peor y a velocidades altas se nota mucho.

Mila López Vernet en el Campeonato Gallego CRI As Pontes 2019

Hace un tiempo, en la Maratón de Madrid, me picó la curiosidad de qué vehículo corría más y proponía contároslo en otro artículo. Aquí lo tenéis. Con algunas gráficas y fórmulas, pero sobre todo con resultados claros que igual os sorprenden a alguno.

Para ver cuánto corre cada una, obtendremos la potencia con la que empujamos, las potencias de rozamiento mecánico y aerodinámico y habrá que contar con la pendiente que tengamos. Veremos que la pendiente es fundamental en el resultado.

Como alguno de los números que he puesto puede ser discutible y para facilitar que podáis poner los vuestros, os dejo AQUÍ el excel que he preparado.

Potencia disponible

Aunque la gente con los brazos bien entrenados tiene mucha fuerza, lo normal es que quien puede usar ambas piernas tenga en ellas más fuerza. Así en general, las piernas suelen tener entre dos y tres veces más fuerza que los brazos.

Si mides el perímetro del brazo y el de la pierna, puedes obtener una cierta aproximación de la sección de músculo. Para ello, eleva al cuadrado las dos medidas y divide un resultado por otro. Te puedes hacer a la idea de la relación entre la fuerza de brazos y de piernas.
En mi caso, perímetro pierna^2 / perímetro brazo^2 = 2,5   Aparte de esto, también está claro que el fémur es más largo que el húmero…

Una forma algo más precisa de medirlo es en un gimnasio, usando una bici estática y una de dar pedales con las manos con medidas de potencia. Se trataría de medir una potencia media que puedas mantener durante un cierto tiempo (1h?) y con un nivel de cansancio parecido. Visto lo que sale, me parece razonable considerar como referencia 80W para los brazos y 200W para las piernas. Un ciclista profesional puede dar con las piernas unos 7w/kg en una hora, es decir, típicamente más del doble que un aficionado para el que doy la referencia.

Rozamiento mecánico

La fuerza de rozamiento es la que tenemos que vencer para que las ruedas giren sobre el suelo (resistencia de rodadura) y para que el movimiento de los pedales llegue hasta el suelo. Hay una web estupenda donde han medido el rozamiento de diferentes neumáticos en condiciones controladas de presión, peso y velocidad. Como orientación, a 30 km/h, unos neumáticos de carretera pueden suponer unos 15W de pérdidas, unos de montaña el doble y unos de fat bike, otra vez el doble.

En cuanto a la transmisión y la cadena, también suponen una pequeña pérdida de la potencia del ciclista. En las handbike de carreras, la transmisión es como en las bicis. Directa del plato a los piñones con su desviador. Sin embargo, en el caso de handbikes con tracción trasera el tema es más complicado. En este caso, la cadena tiene que hacer dos cambios de dirección y eso supone poleas con pérdidas adicionales. Esta tracción trasera se puede complementar con cambio interno y diferencial, que es una solución muy de lujo pero que añade peso y más pérdidas mecánicas. En la foto puedes ver el amortiguador trasero, el cambio Rohloff interno y la cadena secundaria de una Hase, un pedazo de handbike muy rara de ver por ahí.



Aparte, las cadenas largas a veces se protegen con tubos y eso son más pérdidas aún.

El rozamiento mecánico es una fuerza y como vamos a comparar potencias, las fuerzas ejercidas a una velocidad determinada (fuerza x velocidad) suponen una potencia. Por simplicidad, supondremos que la potencia disponible que hace el ciclista se considera en la rueda y que las pérdidas mecánicas serán el 3% de la potencia de pedaladas, tanto para bicis como para handbikes.

Rozamiento aerodinámico

Para mover un objeto a través del aire es necesario ejercer una fuerza, mayor cuanta mayor velocidad pero también, cuanta más velocidad, mayor cantidad de aire nos encontramos, por lo que la fuerza necesaria dependerá de la velocidad al cuadrado. No suena muy científico pero es razonable y es lo que pone la fórmula, que podéis encontrar en el excel, en wikipedia y a continuación de la siguiente foto.

La densidad del aire es de 1,3 kg/m^3

La fuerza de rozamiento aerodinámico también depende de la superficie con la que el objeto empuje el aire, lo que sería la sombra (la proyección) en un plano frontal. Para una bici podemos considerar alrededor de 0,9 m^2 y para una handbike la mitad. También existe un coeficiente aerodinámico (Cd) que nos dice cuánto es la fuerza ejercida para mover ese objeto comparada con la que sería necesaria para mover un cubo con esa misma superficie. Aquí lo he dejado en 0,45 para la bici y 0,4 para la handbike.



