A Madone tem sido sempre orientada para a velocidade desde o seu lançamento. Mas à medida que tanto as bicicletas como as competições de ciclismo se tornaram mais rápidas, é necessária mais tecnologia do que nunca para andar à frente do pelotão.

Desde o lançamento da primeira Madone em 2003, a velocidade média dos ciclistas profissionais nos Monumentos de Primavera aumentou cerca de 1.5 km/h. Isto significa que um ciclista de há 20 anos precisaria de aumentar o seu débito de potência em mais de 35 watts para competir à velocidade de hoje em dia, partindo do princípio que o seu equipamento não teria evoluído para ser mais rápido. A estas velocidades, o atrito aerodinâmico é responsável por quase 90% da potência resistiva, pelo que melhorar a aerodinâmica é prioridade máxima para quem quer vencer.

A nova Madone está na vanguarda do que uma bicicleta de competição pode ser. Lê este artigo para entender a aerodinâmica da nossa bicicleta de estrada de competição mais rápida de sempre.

IsoFlow, pressão total e atrito de quadro

A alteração mais óbvia na nova Madone é a nova funcionalidade IsoFlow, que melhora a aerodinâmica, peso e o conforto do ciclista. Mas como é que reduz o atrito?

O IsoFlow foi, incialmente, concebido ao identificar as zonas de grande atrito na sexta geração da Madone e com o estudo do fluxo do ar nesses pontos. Nas fases iniciais do design, fazemos isto utilizando um software de simulação de fluxo de ar conhecido como dinâmica de fluído computacional (CFD).

Neste ponto do processo de design não nos preocupamos com a modelação de componentes mais pequenos como porta-bidões e raios. Em vez disso, estamos focados no aumento da velocidade da simulação para a iteração de mais designs. O resultado é uma simulação que modela com relativa precisão o movimento do fluxo de ar e pode ser resolvido numa questão de horas, em vez de dias, utilizando os nossos supercomputadores. Uma coisa que nunca omitimos é o ciclista (embora às vezes o ocultemos para visualização), que incluímos no CFD tanto numa pedalada dinâmica ou modelando uma variação de posições de pernas em todo o ciclo da pedalada. Simulamos centenas de condições e protótipos no CFD para estudarmos mais designs de forma rápida e que nunca seria possível no túnel de vento ou em testes reais a pedalar.

De seguida consta uma ilustração de um CFD da fase inicial da anterior geração da Madone comparada com uma bicicleta conceptual com IsoFlow. Aqui, visualizamos zonas de grande atrito como “nuvens” onde o vermelho representa onde a maioria do atrito é criado. Neste momento, o ciclista está oculto para nos permitir ver melhor o que o fluxo de ar está a fazer no quadro. Esta ilustração mostra claramente como é que os piores pontos de atrito desaparecem com a inclusão do novo IsoFlow.

Embora as nuvens vermelhas seja uma representação do atrito, o que elas representam na realidade é “pressão total.” Sem ir muito a fundo nos conceitos de aerodinâmica, podemos pensar na pressão total como sendo uma medida de energia no fluxo. Queremos evitar áreas de baixa pressão total (ou de baixa energia) porque causam atrito. Dependendo do quão interessante era o teu professor de Física, talvez ainda te lembres de aprender algo sobre a conservação de energia. Aplica-se aqui. Se a energia está a ser retirada do fluxo de ar, está a vir de algum lado. Neste caso, vem das tuas pernas!

No novo design da Madone SLR, o IsoFlow é capaz de aumentar a energia no fluxo à sua volta e através do sistema das escoras do selim ao oferecer uma direção clara ao fluxo de ar. Esta é uma melhoria em relação ao design tradicional onde o ar é espremido à volta do tubo do espigão e das escoras do selim, fazendo com que interaja com as tuas pernas em movimento e causando atrito.

IsoFlow e atrito do ciclista

O IsoFlow faz mais do que apenas reduzir o atrito no quadro. O fluxo rápido de ar que passa através do IsoFlow ajudar a aumentar energia na área onde é gerada mais atrito: atrás e por baixo do ciclista. Enquanto pedalas, são formados vórtices contra-rotativos quando o ar tenta conquistar o seu caminho pelas curvas e voltas que necessita para passar pelas tuas costas e pernas. Este efeito está documentado por alguns reputados estudos universitários e também o podemos identificar no CFD. Na animação abaixo, os vórtices contra-rotativos são coloridos consoante a sua magnitude e direção da sua rotação para diferenciar os dois.

A maioria do atrito no conjunto bicicleta/ciclista advém do ciclista e muito dele deriva deste mesmo efeito. O IsoFlow ajuda a direcionar o ar para esta área de baixa pressão e reduz o atrito gerado pelo ciclista. O efeito é pequeno, mas qualquer pequena alteração na enorme quantidade de atrito gerado por um ciclista pode frequentemente ser mais impactante do que reduções no atrito do quadro. A animação seguinte mostra novamente os vórtices do ciclista, mas desta feita coloridos pela pressão total e realçando as linhas direcionais através do IsoFlow que se movem para cima para aumentar a energia à esteira do ciclista.

Os efeitos de pedalar e do “ar sujo” podem ser melhor estudados no túnel de vento, que é para onde vão os nossos protótipos após selecionarmos os modelos mais prometedores gerados pela dinâmica de fluído computacional. Os túneis de vento que utilizamos são comprovados por empresas aeroespaciais de vanguarda para o seu design e pesquisa devido à sua capacidade de medir alterações mínimas na força do atrito e por debitarem um fluxo de ar de alta qualidade.

