La Madone ha estado buscando la velocidad desde su creación. Sin embargo, a medida que las bicicletas y las competiciones ciclistas van siendo cada vez más rápidas, se requiere una tecnología de mayor calidad para mantenerse a la cabeza del pelotón.

Desde el lanzamiento de la primera Madone en 2003, la velocidad media de los ciclistas profesionales que compiten en las Clásicas de primavera ha aumentado en aproximadamente 1,5 km/h. Esto significa que un ciclista de hace veinte años tendría que aumentar su potencia en más de 35 vatios para competir a la velocidad actual, suponiendo que su bicicleta no hubiese evolucionado para ayudarle a ser más rápido. A estas velocidades, la resistencia aerodinámica es responsable de casi el 90% de la potencia de resistencia, por lo que mejorar la aerodinámica es fundamental para todo aquel que desee ganar carreras.

La nueva Madone es la evolución natural de lo que puede ser una bicicleta de competición. Sigue leyendo para entender la aerodinámica que hay detrás de nuestra bicicleta de competición para carretera más rápida de la historia.

IsoFlow, presión total y resistencia aerodinámica del cuadro

El cambio más evidente en la nueva Madone es la novedosa tecnología IsoFlow que mejora la aerodinámica, el peso y el confort del ciclista. ¿Cómo consigue reducir la resistencia aerodinámica?

El IsoFlow se diseñó identificando primero las zonas de mayor resistencia en la sexta generación de la Madone y estudiando el flujo de aire en dichas zonas. En las primeras fases del diseño lo hicimos usando un software de simulación del flujo de aire denominado dinámica de fluidos computacional (CFD, por sus siglas en inglés).

Normalmente no centramos nuestra atención en modelar los componentes más pequeños como los portabidones y los radios en este punto del proceso de diseño. En su lugar, nos enfocamos en incrementar la velocidad de simulación para hacer más repeticiones con más diseños. El resultado es una simulación que modela con relativa precisión el movimiento del flujo de aire y que, utilizando nuestros superordenadores, se puede resolver en cuestión de horas y no de días. Lo único que nunca omitimos es al ciclista (aunque a veces lo ocultamos para la visualización), a quien incluimos en la CFD, ya sea dinámicamente pedaleando o modelando varias posiciones de la pierna durante el ciclo del pedaleo. Simulamos miles de condiciones y prototipos en la CFD para estudiar rápidamente más diseños de los que serían posibles en el túnel de viento o en las pruebas in situ.

A continuación, se muestra una ilustración de la etapa inicial de la CFD en relación a la generación anterior de la Madone en comparación con una bicicleta prototipo con tecnología IsoFlow. Aquí visualizamos las zonas de alta resistencia aerodinámica como «nubes», en las que el color rojo representa los puntos que generan mayor resistencia. En este caso, el ciclista queda oculto para que podamos ver con mayor facilidad cómo actúa el flujo de aire sobre el cuadro. Esta ilustración muestra claramente cómo las zonas de mayor resistencia quedan limpias al incluir el nuevo IsoFlow.

Si bien las nubes rojas son un indicador de resistencia, lo que realmente representan es la «presión total». Sin profundizar demasiado en los conceptos aerodinámicos, la presión total puede considerarse una medida de la energía que hay en el flujo de aire. Es importante evitar las zonas con presión total baja (o baja energía), dado que provocan resistencia. No sé si fuiste un buen estudiante de física en el cole, pero seguramente recuerdes el concepto de conservación de la energía. Aquí también se aplica: si no hay energía en el flujo de aire, tiene que proceder de alguna parte. Y, en este caso, ¡la energía procede de tus piernas!

En el nuevo diseño de la Madone SLR, el IsoFlow proporciona una trayectoria clara para el flujo de aire, lo que permite aumentar la energía del flujo de aire alrededor y a través del conjunto del tirante. Esto supone una mejora con respecto al diseño tradicional, en el que el aire debe comprimirse alrededor del tubo de sillín y los tirantes, lo que provoca que interaccione con las piernas en movimiento, generando, a su vez, resistencia.

El IsoFlow y la resistencia del ciclista

El IsoFlow no se limita solo a reducir la resistencia aerodinámica del cuadro. El aire que fluye rápidamente a través del IsoFlow permite aumentar la energía en la zona donde se genera el mayor nivel de resistencia: detrás y debajo del ciclista. Al pedalear, se forman vórtices que giran en sentido contrario cuando el aire trata de sortear todos los giros y vueltas para fluir alrededor de la espalda y las piernas. Este efecto está documentado en reputados estudios universitarios y también puede apreciarse a través de nuestra CFD. En la siguiente animación, los vórtices que giran en sentido contrario están coloreados en función de la magnitud y la dirección de la rotación para poder diferenciarlos.

La mayor parte de la resistencia del sistema bicicleta-ciclista procede del ciclista, y gran parte de la misma deriva de este mismo efecto. El IsoFlow ayuda a dirigir el aire hacia esta zona de baja presión y a reducir la resistencia que crea el ciclista. El efecto es limitado, pero cualquier cambio en el gran nivel de resistencia que genera un ciclista puede resultar, a menudo, más impactante que la reducción de la resistencia del cuadro. La animación que figura más abajo muestra de nuevo los vórtices del ciclista, aunque esta vez coloreados en función de la presión total y destacando las corrientes a través del IsoFlow que se desplazan en sentido ascendente para añadir energía a la estela del ciclista.

Los efectos del pedaleo y del «aire sucio» pueden estudiarse con mayor profundidad en el túnel de viento, ya que es donde llevamos nuestros prototipos una vez que la dinámica de fluidos computacional nos ha proporcionado los conceptos más prometedores. Los túneles de viento que utilizamos cuentan con la confianza de las principales empresas aeroespaciales por su diseño e investigación, su capacidad para medir cambios minúsculos en la fuerza de la resistencia y por disponer de un flujo de aire de calidad.

