El viento y la resistencia aerodinámica

El viento, la aerodinámica y los complementos del ciclo rotor eólico

Gabriel Saitua

Viento real y viento aparente

La resistencia aerodinámica al movimiento se relaciona de forma directa con el viento, único elemento que habitualmente nos encontramos de frente en la práctica del ciclismo.

La velocidad del viento real, es la que medimos con un anemómetro y es la que sentimos cuando estamos parados.

A medida que nos movemos en un vehículo, como una bicicleta, generamos un flujo de viento propio debido a la velocidad. En condiciones neutras, sin viento real, la velocidad del viento sería igual al de nuestra velocidad.

En condiciones reales, el resultado final es un vector de dirección y fuerza conocido como viento aparente, resultante de la suma o resta de los vectores del viento real y el vector correspondiente al de nuestra velocidad.

La resistencia aerodinámica

Conocer algunos aspectos sobre la resistencia del aire al desplazamiento o rozamiento aerodinámico es de útil para el ciclista, dado que la fuerza para superarla aumenta con el cuadrado de la velocidad. La resistencia se genera por el impacto de las moléculas de aire contra el ciclista y la bicicleta, cambiando su movimiento desde un flujo lineal o laminar a uno irregular, desorganizado o turbulento.

La mayor fuerza de rozamiento se encuentra precisamente en la capa límite o fase transición entre el flujo laminar y el turbulento, siendo incluso 5 veces mayor que en la propia zona turbulenta. El rango de la transición entre estas fases se encuentra tan sólo entre 20 y 25km/h., velocidades muy habituales en la práctica del ciclismo. http://www.ciclismoafondo.es/mecanica/Informes/articulo/informe-la-eficiencia-aerodinamica

El valor de la resistencia contra el viento se conoce como fuerza o coeficiente de arrastre aerodinámico (FA) (Drag en inglés) y se calcula mediante la ecuación de arrastre:

FA = 0,5 x P x S x Cx x V2

“P” es la densidad del aire.

“S” corresponde al área frontal del conjunto ciclista y bicicleta. Variable 0´5 a 0´7, según la corpulencia y posición sobre la bicicleta.

 “Cx” es el coeficiente de arrastre aerodinámico, relacionado con superficie que expone al viento el conjunto formado por el ciclista y la bicicleta. Se aproxima a 1 en bicicleta de carretera y con brazos extendidos y a 0´83 en posición con aerobarras.

“V2” corresponde al cuadrado de la velocidad relativa, vector resultante de la velocidad del ciclista y de la velocidad y dirección del viento, único factor exponencial en la fórmula y principal responsable de la resistencia aerodinámica. http://todobici.com.es/la-importancia-de-la-aerodinamica-en-el-ciclismo/

Velocidad en Km/h.                             20            30           40          50

Resistencia aerodinámica en Kg.     0´8          1´8          3´2          5

Si duplicamos nuestra velocidad por dos, la resistencia aerodinámica se multiplica por cuatro, por lo que la resistencia al movimiento aumenta mucho más deprisa que la velocidad.

Cómo reconocer el viento

Aunque la sensación y dirección del viento la podemos percibir en nuestro rostro durante una marcha en bicicleta, conocer en cada instante la dirección del viento nos ayuda a actuar de forma más o menos contenida para no hacer un gasto energético innecesario. Utilizando una simple cinta colgada desde un pequeño vástago horizontal en el manillar nos permitirá conocer de forma aproximada su ángulo de incidencia e intensidad (figura 1).

Figura 1.- Cinta sobre un vástago horizontal en el manillar como indicador de la dirección del viento. Complemento del  Ciclo Rotor Eólico para bicicleta de carretera

Otros dispositivos electrónicos también nos permiten conocer de forma más precisa la dirección y velocidad del viento aparente, como la APP Zephyrus Free Wind Meter for Android (figura 2).

El Zephyrus funciona como un anemómetro adecuado, simplemente utilizando el micrófono del teléfono inteligente, hasta un rango máximo de 20m/sg.; no requiere sensores.

Figura 2.- Velocidad del viento electrónica. Complemento en el ciclo rotor eólico

Aplicación Smartphone APP Zephyrus Free Wind Meter for Android

Si utilizamos éstos recursos podremos apreciar que la dirección del viento habitualmente incide en contra de la dirección del ciclista, pero no es constante y presenta un ángulo de incidencia variable, entre 11º y 22º o superiores, capaces de atravesar nuestra rueda trasera y activar nuestro aeromotor helicoidal; la activación del ciclo rotor eólico es seguro en la rueda trasera y comienza a ser útil para el ciclista, cuando nuestra velocidad alcanza o supera los 25Km/h. En éstas circunstancias la energía teórica adicional que ofrece el ciclo rotor eólico se encuentra entre 30 y 50watios/sg.

Figura 3.- Apertura helicoidal del ciclo rotor eólico

Rendimiento en ángulos de incidencia >10º y velocidad del viento aparente >25Km/h.

El rendimiento del rotor se afecta en condiciones de viento racheado variable, condición conocida por los antiguos babilonios, cuando protegían los primeros molinos de viento dentro de edificaciones con aperturas, para que los vientos racheados atravesaran las aspas del rotor con viento en flujo laminar; en nuestro caso, la incorporación de deflectores en la entrada del rotor en la rueda trasera resulta útil para proteger la eficiencia del ciclo rotor eólico ante vientos turbulentos laterales (figura 4).

Figura 4.- Deflectores en la entrada del ciclo rotor eólico. Protección ante vientos racheados

Prototipo de Ciclo Rotor Eólico. Modelo de utilidad para el ciclista 2018

Aeromotor bipala en Cannondale Synapse

Figura 5.- El rendimiento instantáneo  del rotor depende del flujo que lo atraviesa en cada momento

Figura 6.- Esquema del ciclo rotor (S) en una bicicleta Felt B16.

Rendimiento mecánico y aerodinámica entre 30 y 50watios/sg.
con una velocidad del viento aparente entre 25 y 50Km/h.

Gabriel Saitua Iturriaga. Getxo. Bizkaia. 2018