Tal como no CFD, testamos sempre a aerodinâmica com um ciclista na bicicleta. Afinal, as bicicletas não andam sozinhas. E o ciclista tem um impacto enorme nas qualidades aerodinâmicas de um quadro. Mas a inclusão de um ciclista coloca um problema. Mudamos frequentemente as superfícies apenas alguns milímetros entre os designs, pelo que os nossos resultados no túnel de vento devem ser muitas vezes replicados para detetar as diferenças de atrito de modelo para modelo. Mesmo os mais experientes ciclistas profissionais não são capazes de repetir os seus movimentos de forma precisa o suficiente para nós isolarmos um efeito subtil a partir de uma alteração mínima de design. Então, o que fazemos?

Entra o Manny, o manequim-ciclista.

O Manny conjuga as vantagens de testar com um ciclista (incluindo aerodinâmica real e a capacidade de estudar os efeitos da turbulência gerada pelo corpo e pelo movimento a pedalar) ao mesmo tempo que evita os inconvenientes de um humano que não pode manter uma posição perfeita (e quem é que não tem razões de queixa após um longo dia de testes no túnel de vento). Com o Manny, podemos estudar alterações de design com a repetibilidade de cerca de ±1 Watt a 45 km/h. Ainda realizamos testes no túnel de vento com ciclistas reais para verificar os nossos resultados e estudar o impacto do equipamento em ciclistas de competição específicos da Trek-Segafredo, mas o Manny é onde a magia começa.

Estas informações demonstram que as melhorias de atrito estimadas no CFD foram validadas no túnel de vento. Com apenas uma alteração na bicicleta da sétima geração da Madone em relação à geração anterior, o atrito cai abruptamente quando o ciclista enfrenta condições de vento cruzado ainda mais fraco. Neste cenário, o ciclista está exatamente na mesma posição quando se compara a nova bicicleta com a geração anterior.

Contudo, se o ciclista utilizar o novo guiador/avanço Madone e mantiver o mesmo tamanho de guiador das gerações anteriores, as manetes passaram a ter uma inclinação para o interior de 3 cm. A posição aerodinâmica que daqui advém contribui para uma redução adicional do atrito em quase todos os ângulos de guinada, especialmente em condições de vento fraco cruzado,

Se o ciclista quiser ignorar a posição mais estreita dos braços, podem passar para um tamanho acima do guiador/avanço ou optar por outra solução de guiador. Vão continuar a sentir as melhorias que advêm da bicicleta, mas não da alteração da posição.

O que é que isto significa para os ciclistas?

Para uma forma mais simples de comparar bicicletas, podemos fazer uma média do atrito em todos os ângulos de guinada para obter um número de atrito para cada bicicleta. Contudo, uma média direta não é representativa do mundo real, porque não encontras todos os ângulos de guinada no mesmo tempo. Em vez disso, devemos aplicar a média ponderada que contabiliza com que frequência se verifica cada ângulo ou condição de vento cruzado.

Para fazermos isso, calculámos a percentagem teórica de tempo que um ciclista vai passar em cada ângulo de guinada durante muitas voltas e as condições do vento utilizando a distribuição de vento Rayleigh que faz uma aproximação às condições de vento normais na Terra. Depois, validamos esses cálculos com informação recolhida durante voltas em ambiente real com um sensor de vento integrado na bicicleta. As condições mais comuns são vento cruzado fraco ou ângulo de guinada baixo (0° é o mais comum). Nem todas as voltas vão igualar exatamente esta distribuição da guinada, mas quanto mais pedalas, mais próximo ficas no decorrer do tempo.

Finalmente, para a informação ser mais substantiva, a ponderação do atrito da guinada traduz-se em poupança de potência e de tempo a nova bicicleta. Por exemplo, a bicicleta e alteração da posição conjugam-se para uma poupança de 60 segundos numa hora para um ciclista que debitasse o mesmo esforço e potência na geração anterior da Madone.

A Madone foi concebida a pensar na nossa equipa de competição, mas todos os ciclistas podem beneficiar destes ganhos de aerodinâmica. O tempo que um ciclista pode obter não é tão sensível à velocidade a pedalar como possas pensar, uma vez que a velocidades baixas tens mais tempo para obter vantagem do benefício aerodinâmico.

E para os ciclistas profissionais que precisam de enfrentar velocidades de corrida cada vez maiores, a nova Madone é uma adição essencial ao conjunto de evoluções aerodinâmicas à sua disposição. Com estes resultados do túnel de vento, à média das velocidades do Monumento de Primavera de hoje em dia, a nova Madone SLR e o seu guiador aerodinâmico podia ajudar um ciclista que viesse da antiga Madone a aumentar a sua velocidade em mais 0.7 km/h. Isto é quase metade do aumento total da velocidade da corrida desde que a Madone original foi lançada em 2003 e representa uma enorme evolução em termos aerodinâmcios.

Sobre do autor

John Davis é o Responsável pela Aerodinâmica da Trek Bicycle. Ele tem um bacharelato em Engenharia Mecânica e Aeroespacial da Universidade de Princeton e um mestrado em Engenharia Aeroespacial da Georgia Tech.