PRECURSOR - LOS CRÍTICOS Y LOS INTERESADOS
He añadido esta sección al principio de esta entrada del blog. El método que utiliza esta prueba se llama estado transitorio y se utiliza cuando la aerodinámica cambia constantemente. Esto es difícil de explicar en detalle en una entrada del blog por lo que he vinculado a un video de Youtube (Si usted no puede abrir el vídeo a continuación, por favor, consulte el enlace https://youtu.be/lwrCrU4KG-I ).
La parte importante del vídeo está en el minuto 10:20 y en ella se muestra la diferencia entre el flujo de aire que existe en el mundo real, el flujo de aire con el que prueban los fabricantes y una prueba transitoria (turbulenta). El flujo que se genera en un túnel de viento de estado estacionario rara vez se produce en la vida real y está en el límite de lo aceptable para un velódromo.
Ten en cuenta que muchas empresas de ruedas utilizan a los usuarios de los foros de internet como método para vender subversivamente una realidad que no existe bajo la premisa de un ahorro de energía imposible. Yo NO VENDO RUEDAS POR LO QUE NO TENGO INTERESES VINCULADOS y me mantengo imparcial.
En resumen, las empresas de ruedas están exagerando su ahorro de potencia y haciendo pruebas con métodos INADECUADOS PARA EL USO EN CARRETERA. Si te dicen lo contrario, están mintiendo categóricamente y estaría más que feliz de demostrarlo en un tribunal.
INTRODUCCIÓN
En lo que respecta a la resistencia causada por un ciclista, la mayor pérdida la provoca el propio ciclista, seguido de las ruedas y el cuadro.
La resistencia causada por las ruedas es importante por dos razones fundamentales. La primera es que golpean el aire en primer lugar, ya que son la parte más adelantada de la bicicleta, y la segunda porque están girando. La velocidad efectiva del aire en la parte superior de una rueda/neumático es el doble de la velocidad indicada de la bicicleta.
En la industria de la bicicleta, las pruebas aerodinámicas de las ruedas han sido realizadas generalmente por dos grupos de personas: los fabricantes de ruedas y los periodistas. Los fabricantes de ruedas suelen ajustar las pruebas para que sus ruedas particulares parezcan más favorables que las de sus competidores en las pruebas. Esto se suele conseguir mediante una combinación de ajuste de velocidades y ángulos. La realidad es que este tipo de pruebas no son imparciales.
Por otro lado, los periodistas tienden a visitar su universidad local y pedir a algún avispado que realice las pruebas por ellos y les dé los resultados o ir a su velódromo local, realizar una velocidad y ver cuánta potencia consumen las ruedas.
Ambas metodologías de prueba no son representativas del mundo real. Una analogía comparativa sería el consumo de combustible de un coche que circula por una superficie de cristal perfectamente lisa, sin viento y sin cambios de velocidad: es totalmente irreal.
Las pruebas que se han llevado a cabo suelen ser en estado estacionario. Un análisis en estado estacionario supone que las ruedas, la moto y el piloto se encuentran en un entorno agradable en el que el aire incide sobre ellos a una velocidad y un ángulo perfectos. A continuación, se registra la resistencia aerodinámica.
En el mundo real, muy pocos ciclistas tienen la capacidad de mantener una velocidad de 50 km/h durante un tiempo prolongado, ya que simplemente no están lo suficientemente en forma. La realidad es que en la carretera abierta, el viento no llega desde un ángulo perfecto, sino que su velocidad cambia y cosas como el mobiliario urbano (setos, bordillos, coches que pasan, el piloto que se balancea de izquierda a derecha) alteran el flujo de aire sobre el piloto. La modelización de este tipo de situaciones se denomina análisis transitorio. Técnicamente es más difícil realizar un análisis transitorio tanto en CFD como en un túnel de viento. La mayoría de los túneles de viento no están preparados para realizar análisis transitorios.
Los fabricantes de ruedas utilizan ahora un análisis ponderado de los ángulos de guiñada y las velocidades para dar una clasificación general a sus ruedas. Hay que tener en cuenta que pueden ajustar la ponderación para que sus ruedas parezcan mejores.
