Comportamiento aerodinámico

La aerodinámica es una rama de la mecánica de fluidos que estudia el movimiento de cuerpos sumergidos en un fluido, específicamente un gas. Los sólidos que se desplazan en él están sometidos a fuerzas y momentos aerodinámicos.

Nosotros estudiaremos las fuerzas a las que se someten los móviles al desplazarse por el aire, especialmente en las bicicletas.

El ciclista en su movimiento se enfrenta a tres tipos de resistencia. La resistencia de rodadura es la que se genera por la fricción de las ruedas sobre el suelo, y entre los elementos mecánicos que forman la bicicleta. La resistencia de gravedad es la que debe superar por el cambio de altura, la que es proporcional al peso y a la diferencia de altura. Y la más importante y la que analizaremos es la resistencia aerodinámica, la que aumenta en forma exponencial al aumentar la velocidad.

La resistencia aerodinámica depende de la superficie frontal de la bicicleta con el ciclista y del coeficiente de penetración, que representa la efectividad de la forma de un cuerpo para el desplazamiento a través del fluido.
La fuerza de arrastre es la fuerza que se produce por la fricción de un sólido y el fluido (en nuestro caso el aire) y por la forma del objeto

Con la fórmula de la fuerza de arrastre nos damos cuenta que al comparar dos móviles en igualdad de condiciones (mismo fluido y velocidad) la fuerza depende únicamente de la superficie frontal y su coeficiente de resistencia (penetración).
La resistencia del movimiento también se ve afectada por la capa límite, que es la zona existente alrededor del cuerpo en contacto con el fluido. Ésta puede ser laminar o turbulenta. El flujo laminar es perfectamente ordenado, donde las líneas de corriente no se mezclan, en cambio el turbulento forma remolinos. La capa límite laminar proporciona una menor resistencia.

Fenómeno de separación:

Debido a gradientes de presión sobre la superficie de los cuerpos en un flujo, éste deja de seguir el contorno del cuerpo en un determinado punto llamado punto de separación. Consideramos una delgada capa de fluido adyascente a la pared de un cuerpo la cual es arrastrada por el empuje viscoso del fluido que la rodea y es retardada por la fricción en la pared. Si la presión es favorable, es decir, si decrece en la dirección del flujo, la delgada capa continuará moviéndose hacia adelante. Pero la velocidad cerca de la pared es pequeña y si la presión crece en la dirección del flujo el momentum del fluido puede ser insuficiente para abrirse paso y esto podría detener completamente el fluido y pudiera incluso tener un retroceso a baja velocidad. Es así como el flujo puede despegarse de la superficie del cuerpo. Como se ve en la fugura, el punto S indica el punto de separación, la línea L es la línea de separación y la M es el límite de inversión de la velocidad.

Luego de la separación se forman vórtices detrás del cilindro en un sector que llamamos estela. Esta estela puede ser grande o pequeña dependiendo del lugar de la superficie del cuerpo donde se produza la separación.
En la estela la presión es constante existiendo variaciones sólamente en la parte donde el flujo aún no se separa. Todo esto hace que la suma de las fuerzas debida a las presiones sobre la superficie resulte en una fuerza neta que arrastra al cuerpo en la dirección del flujo, lo que conocemos como fuerza de arrastre por forma.
Experimentalmente se puede observar que mientras menor sea la estela, menor va a ser la fuerza de arrastre por forma, tal como se ve en las fotos que la estela producida por una semiesfera es notoriamente mayor a la producida por una esfera completa.

Entonces, si nuestro objetivo es disminuir la fuerza de arrastre, tendremos que darle al cuerpo, en nuestro caso el conjunto bicicleta-ciclista, una forma tal que la estela disminuya de tamaño.