LA CIENCIA DE LA BICICLETA

8 mayo 2008 en 13:36 | Publicado en General | 7 comentarios

Autor: Francisco Aguilera. Física y Química

1. Fuerzas y movimientos

Para comprender las fuerzas que intervienen y los movimientos que se desarrollan cuando nos desplazamos en bicicleta vamos a repasar los mecanismos de transmisión que se emplean:

  • Plato o corona: es la rueda dentada o engranaje delantero del sistema de transmisión. Se conecta al pedal a través de la biela; y al piñón, a través de una cadena.
  • Pedales: La fuerza que con los pies se realiza sobre los pedales, se aplica a través de la biela sobre el plato.
  • Cadena: Conecta las ruedas dentadas que forman el engranaje, transmitiendo la fuerza y el movimiento desde el plato hacia el piñón.
  • Piñón: Es la rueda dentada trasera del sistema. A través del eje, transmite la fuerza y el movimiento a la rueda trasera de la bicicleta.
  • Biela: Es el eje que une el pedal con el plato. Transmite al plato o corona el movimiento y la fuerza que ejerce el pie del ciclista sobre el pedal. Cuanto más larga sea la biela , menor será la fuerza que deberá hacer la persona.

a) Las fuerzas

Son las acciones que se ejercen y que pueden producir equilibrio o cambio en el movimiento.

  • La fuerza de la gravedad: El peso del ciclista y de la bicicleta es una fuerza que ejerce la Tierra sobre ambos y que actuan verticalmente y hacia abajo produciendo una acción sobre el suelo. P = mg, donde m es la masa en kg y g es la intensidad de la gravedad, aproximadamente 10 Newton/kg. Por ejemplo a un ciclista que con su bicicleta tuviera una masa de 100 kg le corresponderá un peso de 1000 N.
  • Las fuerzas de reacción: El suelo recibe el peso de todo el sistema y a la vez ejerce fuerzas de reacción sobre las dos ruedas de la bicicleta verticalmente y hacia arriba que equilibran al peso. R1+R2 = P.
  • Las fuerzas de trasmisión: Cuando el ciclista empuja el pedal, la fuerza se transmite mediante la biela al eje del plato. La cadena se tensa y transmite el movimiento y la fuerza sobre el piñon y este transmite la acción al eje de la rueda trasera.
  • La fuerza de rozamiento y la fuerza impulsora: La rueda trasera, al girar en sentido horario empuja al suelo hacia atras mediante el rozamiento. La reacción del suelo es la que impulsa a la bicicleta hacia adelante. Como cuando remamos en una barca. Empujamos al agua hacia atrás y está por efecto de reacción nos ayuda a avanzar.
  • Fuerzas de rozamiento del aire y de los rodamientos: Hemos visto que el rozamiento de la rueda con el suelo ayuda a avanzar. A la vez el contacto entre dos objetos en movimiento relativo produce un rozamiento que actua en contra del movimiento. Para un ciclista la fuerza de rozamiento de mayor importancia que debe evitar es el rozamiento con el aire.



b) ¿Cómo se consigue cambiar de marchas cortas a largas?

c) Vamos a calcular desarrollos y velocidades


  • Sistema plato-piñon- Como hemos visto, junto con la cadena sirven de mecanismo para transmitir la fuerza y el movimiento. Con los cambios podemos selecionar un plato y un piñón determinado. Por ejemplo podemos poner el plato con 44 dientes y un piñon con 22 dientes.
  • Frecuencia de pedaleo-Normalmente suele ser de aproximadamente f= 60 revoluciones o pedaleos por minuto, equivalente a una vuelta por segundo.
  • Multiplicación- Es la relación entre el número de dientes del plato y del piñón M=N/n = 44/22= 2. Determina cuantas vueltas da el piñon por cada vuelta del plato.
  • Diametro de la rueda trasera- Sirve para calcular cuanto avanza la bicicleta por cada vuelta de piñón que es la longitud de la circunferencia, En bicicletas de paseo es de 960 mm = 0,96 m. La circunferencia tiene una logintud aproximada, L= 3,14 x d= 3 m
  • Desarrollo- Distancia que avanza la bicicleta por cada vuelta de plato. Depende M y de L. Se puede calcular multiplicando estas dos magnitudes, D=M x L = 2 x 3 = 6 m
  • Velocidad- Distancia en metros que recorre la bicicleta cada segundo.

————> v= D x f = 6.1 = 6 m/s que equivale a 22 km/h.

El desarrollo más corto que puede montarse en una bicicleta de montaña hoy por hoy suele ser de 0,64 (plato de 22 dientes y piñón de 34 dientes). Esta relación, nos permite dar una vuelta de rueda con el esfuerzo que requiere dar solo 0,64 vueltas.

