# Aerodinámica y física del ciclismo · Triatlón, Nivel 8: Experto

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Aerodinámica y física del ciclismo: 100 datos, 10 tests.

La física que hay tras la velocidad en bicicleta: la ecuación de la potencia, densidad del aire, el CdA en cifras, capas límite y superficies, cómo se mide la resistencia aerodinámica, drafting, subidas y pendientes, viento, energía cinética y cálculos de velocidad y potencia.

## Test 1: La ecuación de la potencia en el ciclismo

- El modelo validado de Martin suma las pérdidas aerodinámicas, por rodadura, de rodamientos y de transmisión, el término de la gravedad en las pendientes y los cambios de energía cinética. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Fuerza de resistencia aerodinámica = 0,5 x densidad del aire x CdA x v al cuadrado, de modo que duplicar la velocidad del aire cuadruplica la fuerza. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- La potencia es fuerza por velocidad, de modo que la potencia aerodinámica crece con v al cubo. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Como la potencia aerodinámica crece con el cubo de la velocidad, 2 x 2 x 2 = 8 veces la potencia. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- A velocidades de competición en llano domina la resistencia aerodinámica; la resistencia a la rodadura y las pérdidas de transmisión constituyen el resto. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- La fuerza de resistencia a la rodadura es aproximadamente constante, por lo que la potencia que absorbe crece casi linealmente con la velocidad. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- El modelo explicó cerca del 97 % de la variación de la potencia medida, con errores de unos pocos vatios. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- La densidad del aire (rho) depende de la altitud, la temperatura, la presión y la humedad, no del ciclista. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- El CdA combina un coeficiente de resistencia adimensional con un área, por lo que se expresa en metros cuadrados. (Fuente: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- 1,1 al cubo es aproximadamente 1,33, por lo que la parte aerodinámica de la demanda de potencia aumenta en torno a un tercio. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

## Test 2: Densidad del aire y condiciones

- La atmósfera estándar da unos 1,225 kg/m³ a nivel del mar y 15 °C. (Fuente: International Standard Atmosphere (ISO 2533))
- La densidad del aire disminuye en torno a una décima por cada kilómetro de altitud cerca del nivel del mar. (Fuente: International Standard Atmosphere (ISO 2533))
- La menor densidad del aire a la altitud de la Ciudad de México redujo la resistencia lo bastante como para compensar la menor disponibilidad de oxígeno. (Fuente: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- La resistencia disminuye con la densidad, pero la potencia aeróbica máxima también; el efecto neto depende de la altitud y de la duración de la prueba. (Fuente: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- La densidad es inversamente proporcional a la temperatura absoluta, por lo que el aire caliente ofrece algo menos de resistencia. (Fuente: International Standard Atmosphere (ISO 2533))
- Pasar de 278 K a 308 K reduce la densidad en torno a un 10 %, lo que recorta la potencia aerodinámica a una velocidad dada en la misma proporción. (Fuente: International Standard Atmosphere (ISO 2533))
- El vapor de agua es más ligero que el nitrógeno y el oxígeno que desplaza, por lo que el aire húmedo es ligeramente menos denso. (Fuente: International Standard Atmosphere (ISO 2533))
- Con la misma potencia y el mismo CdA, la menor densidad del aire con calor permite una velocidad mayor, por lo que los parciales no son directamente comparables. (Fuente: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- La fuerza de resistencia medida refleja tanto el CdA como la densidad del aire; separarlos exige conocer la temperatura, la presión y la humedad. (Fuente: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Con una potencia proporcional a la densidad x v al cubo, la velocidad aumenta en torno a la raíz cúbica de 1/0,9, aproximadamente un 3,5 %. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