Un método de análisis superior es realizar un análisis transitorio en un túnel de viento. Esto requiere un túnel de viento con rejillas horizontales y verticales para añadir remolinos al aire antes de que golpee la bicicleta y el piloto. Esto permite estimar de forma mucho más realista la resistencia aerodinámica, ya que simula las condiciones de la carretera.
ORIENTACIÓN GENERAL
Ángulos de guiñada
Los fabricantes de ruedas promocionan sus ruedas como si tuvieran una resistencia fantástica en diferentes ángulos de guiñada. La eficacia de su marketing es notable, ya que muchos carteles en Internet también lo creen.
Debido a las leyes de la física, para un ciclista medio, el ángulo de guiñada máximo antes de que se produzca una separación completa es de unos 12 grados. Una sección transversal más roma (toroidal) podría llegar a 15, pero ese es realmente el límite. Este límite de separación se ve afectado por una variable conocida como número de Reynolds (una combinación de velocidad, densidad, perfil de la forma y viscosidad)
El diseño aerodinámico es siempre un compromiso, aumentar el punto de separación en ángulos de guiñada altos siempre tendrá un impacto negativo en la resistencia aerodinámica en ángulos de guiñada muy bajos (<5 grados).
En repetidas pruebas, las ruedas con muy buen rendimiento transitorio son las que mejor funcionan para el ciclista medio.
Neumáticos
Esta orientación es uniforme en todos los casos. Es de vital importancia instalar neumáticos ligeramente más estrechos o en línea con la pista de frenado de la llanta. Un neumático abombado afectará a la resistencia aerodinámica de forma significativa.
Últimamente existe una tendencia a montar neumáticos más anchos en las bicicletas. Desde una perspectiva aerodinámica, la anchura del neumático trasero tiene poco efecto, pero la anchura del neumático delantero tiene mucho más impacto y, por lo tanto, se recomienda un neumático delantero de 23 mm, independientemente de que la rueda haya sido diseñada para neumáticos de 25 mm. A velocidades superiores a 30 km/h, es más beneficioso tener neumáticos de 23 mm que neumáticos delanteros de 25 mm para obtener beneficios aerodinámicos.
PROTOCOLO DE PRUEBAS
El protocolo de pruebas es el producto del "trabajo de fin de semana" de un grupo de ingenieros aeroespaciales de Bristol, Inglaterra. El protocolo de pruebas es muy diferente a las pruebas de los fabricantes. Es fundamentalmente imparcial e imita las condiciones de conducción del mundo real en el sentido de que modela el movimiento transitorio del aire. Se hace hincapié en las ruedas que manejan la separación y la reagrupación del flujo de aire de manera eficiente, y se pone muy poco énfasis en montar una bicicleta directamente en un viento de frente con una guiñada de cero grados - esto no es realista, así que por qué molestarse en probarlo. El túnel de viento utilizado tenía la temperatura y la humedad controladas.
El gráfico siguiente muestra una muestra de un recorrido en el que un ciclista circulaba por una carretera recta a una velocidad casi constante. Está claro que ni la velocidad del aire ni el ángulo de guiñada eran constantes.
TEST 1
Las bases del mundo real para este protocolo se basan en dos subconjuntos de ciclistas de la zona de Bristol (Reino Unido). Se trata de ciclistas de club con una media de 30 km/h y de contrarrelojistas con una media de 50 km/h. Durante 6 meses se registraron los datos de sus salidas en términos de ángulos de guiñada efectivos, velocidad y distribución de la presión del aire. Estos datos se evaluaron, se agregaron y se transformaron en un protocolo adecuado para un túnel de viento. El método de transformación consistió en analizar estadísticamente las condiciones de la carretera, aplicar una transformación rápida de Fourier a los datos y realizar algunas simulaciones de prueba para su validación. Los dos protocolos discretos se muestran a continuación.
LOS GRÁFICOS NO REPRESENTAN UN CICLO DE CONDUCCIÓN, SINO QUE INDICAN LOS PARÁMETROS CON LOS QUE SE PROBARON LAS RUEDAS. Los túneles de viento tienen limitaciones y parte del ejercicio de recopilación de datos consiste en validar los datos a medida que se procesan. Rectificar los errores a posteriori es caro y lleva mucho tiempo. Para reproducir las condiciones transitorias, la velocidad o el ángulo de pulsación son aceptables. Las pruebas de rampa se utilizaron para validar una frente a la otra para cada juego de ruedas.