La fuerza de rozamiento aerodinámico es = ½ x Cd x densidad aire x superficie x velocidad^2

Y como vimos antes, potencia por rozamiento aerodinámico=  fuerza de rozamiento aerodinámico x velocidad

Efecto de la pendiente

Como bien sabemos, la pendiente supone un gasto de energía para subir y una devolución de energía al bajar. Lo que igual no tenemos tan claro es que, a un ritmo razonable (de tal forma que despreciemos la diferencia en aerodinámica y rozamiento), se consume la misma energía para subir un desnivel de 100 metros en 1 km que en 3km.

La energía es el peso por la altura. Esto se puede poner también en términos de potencia, considerando que la potencia es el peso por la velocidad vertical. Es decir, la potencia que nos estará aportando una cuesta abajo, o la potencia que tenemos que aportar para superar una cuesta arriba, será el producto del peso por esa componente vertical de la velocidad. El peso es siempre mayor en una handbike que en una bici de gama equivalente (casi el doble), por ser más grande. Para obtener la componente vertical de la velocidad, se multiplica esta por el seno del ángulo entre la pendiente y la horizontal.

Ya sabéis que un pendiente del 10% es que en 100 metros en horizontal, se sube un desnivel de 10 metros y esto es más o menos el límite legal de las rampas accesibles. El ángulo (en radianes) es el arcotangente de la pendiente /100.

El efecto importante es que:
Potencia por pendiente = masa x gravedad x velocidad x seno (ángulo)

Este efecto es el que hace que llaneando, las handbikes vayan más o menos bien, subiendo cuestas les cueste un montón por tener menos potencia y bajando noten muchísimo la potencia que se les suma por la pendiente. Añadido a que su rozamiento aerodinámico es del orden de la mitad de una bici, el resultado es que, en cuanto tienen ocasión se embalan muchísimo. Por eso sus desarrollos no son exactamente como los de una bici de carreras, sino más bien como una bici de montaña, incluyendo marchas muy cortas y marchas muy largas. Y ojo con las curvas, que ya sabemos que aunque las handbikes sean bajas, pueden volcar.

Aquí Angela ha optado por una handbike de montaña, que tiene la dificultad de una potencia justita y rozamientos mecánicos siempre altos, o sea que no llega a las velocidades a las que pueda aprovechar la aerodinámica. En lugar de eso, tiene a su equipo para el reto de pedaladas por el Tourette, que también funciona. Ánimo!.


Puesto en forma de gráfica, en el excel están las potencias de rozamiento mecánico y aerodinámico sumadas, en azul para la bici y en naranja para la handbike y se cortan con las rectas de potencia disponible por pedales y por desnivel. También azul para la bici y naranja para la handbike. Donde se cortan las curvas de potencias de rozamiento y las de potencias disponibles, es la velocidad resultante.
Los pesos que he puesto son de 90 kilos para ciclista + bici y de 100 kilos ciclista + handbike. Las superficies son de 0,89 m^2 para la bici y 0,4 para la handbike y las potencias son de 200 W para la bici y 80 W para la handbike. Evidentemente no son números exactos, pero sí son razonables y dan un resultado que sirve muy bien como referencia. Y si quieres poner otros números, aquí tienes el excel.

Esta es la gráfica para pendiente 0%, en horizontal.
Con esos valores, tanto la bici como la handbike corren a 30 km/h

En cuanto hay que subir algo de pendiente, la velocidad de la handbike baja muchísimo, pero prefiero poner esta otra gráfica.

Con solo un 1% de bajada, la handbike saca sus garras y empieza a embalarse:


Dando un repaso a diferentes pendientes (usando el solver de excel ) la velocidad de handbike y bici son las siguientes.


Esto es aportando siempre las potencias de 80 y 200 W. En realidad eso no sería posible ya que a velocidad muy alta no podremos hacer la misma fuerza sobre los pedales aunque nos desgastemos a lo loco. Pero si te fijas en el excel, verás que tampoco importa ya que a velocidad alta bajando pendiente, la potencia que aporta la pendiente es muchísimo mayor que nuestra potencia muscular. También queda claro que si, por ejemplo, vas bajando la bola del mundo, tienes que llevar buenos frenos y usarlos mucho o saldrás volando

Como veis, el tema de la velocidad no depende solo de la potencia de pedalada sino también de la fuerza del aire y más aún de las pendientes.
- Pero, ¿qué sucede si se combinan subidas y bajadas con diferente longitud?
- Bueno, igual hablamos de ello otro día. Dudas correcciones o lo que sea, en comentarios.
Pasadlo bien

Quino!, gracias por las ideas y la revisión

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