## Test 3: El CdA en cifras

- Los datos de túnel de viento y de pista sitúan a los mejores contrarrelojistas en torno a 0,20-0,23 m². (Fuente: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Una posición erguida de carretera duplica aproximadamente el área de resistencia respecto a las mejores posiciones de contrarreloj. (Fuente: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 0,5 x 1,225 x 0,01 x (11,1 m/s) al cubo es aproximadamente 8 W. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- El Cd refleja la forma y el comportamiento del flujo; multiplicado por el área frontal da el CdA. (Fuente: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Las áreas frontales proyectadas medidas de ciclistas en posiciones aerodinámicas rondan normalmente los 0,3-0,4 m². (Fuente: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- La suavidad con que fluye el aire alrededor del cuerpo, la parte del Cd, varía con la postura, la ropa y la forma. (Fuente: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Unos pocos vatios ahorrados a velocidad de competición se acumulan; en 180 km, una pequeña mejora del CdA puede valer varios minutos. (Fuente: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Por kilómetro, el tiempo ahorrado en segundos es mayor cuanto más tiempo se pasa en carrera, aunque el ahorro en vatios sea menor. (Fuente: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Los túneles suelen indicar la fuerza de resistencia a una velocidad de referencia, que se convierte en CdA con la densidad y la velocidad. (Fuente: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Cada 0,01 m² equivale a unos 8 W a 40 km/h, así que 0,02 m² valen aproximadamente 16 W. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

## Test 4: Capas límite y superficies

- El aire junto a una superficie se frena por la fricción y forma una capa límite fina cuyo comportamiento determina la resistencia. (Fuente: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Una capa turbulenta resiste el desprendimiento, lo retrasa y produce una estela de baja presión más pequeña. (Fuente: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Como los hoyuelos de una bola de golf, la textura puede provocar una transición más temprana a la turbulencia en cilindros como los brazos. (Fuente: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- A un número de Reynolds crítico la capa límite se vuelve turbulenta y la resistencia cae bruscamente: es la crisis de resistencia. (Fuente: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Depende de la velocidad, el tamaño y la viscosidad del fluido, y predice si el flujo es laminar o turbulento. (Fuente: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- En formas romas a velocidades de ciclismo, una superficie lisa puede mantener una capa laminar que se desprende pronto y aumenta la resistencia. (Fuente: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Sus pruebas de 2014 hallaron que las piernas afeitadas reducían la resistencia unos pocos puntos porcentuales, lo que se estimó en unos 50-80 segundos en 40 km. (Fuente: Specialized Win Tunnel, 2014)
- Los diseños Kammtail cortan la cola donde queda poco beneficio de flujo, ahorrando peso y fuerza lateral. (Fuente: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Cada textura provoca la transición a un número de Reynolds concreto, por lo que los trajes se ajustan a las velocidades de carrera previstas. (Fuente: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- El material que ondea crea un flujo desprendido inestable que aumenta la resistencia más allá de su pequeña superficie. (Fuente: Crouch et al., Sports Eng 2017)

## Test 5: Medir la resistencia aerodinámica

- Los túneles controlan la velocidad del aire y el ángulo de deriva, lo que hace medibles y repetibles las diferencias pequeñas. (Fuente: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Rodar a velocidad constante en una pista cubierta con medición de potencia permite estimar el CdA con poco viento. (Fuente: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Si el CdA y el Crr son correctos, el perfil de elevación modelado coincide con el de la carretera real; los valores se ajustan hasta lograrlo. (Fuente: Chung, Estimating CdA with a power meter (2012))
- La CFD resuelve numéricamente las ecuaciones del flujo, lo que permite cribar muchas formas antes de las pruebas físicas. (Fuente: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Medir la velocidad y la densidad del aire en la bicicleta elimina parte de las conjeturas sobre el viento en las pruebas de campo. (Fuente: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Las ráfagas, el tráfico y los pequeños cambios de posición hacen que los resultados de campo sean menos precisos si las pruebas no se repiten con cuidado. (Fuente: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- La rapidez con que cae la velocidad al rodar sin pedalear en llano refleja la resistencia aerodinámica y a la rodadura combinadas. (Fuente: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- La clasificación del equipamiento puede cambiar con el ángulo de deriva, por lo que los resultados se presentan para un rango de ángulos de viento. (Fuente: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Volver a una referencia permite comprobar la deriva de las condiciones y de la posición del ciclista a lo largo de la sesión. (Fuente: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- El CdA absoluto varía según el método; las comparaciones de configuraciones dentro de un mismo método son más fiables que los totales entre métodos distintos. (Fuente: Debraux et al., Sports Biomech 2011)