TEST 2
TEST 3
A través de la investigación se descubrió que las microcorrecciones de los pilotos y la naturaleza algo aleatoria de la velocidad del viento y la desviación del ángulo de guiñada producían una respuesta transitoria de la combinación de moto y piloto. Esto era mucho más grave en las ruedas cuando giraban hacia una corriente de aire en sentido contrario. En efecto, un piloto que circula en una línea perfectamente recta hacia el viento que se aproxima, genera turbulencias, rebufos y aleteos cuando la moto se balancea de un lado a otro. Lo que se consideraría un ángulo de guiñada de cero grados en un análisis de estado estable se comporta más bien como 5-6 grados cuando se tienen en cuenta los efectos transitorios.
Este protocolo imita la naturaleza de las sacudidas del piloto en la configuración de la corriente de aire y produce un valor de resistencia media general contra el tiempo y, en consecuencia, la potencia media. Está diseñado para descartar las ruedas que tienen un mal rendimiento transitorio. Las líneas de los protocolos se muestran para completarlos, no significan que este protocolo favorezca las condiciones de viento.
ARRASTRE TRANSITORIO VS ESTADO ESTACIONARIO
El concepto de los efectos transitorios de la resistencia aerodinámica ha sido bien conocido en aplicaciones aeroespaciales de baja velocidad, como los drones de reconocimiento militar. Este concepto transitorio no se ha aplicado a los productos relacionados con las bicicletas, a pesar de la enorme sensibilidad de los vectores de velocidad implicados. Por ejemplo, la velocidad del viento cruzado en una bicicleta suele superar la velocidad de avance (relación > 1). Si se compara con un coche, la relación entre el viento de frente y el viento de costado sería de 0,25 a una velocidad de crucero típica de 100 km/h.
Un obstáculo importante al intentar medir con precisión la resistencia de una bicicleta y un ciclista es la discontinuidad de la carrocería. Hay grandes áreas sin cuerpo sólido (por ejemplo, la llanta de la rueda al buje, los triángulos de los tubos del cuadro, los espacios libres entre los neumáticos y el cuadro). Esto conduce a la inevitable separación de la corriente libre de la superficie de la carrocería y da lugar a efectos aerodinámicos o aeroelásticos (flutter). Esto hace que el flujo tarde mucho tiempo en asentarse e, inevitablemente, en ese tiempo, otra variable ha cambiado y el proceso se repite.
Para ilustrar el impacto de la resistencia transitoria, el gráfico siguiente muestra el ángulo de guiñada que se incrementa en entradas escalonadas de 2 grados cada 10 segundos (se muestran las etiquetas de datos). Esto se traza contra la fuerza de arrastre en estado estacionario y en estados transitorios.
La línea de estado estacionario muestra el rendimiento de arrastre del juego de ruedas cuando se deja que las lecturas se asienten y luego se anotan.
Las líneas transitorias son más representativas de la vida real. En el caso de esta adquisición de datos, se estableció un ángulo de guiñada de referencia y se superpusieron 2,5 grados/s de movimiento. Al introducir la oscilación, se produjo un aumento inmediato de la resistencia en ambos conjuntos de ruedas. A los 4 grados de guiñada, hubo una diferencia notable entre las ruedas Reynolds y las FLO. Las ruedas Reynolds fueron capaces de manejar la inestabilidad y las sacudidas mucho mejor que las ruedas FLO. Más allá de los 12 grados, ninguna de las ruedas fue capaz de contener eficazmente las sacudidas y se produjo una separación total.
En casi todos los casos, la resistencia aerodinámica en el mundo real es mucho mayor que en un escenario de estado estacionario. Es especialmente frecuente en las ruedas porque están girando y la velocidad neta en la parte superior de las ruedas es el doble de la velocidad de avance.
TEST 4
DURACIÓN DE TIEMPO EN DIFERENTES ÁNGULOS DE GUIÑADA
Aunque el objetivo principal de este estudio era establecer un protocolo de túnel de viento para representar el análisis de la carretera. Algunos de los datos recogidos podrían utilizarse para cálculos genéricos.
