Movimiento de la Bicicleta en el Aire

Cuando una bicicleta se mueve, lo hace en medio de un fluido: el aire. Debido a las propiedades del aire y del objeto en movimiento, en este caso la bicicleta y el ciclista, aparecen fuerzas que se oponen al movimiento, que se hacen muy significativas cuando la velocidad de la bicicleta aumenta. Los principales fenómenos que se observan en el movimiento son la fuerza de arrastre y la separación. Además, aparecen otros fenómenos secundarios que también se ven afectados por la aerodinámica de la bicicleta.

1. La fuerza de arrastre:

Esta fuerza puede ser dividida en dos: el arrastre de presión y el arrastre por fricción. El arrastre de presión es la fuerza que se genera por la diferencia de presiones entre la parte delantera y la trasera de la bicicleta, siendo la presión delantera producida por el choque del aire con el área frontal del sistema bicicleta-ciclista. Por lo tanto, a mayor área frontal, mayor será esta fuerza. Además, esta fuerza se origina cuando el aire pasa entre la bicicleta y entre el ciclista, formando estelas que dificultan el movimiento.

El arrastre por fricción se produce debido a la viscosidad del aire, que pese a ser pequeña, para velocidades más altas es influyente. Así, se produce una fuerza de roce entre el aire y el sistema bicicleta-ciclista.

Teóricamente, se tiene que la fuerza de arrastre es:


El coeficiente de arrastre está estrechamente relacionado con la viscosidad del aire y con el tipo de superficie. A mayor coeficiente, mayor es la fuerza de arrastre. Por lo tanto, queremos reducir este coeficiente, buscando una forma aerodinámica, tal que el efecto de la fuerza de arrastre se minimize. También vemos que el arrastre es proporcional al área, así que también deberemos tener cuidado con no aumentar el área en mayor proporción de lo que se reduce el coeficiente, porque de lo contrario el arrastre aumentaría.

En la figura 1.1 podemos ver la superficie sobre la cual el aire choca.

En las figuras 1.2 y 1.3 se puede ver como el aire choca en el sistema bicicleta-ciclista y como se forman los vacíos y turbulencias que provocan diferencias de presión. Todo esto se traduce al final como fuerza de arrastre.



2. La separación:

En este fenómeno, que ocurre debido a la fuerza de arrastre, la rueda delantera de la bicicleta comienza a levantarse, es decir, a separarse del suelo, haciendo que la bicicleta pierda agarre y se torne muy peligrosa a velocidades más altas. Esto se explica al considerar la fuerza de arrastre como una resultante aplicada en la parte frontal de la bicicleta a una altura h, como se ve en la figura 1.4, lo que produce un momento y levanta la punta de la bicicleta. Al disminuir la fuerza de arrastre, se disminuye este peligroso fenómeno.


3. Otros:

Otro fenómeno que podemos ver es la acción de vientos laterales, lo que hace que si la bicicleta es muy larga, se hace muy inestable, algo que deberemos considerar para nuestro proyecto.

Finalmente debemos decir que la ecuación para la fuerza de arrastre es teórica, con valores de coeficientes que son obtenidos de formas muy complicadas. Nosotros buscaremos formas para medir experimentalmente la fuerza de arrastre, utilizando los conocimientos que tenemos sobre ésta y algunas relaciones entre la presión y la velocidad (Bernoulli) y entre la velocidad y la sección transversal (Continuidad).