## Test 6: La física del drafting

- Ir a rueda a distancias cortas reduce la resistencia del ciclista que sigue en aproximadamente un tercio o más. (Fuente: Kyle, Ergonomics 1979)
- El ciclista que sigue eleva la presión detrás del que va delante, reduciendo la resistencia de este unos pocos puntos porcentuales. (Fuente: Blocken et al., J Wind Eng Ind Aerodyn 2013)
- Los ciclistas en el centro y en la parte trasera de un gran pelotón experimentaron solo una pequeña fracción de la resistencia en solitario. (Fuente: Blocken et al., J Wind Eng Ind Aerodyn 2018)
- La estela de baja velocidad detrás de un ciclista se mezcla con la distancia, por lo que el abrigo se debilita. (Fuente: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- A las largas distancias exigidas, la estela se ha recuperado en gran parte, por lo que el beneficio restante es pequeño pero no nulo. (Fuente: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Blocken mostró que un vehículo detrás de un ciclista eleva la presión a su espalda y reduce su resistencia, lo que puede importar en las contrarrelojes. (Fuente: Blocken et al., J Wind Eng Ind Aerodyn 2016)
- Con viento lateral la estela se desplaza hacia un lado, por eso los abanicos se forman en diagonal a lo ancho de la carretera. (Fuente: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- En subidas empinadas la velocidad es baja y domina la gravedad, por lo que el abrigo aerodinámico ahorra poca potencia. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- La resistencia del líder es parecida a la de un ciclista en solitario, mientras que los seguidores ruedan en su estela. (Fuente: Blocken et al., J Wind Eng Ind Aerodyn 2013)
- Una menor resistencia significa que se necesita menos potencia mecánica para mantener la misma velocidad. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

## Test 7: Subidas, peso y pendientes

- Potencia gravitatoria = masa x g x velocidad x seno del ángulo de la pendiente. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 1 kg x 9,81 x 4,17 m/s x 0,08 es aproximadamente 3,3 W. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- La Velocita Ascensionale Media es la velocidad de ascenso vertical en metros por hora, un indicador de la potencia de ascenso por kilo. (Fuente: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- A velocidades bajas de ascenso, casi toda la potencia se destina a elevar la masa, así que los W/kg determinan la velocidad. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- A menos que las subidas sean largas y empinadas, el tiempo que se pasa a velocidad hace de la aerodinámica el factor más importante. (Fuente: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- La velocidad aumenta hasta que las fuerzas de resistencia aerodinámica y de rodadura igualan la componente de la gravedad que tira cuesta abajo. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- La fuerza cuesta abajo crece con la masa, pero la resistencia depende del CdA y de la velocidad, así que el ciclista más pesado alcanza una velocidad de equilibrio mayor. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- La potencia aerodinámica crece con el cubo de la velocidad del aire, así que a velocidades de ascenso pasa a ser una pequeña parte de la potencia total. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- A altas velocidades de descenso, la posición aerodinámica es la que más tiempo ahorra; a bajas velocidades de ascenso, importan más la potencia y la respiración. (Fuente: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- La masa importa más donde domina la gravedad; en llano y en los descensos influye poco, o incluso algo negativamente. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