La instrumentación utilizada para el análisis de la carretera tenía una tasa de muestreo de 1024 veces por segundo. Combinando este nivel de precisión con protocolos de filtrado estándar, fue posible determinar el ángulo de guiñada efectivo de la moto y el piloto. Al reducir la resolución, los datos se convirtieron en un formato que se ajusta a los departamentos de marketing de los fabricantes de ruedas para el ángulo de guiñada frente al tiempo en ese ángulo. Al hacerlo, se redujo la precisión de los resultados, pero se ha mostrado a efectos de comparación.
Cabe señalar que los datos transitorios reflejan mejor el tiempo real en un ángulo, ya que tienen en cuenta las microcorrecciones de la dirección del piloto y las correcciones instantáneas de la velocidad del viento. El filtrado para el estado estacionario mediante la reducción de la tasa de muestreo eliminó la inestabilidad. En resumen, la respuesta de la resistencia contra la tasa de cambio del ángulo de guiñada es un mejor predictor de la respuesta en una corriente libre en ángulos inferiores al punto de separación de la sección.
Cuando se considera una combinación completa de moto y piloto, el efecto de las ruedas es comparativamente pequeño comparado con la resistencia causada por el piloto, por lo que la naturaleza transitoria de la resistencia de las ruedas disminuye. La resistencia del piloto es, con mucho, la parte dominante del sistema. Los efectos de la respuesta transitoria disminuyen a medida que aumenta la relación entre la velocidad de avance y la del remolino (viento cruzado). Así, cuanto más rápido vaya el piloto, menos efecto tendrá el comportamiento transitorio.
TEST 5
TEST 6
TEST 7
EL EFECTO DE LA ANCHURA DEL NEUMÁTICO EN EL RENDIMIENTO AERODINÁMICO
En los últimos años se ha producido una tendencia general hacia los neumáticos más anchos en la industria de la bicicleta. Esto ha sido impulsado en gran medida por los fabricantes de neumáticos y ruedas que se dirigen a los diseños sin cámara de aire bajo la premisa de que un neumático más ancho tiene una menor resistencia a la rodadura. Mientras que los efectos de la resistencia a la rodadura y de una zona de contacto más favorable están bien documentados, el efecto sobre la resistencia aerodinámica ha sido discutido. Algunos fabricantes de ruedas han afirmado que sus ruedas son más aerodinámicas con neumáticos más anchos, pero para que esta afirmación sea válida, las ruedas deberían tener un coeficiente de resistencia aerodinámica combinado más bajo para superar el aumento del área frontal.
Los gráficos siguientes muestran la comparación entre dos ruedas, una Shimano C60 de cuerpo estrecho y una Enve 7.8 de cuerpo más ancho. Resulta evidente que un neumático abombado (25 mm en una llanta Shimano C60) tiene un impacto significativo en la resistencia, especialmente a altas velocidades. Por el contrario, el efecto en la rueda Enve más ancha fue mucho menos dramático. En ambos casos, un neumático estrecho redujo la resistencia. Los neumáticos continentales tienden a ser ligeramente más anchos que su anchura declarada cuando se montan.
TEST 8
TEST 9
INTERPRETACIÓN DE LOS DATOS
Estos datos deben interpretarse como las cifras de consumo de combustible de un coche. Están diseñados para dar una indicación típica de cuánta potencia se absorbe durante TODO un bucle de conducción a una velocidad determinada. Es importante tener en cuenta que las ruedas que son rápidas a 50km/h no son necesariamente las más rápidas a 30km/h.
- El ERROR EXPERIMENTAL MÁXIMO se ha calculado en +/- 2,5%, y se ha representado el centro del rango para cada uno de los valores para mantener la coherencia.
- Las profundidades de las llantas están divididas en clases para facilitar la comparación, pueden no coincidir con el tamaño declarado por el proveedor.
- La potencia nominal en un análisis transitorio es mucho peor que en un análisis de estado estacionario
- Los comentarios se indican para cualquier cosa digna de mención
- La posición del piloto estaba dentro de +/-10mm para cada carrera, esto fue respaldado con un rastrillo de presión montado al revés para eliminar cualquier dato espurio. Se han hecho comentarios que sugieren que un ciclista no puede mantener una posición fija durante todo el ciclo; el protocolo no lo exige, la comprobación de errores está incorporada. Aunque no es habitual en el sector del ciclismo, la eliminación de la resistencia de los apéndices es habitual en la industria aeroespacial, por lo que se aplicó la misma técnica.
