Aerodinámica y factores atmosféricos


Aunque tradicionalmente se tiende a decir, por parte de los profanos, que un velódromo es más o menos rápido por su superficie y por su diseño, lo cierto es que hay otros elementos como la aerodinámica y los factores atmosféricos que tienen mucha mayor importancia en el rendimiento.

Por este motivo, hemos pedido la colaboración de Eloy Izquierdo, uno de los preparadores físicos más cualificados y con el que tuve la suerte de compartir algunos años de trabajo con la selección de pista en la Federación Española.

Sabemos que la potencia que hace falta para ir a una determinada velocidad depende de varios factores, siendo el principal a alta velocidad, la aerodinámica. Ésta depende de la superficie frontal del conjunto ciclista–bicicleta y de la resistencia aerodinámica de ese conjunto, es decir, de su rozamiento con el aire o “coeficiente de rozamiento” que depende de la forma de ese conjunto.

Ese factor aerodinámico se denomina CdA que es el producto del coeficiente aerodinámico (Cd) del conjunto ciclista- bicicleta por la superficie frontal A. El CdA es lo que se calcula en el túnel de viento. No obstante, aquí podemos ver algunos valores estandar en ciclismo.

Un segundo grupo de fuerzas que intervienen en el cálculo de la fuerza final que se opone al avance del ciclista está formado por el rozamiento con el suelo, la pendiente, los rozamientos de todos los elementos mecánicos y alguna otra, que hemos englobado como otras fuerzas y que pueden reducirse utilizando los medios técnicos adecuados.

Si tenemos un CdA también optimizado y una vez considerado y realizado las mejoras para reducir el resto de rozamientos y minimizar así las otras fuerzas y para una velocidad deseada determinada v, la única variable que nos queda por analizar es la densidad del aire, r, con lo cual determinamos la fórmula adjunta.

Hay que tener en cuenta que este cálculo se hace teniendo en cuenta un entorno sin viento en contra como es un velódromo, ya que si hubiese viento habría que aplicar fórmulas más complejas.

En todo caso, observamos en la fórmula la importancia de la densidad del aire, r, en la fuerza aerodinámica de rozamiento que tiene que vencer el ciclista, al mismo nivel que el coeficiente aerodinámico Cd y la superficie frontal A.

Factores que influyen en la densidad del aire

Vamos ahora a ver qué factores determinan la densidad del aire y podremos saber por qué un día “el velódromo está lento” o por qué “hoy no me salen los tiempos”, y que son la altura, la presión atmosférica, la humedad y la temperatura. Y todos ellos están de alguna manera relacionados entre sí e influyen en la densidad del aire. Si queremos recordar las leyes que rigen el comportamiento de los gases e incluso calcular la densidad del aire, podemos consultarlo en este enlace.

Sabemos que cuando la altura aumenta la presión atmosférica disminuye, es decir, “hay menos aire” -la columna de aire sobre nosotros pesa menos conforme ascendemos-, por lo tanto, la densidad del aire debe ser menor.

Por ejemplo, en un velódromo a nivel del mar, 20 ºC y 60% de humedad relativa, la densidad del aire es 1,118 Kg/m3, mientras que en el de Aguascalientes (Méjico), a 1.880 m de altura y en las mismas condiciones de temperatura y humedad la densidad del aire es 0,952 Kg/m3.

Ahora bien, esta disminución de la presión atmosférica no es proporcional a la altura sino que disminuye más lentamente conforme se va ganando altura.

La presión atmosférica, además de con la altura, varía también por factores meteorológicos, y por lo tanto la densidad del aire puede ser diferente si hay una situación de anticiclón, con presiones más altas o bajas presiones en situación de borrasca.

Con el ejemplo del velódromo a nivel del mar, 20ºC y 60% de humedad, en una situación de altas presiones en superficie, por ejemplo 1.024 mb, la densidad del aire es 1,211 Kg/m3, mientras que con una presión baja, cuando hay borrasca, por ejemplo 992 mb, la densidad del aire es de 1,173 Kg/m3.

El aire húmedo es menos denso que el aire seco. Puede parecer extraño si pensamos que el agua es más densa que el aire, pero lo que hay en el aire húmedo es vapor de agua, un gas, y las leyes de los gases son particulares. Básicamente, diremos que las moléculas de vapor de agua desplazan a las moléculas de los gases que componen el aire (fundamentalmente nitrógeno y oxígeno) y éstas son más pesadas que las de vapor de agua.

Así, cuanto más humedad haya menos denso será el aire, por ejemplo en nuestro velódromo a nivel del mar, en las mismas condiciones de presión y temperatura (1.020 mb y 25ºC)  con un 40% de humedad relativa la densidad del aire es 1,186 Kg/m3, y con un 95% de humedad relativa la densidad del aire es  1,179 Kg/m3, diferencia más bien reducida.

Y terminamos con la temperatura. Cuando un gas se calienta, se dilata, es decir aumenta de volumen, por lo tanto si la temperatura del aire aumenta, al dilatarse disminuirá su densidad. Por lo tanto, a igualdad de presión, con temperatura más alta la densidad del aire será menor.

Como ejemplo vamos a cuantificar la influencia de la temperatura en la densidad del aire en dos situaciones de la misma presión atmosférica (1.020 mb) y la misma humedad relativa (40%). A 10 ºC la densidad del aire es 1,253 Kg/m3, y a 28 ºC la densidad del aire es 1,173 Kg/m3, diferencia que resulta apreciable en la práctica y que es sufrida por quienes entrenan en invierno en velódromos sin calefacción.

En conclusión, a las velocidades que se alcanzan en un velódromo, cualquier variación, por pequeña que sea en los factores que influyen en las fuerzas de resistencia al desplazamiento, puede influir en el rendimiento. Los factores atmosféricos que influyen sobre la densidad del aire deben ser tenidos en cuenta durante el entrenamiento y la competición.

Si queremos practicar con los cálculos en diferentes situaciones, aparte de los calculadores de los diferentes factores mostrados, podemos necesitar un convertidor de unidades y ser cuidadosos en poner todos los factores de las fórmulas que utilicemos en las unidades adecuadas que nos aparecen en las fórmulas y nos piden los calculadores.

Eloy Izquierdo

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