## Test 8: El viento en la bicicleta

- La resistencia depende de la velocidad del aire relativa al ciclista, que incluye cualquier viento. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Como la resistencia aumenta bruscamente con la velocidad del aire y se pasa más tiempo en el tramo lento con viento de cara, las pérdidas superan a las ganancias. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- El tiempo ahorrado por vatio es mayor a bajas velocidades, así que un modesto extra de potencia en los tramos lentos mejora el tiempo total. (Fuente: Swain, Med Sci Sports Exerc 1997)
- Con un ángulo de deriva moderado, la llanta puede actuar como una vela y producir una sustentación con componente hacia delante que reduce la resistencia neta. (Fuente: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Las áreas laterales mayores producen más fuerza lateral y más par de dirección cuando llegan las ráfagas. (Fuente: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Si el aire se mueve a la misma velocidad que el ciclista, la velocidad relativa del aire y, por tanto, la resistencia se acercan a cero. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Con una menor velocidad del ciclista, la componente del viento lateral supone una parte mayor del viento relativo, lo que aumenta el ángulo de deriva. (Fuente: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Las diferencias de resistencia crecen con el cuadrado de la velocidad del aire, así que una ventaja aerodinámica aumenta con viento de cara. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- El viento aparente es la suma vectorial del viento real y del flujo de aire creado por la propia velocidad del ciclista. (Fuente: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Aflojar ligeramente en el rápido tramo con viento a favor cuesta poco tiempo y permite aplicar más potencia donde esta rinde más tiempo. (Fuente: Swain, Med Sci Sports Exerc 1997)

## Test 9: Energía cinética y cambios de velocidad

- Energía cinética = 0,5 x masa x v al cuadrado. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Cada frenada disipa energía cinética, que el ciclista debe recuperar en forma de potencia al acelerar. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Tomar las curvas con fluidez conserva la velocidad y reduce el coste repetido de volver a acelerar hasta el ritmo de carrera. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 0,5 x 80 x (11,1 al cuadrado - 5,6 al cuadrado) es aproximadamente 3,7 kJ, antes de las pérdidas por resistencia. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- El impulso lleva al ciclista hacia las subidas cortas, por eso mantener la velocidad al entrar en una subida es eficiente. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Una rueda en giro añade energía rotacional, pero el extra es modesto y solo importa cuando la velocidad cambia con frecuencia. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Frenar y acelerar repetidamente hace que las ráfagas de potencia y el manejo sean más importantes en relación con la aerodinámica pura. (Fuente: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Las aceleraciones breves cuestan tanto energía cinética como potencia aerodinámica cúbica; la ganancia suele ser pequeña. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Los ciclistas de la parte trasera frenan más y deben acelerar con más fuerza, por lo que el efecto acordeón estira el grupo. (Fuente: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Como la potencia de resistencia crece con el cubo de la velocidad, rodar de forma irregular a la misma velocidad media requiere más energía. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

## Test 10: Cálculos de velocidad y potencia

- Como la potencia crece aproximadamente con el cubo de la velocidad en llano, la velocidad varía en torno a un tercio de cualquier cambio de potencia. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Cinco horas con un 1 % más de velocidad ahorran en torno al 1 % de 300 minutos, aproximadamente 3 minutos. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- (36/40) al cubo es aproximadamente 0,73, y 0,73 x 250 es aproximadamente 182 W. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- El tiempo ahorrado por vatio es mayor a menor velocidad y se acumula en un recorrido más largo. (Fuente: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Trabajo = potencia x tiempo: 200 J/s x 3600 s = 720.000 J. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Quemar 4,18 kJ de energía de los alimentos para realizar en torno a 1 kJ de trabajo con una eficiencia de ~24 % hace que las cifras sean casi iguales. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Solo entre una quinta y una cuarta parte de la energía metabólica se convierte en potencia en los pedales; el resto es calor. (Fuente: Coyle et al., Med Sci Sports Exerc 1992)
- Con una eficiencia en torno al 20-25 %, la mayor parte de la energía sale en forma de calor, que el cuerpo debe disipar. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Un ahorro equivalente de potencia del 4 % da aproximadamente un tercio de eso en velocidad, en torno al 1,3 %. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- La velocidad escala con la raíz cúbica de la potencia/CdA, así que una reducción del CdA del 10 % da en torno a un 3,5 % más de velocidad. (Fuente: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

Fuentes: Literatura revisada por pares de ingeniería deportiva y fisiología, con datos de pruebas publicados y normas para los hechos establecidos

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