- El neumático de control era un par de Continental GP4000SII de 23mm con una presión de 8.25BarG, hay un par de combinaciones de rueda y neumático que están resaltadas en amarillo mostrando una variación del neumático de control, estas se han incluido como referencia
- Se ha incluido el arrastre rotacional necesario para hacer girar la rueda (la mayoría de los fabricantes no incluyen esta cifra, que es de entre el 25 y el 30 por ciento, una notable excepción es Swiss Side)
- La posición de conducción (capuchas relajadas) no ha cambiado, independientemente de la velocidad. En realidad, las altas velocidades requerirían una posición de conducción diferente, pero hacerlo habría invalidado la prueba.
TEST 10
TEST 11
¿QUIÉN HACE PRUEBAS EN CONDICIONES TRANSITORIAS?
Hasta la fecha, la única empresa que ha confirmado que realiza pruebas e incluye las turbulencias (condiciones transitorias) en sus diseños es SwissSide. Jean-Paul Ballade, de SwissSide, lo comentó en el vídeo de Youtube que se muestra arriba.
Aunque no se ha confirmado, hay ciertas características en las ruedas Mavic que sugieren que diseñan o prueban en condiciones de turbulencia.
CONCLUSIONES
Durante mucho tiempo se ha alimentado a los pilotos con una dieta de ruedas probadas a 50 km/h. Esta velocidad es inapropiada para la gran mayoría de los pilotos, ya que no pueden mantener la potencia necesaria para esa velocidad. En general, se piensa que la mayoría de los ciclistas se mueven en ángulos de guiñada de menos de 10 grados. Aunque esta afirmación puede ser válida si se va a 50km/h, a velocidades más modestas esto no ocurre. Tanto en la conducción a 50km/h como a 30km/h, el efecto de las microcorrecciones de la dirección, las turbulencias del propio viento y los objetos externos provocan un flujo turbulento inestable sobre las ruedas. Este fenómeno hace que aumente el ángulo de guiñada efectivo que experimentan las ruedas.
- Las ruedas que funcionaron bien fueron notablemente resistentes a la generación de zonas de turbulencia.
- Las ruedas con buen rendimiento mitigan bastante bien las turbulencias generadas.
- Las ruedas con buen rendimiento tenían una menor resistencia a la rotación en comparación con la competencia.
- Las ruedas con una sección de llanta más profunda suelen ser más aerodinámicas que las secciones poco profundas.
- La diferencia entre ruedas de una profundidad similar es muy pequeña y sería difícil que un humano pudiera detectarla durante la conducción.
- La diferencia entre una rueda de perfil bajo y una rueda profunda sería captada por un humano montando.
- Las ruedas de FLO cycling y Hunt funcionaron mal, parecen haber sido diseñadas por personas con un conocimiento limitado de la aerodinámica de los objetos en rotación. Como tales, generaban una separación innecesaria y no podían manejar el flujo de aire separado
- La rueda delantera de disco Aerocoach y sección profunda de 75 mm mostró resultados bastante interesantes. Esta rueda era esencialmente una rueda de aluminio con un carenado de clip. A velocidades bajas y moderadas, la rueda funcionaba razonablemente, pero a medida que se aumentaba la velocidad, la rueda empezaba a funcionar de forma bastante errática. La construcción de la rueda delantera es agrícola y existen grandes huecos entre los radios y el carenado no estructural. Estos huecos generaban perturbaciones de presión y hacían que el flujo se comportara de forma errática. A medida que se incrementaba la velocidad, el rendimiento era bastante pobre en comparación con la competencia inmediata y esto se debía principalmente al mal diseño de la rueda delantera.
TEST 12
Si está pensando en utilizar los datos de este artículo para influir en su decisión de compra, hágalo con precaución. No se miden algunos aspectos de las ruedas, como su calidad general de construcción, el rendimiento de los frenos, los bujes y la facilidad de mantenimiento. Estos factores deben tenerse en cuenta en consecuencia.
(Comprobación del puesto original de : https://www.hambini.com/testing-to-find-the-fastest-bicycle-wheels/)