Siempre probamos la aerodinámica con el ciclista montado encima de la bicicleta, al igual que en la CFD. Al fin y al cabo, las bicicletas no se mueven solas. Y el ciclista tiene un impacto enorme en la calidad aerodinámica del cuadro. Sin embargo, la inclusión del ciclista supone un problema. A menudo, realizamos cambios milimétricos en las superficies con cada diseño, por lo que nuestros resultados en el túnel de viento deben ser muy repetibles para detectar las diferencias de resistencia entre los modelos. Ni siquiera los ciclistas profesionales más experimentados son capaces de repetir sus movimientos con la suficiente precisión como para que podamos aislar el efecto con un pequeño cambio de diseño. Entonces, ¿qué hacemos?

Aquí es donde entra en escena Manny, el maniquí que pedalea.

Manny combina las ventajas de realizar pruebas con un ciclista (incluyendo la aerodinámica realista y la posibilidad de estudiar los efectos de las turbulencias generadas por el cuerpo y por el pedaleo) y evita el inconveniente de utilizar a una persona que no siempre puede mantener una posición perfecta (y que, además, puede quejarse después de un largo día en el túnel de viento). Con Manny podemos estudiar los cambios de diseño con una repetitividad de aproximadamente ±1 vatio a 45 km/h. Seguimos realizando pruebas en el túnel de viento con ciclistas reales para verificar nuestros resultados y estudiar el impacto que tiene el equipamiento para determinados ciclistas del equipo Trek-Segafredo, pero no hay nadie como Manny.

Estos datos demuestran que las mejoras en la resistencia aerodinámica estimadas en la CFD se validaron en el túnel de viento. Con un único cambio en la bicicleta entre la generación anterior de la Madone y la séptima, la resistencia aerodinámica se reduce de forma espectacular cuando el ciclista se enfrenta, incluso, a vientos cruzados de baja intensidad. En este caso, el ciclista se encuentra exactamente en la misma posición si comparamos la bicicleta nueva con la generación anterior.

Sin embargo, si el ciclista utiliza el nuevo sistema de manillar/potencia de la Madone y mantiene el mismo tamaño de manillar que en las generaciones anteriores, las manetas del cambio se desplazan 3 cm hacia dentro. La posición aerodinámica resultante tiene una reducción adicional de la resistencia aerodinámica en casi todos los ángulos de incidencia del viento, especialmente en condiciones de viento cruzado de baja intensidad.

Si el ciclista quiere evitar una posición de los brazos más cerrada, puede escoger un tamaño mayor del sistema de manillar/potencia de su nueva Madone o utilizar otro manillar. Seguirá percibiendo las mejoras sin cambiar de posición.

¿Y esto qué significa para los ciclistas?

Hay una forma más sencilla de comparar bicicletas y consiste en hacer un promedio de la resistencia con diferentes ángulos de incidencia del viento para obtener una cifra para cada bicicleta. Sin embargo, el promedio obtenido no es representativo del mundo real, ya que el ángulo de incidencia del viento no es siempre el mismo durante el mismo periodo de tiempo. Debemos aplicar una media ponderada que tenga en cuenta la frecuencia de cada ángulo o condición de viento cruzado.

Para ello, calculamos el porcentaje teórico de tiempo que el ciclista pasa en cada uno de los ángulos de incidencia del viento, en distintos recorridos y condiciones de viento, utilizando la distribución del viento de Rayleigh que se aproxima a las condiciones de viento normales de la Tierra. Seguidamente, validamos todos estos cálculos con los datos que recopilamos en la vida real con un sensor de viento instalado en la bicicleta. Lo más habitual es el viento cruzado bajo o un ángulo bajo de incidencia del viento (0° es el más habitual). Un único trayecto no puede reproducir con total exactitud esta distribución del ángulo de incidencia del viento, pero cuanto mayor es la distancia recorrida, más se aproximará con el paso del tiempo.

Y, finalmente, para que los datos sean más significativos, la resistencia ponderada del ángulo de incidencia del viento se convierte en ahorro de energía y tiempo con la bicicleta nueva. La bicicleta y el cambio de posición suponen, por ejemplo, un ahorro de tiempo de 60 segundos por hora, con el mismo esfuerzo que hacía el ciclista con una Madone de la generación anterior.

La Madone se diseñó pensando en nuestro equipo de ciclistas profesionales, pero todos los ciclistas pueden beneficiarse de estas mejoras aerodinámicas. El ahorro de tiempo que experimenta el ciclista no depende tanto de la velocidad como se podría pensar, ya que cuando la velocidad es menor, el ciclista tiene más tiempo para aprovechar la ventaja aerodinámica.

Y para los ciclistas profesionales que necesitan pedalear siempre a más velocidad, la nueva Madone permite exprimir al máximo todas sus ventajas aerodinámicas. Teniendo en cuenta los resultados obtenidos en el túnel de viento, a la velocidad media a la que se compite en la actualidad, la nueva Madone SLR y su posición del manillar aerodinámico permiten que el ciclista incremente su velocidad en 0,7 km/h en comparación con la anterior Madone. Esto representa prácticamente la mitad del incremento total de la velocidad en carrera desde la Madone original del año 2003 y supone una auténtica evolución en aerodinámica.

Sobre el autor

John Davis es el responsable de aerodinámica de Trek Bicycle. Es licenciado en Ingeniería Mecánica y Aeroespacial por la Universidad de Princeton y posee un máster en Ingeniería Aeroespacial de la Georgia Tech.