En la situación contraria, en una fuerte bajada lo que nos interesa es que tengamos el máximo recorrido con el mínimo esfuerzo. Uno de los desarrollos más largos que existen sería en una bicicleta de carretera equipada con un plato de 53 dientes y un piñón de 11 que supone un desarrollo de 4,81 o sea, que por cada vuelta de pedal la rueda nos da 4,81 vueltas. Un rendimiento impresionante si somos capaces de aportarle esta fuerza muscular.


2) Energías

La energía: mide la capacidad de uns sitema para producir cambios. La energía se puede transmitir de unos cuerpos a otros, se puede transformar y se conserva. Se mide en Julios. La energía necesaria para elevar un cuerpo de 1 kg a una altura de 1 m es de aproximadamente 10 Julios. La energía interna. El ciclista tiene energía interna almacenada en sus músculos. Esta energía procede de los alimentos y está almacenada en sustancias químicas que al transformarse contraen el músulo realizando trabajo. Los alimentos aportan calorias. Una caloria equivale a 4,18 Julios. Una kilocaloria son 1000 calorias. En dietética se habla de Calorias grandes que equivalen a la kilocaloria.
La energía cinética:
El ciclista al pedalear sumistra energía de movimiento a la bicicleta que se denomina energía cinética. Se calcula multiplicando la masa en kg por el cuadrado de la velocidad en m/s y diviendo por 2. Supongamos que se mueve a 36 km/h que equivale a 10 m/s.

Ec =100.100/2 = 5000 J

La energía potencial: Está es una forma de energía que aumenta cuando subimos a una cierta altura. Al dejarnos caer por una cuesta se transforma la energía potencial en energía cinética. Ocurre lo contrario cuando, impulsados a una cierta velocidad, ascendemos un cuesta. Se calcula multiplicando la masa en kg por la intensidad de la gravedad g y por la altura h. Ep = m.g.h = 100.10.5 = 5000 J.

La energía mecánica: Es la suma de las energías cinéticas y potenciales de un sistema. El ciclista con su bicileta tiene una energía mecanica

E = Ec + Ep = 5000 + 5000 = 10000 J.

Disipación de la energía: Cuando frenamos observamos que debido al rozamiento se produce calor. Tambien con el rozamiento con el aire y en los rodamientos se produce calor. Este calor se transmite al ambiente y es energía que ya no es útil. Decimos que la energía se ha disipado. Cuando nuestro ciclista frena, pierde los 10000 J de energía mecánica que tenía que pasa al ambiente en forma de calor que se dispersa inmediatamente.


3) La dinamo

Se usa para producir corriente eléctrica de forma autonoma y alimentar la bombilla del faro. La dinamo tiene en su interior un imán que gira al acoplarse a la rueda. Este movimiento del imán produce en un enrollamiento de cobre en forma de bobina una corriente elétrica. El fenómeno se conoce como inducción electromagnética. Animacion y video

4) Nuevos materiales

Acero, aluminio y titanio.

Fibra de carbono.

Goma y caucho.

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7 comentarios »

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  1. this is a beatiful page for all the famili .Iam argentina an i like go to cicling with my parents and my relativas bye , bye

  2. uhh bkn esta pagina tien el trabajo hecho!!
    =)

    i love administration! of page!
    =)

  3. Una muy buena explicaciòn gràfica del mecanismo de la bicicleta. Gracias.

  4. OH MY GOD EXCELENT, IS PERFEC

  5. Hola amigo queria hacer una consulta como hiciste esto

    * Velocidad- Distancia en metros que recorre la bicicleta cada segundo.

    ————> v= D x f = 6.1 = 6 m/s que equivale a 22 km/h. <—– eso no me quedo claro como de 6 m/s llegaste a 22 km/h parece que esta mal creo saludos

  6. Hola amigo queria hacer una consulta como hiciste esto

    * Velocidad- Distancia en metros que recorre la bicicleta cada segundo.

    ————> v= D x f = 6.1 = 6 m/s que equivale a 22 km/h. <—– eso no me quedo claro como de 6 m/s llegaste a 22 km/h parece que esta mal creo saludos

    ES SOLO UNA CONVERSION DE PASAR KM/H A M/S —– SOLAMENTE HIZO ESTE PROCEDIMIENTO (22 *1000MTS)/3600 SEGUNDOS = 6.1M/S
    CONVIRTIO UNIDADES 1KM= 1000 MTS
    1 HORA= 3600 SEG

  7. EXPLICACION MUY ENTENDIBLE. ME FUE DE GRAN AYUDA. GRACIAS!!


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