La bicicleta en la ciencia

Por Maya Flores, Licenciada en Actividad Física, Macleta.

No paramos de sorprendernos de todos los beneficios que el uso de la bicicleta trae a nuestra vidas, lo que pasa con nosotras y nuestro cuerpo cuando estamos andando en bicicleta, está siempre en proceso de aprendizaje. Desde ese punto de vista con un poco de curiosidad quise saber qué pasa con la máquina misma, con la bicicleta. Cómo funciona en detalle y dónde se combina con el trabajo físico que hacemos, cómo se describe científicamente el resultado maravilloso de aquella combinación. Me encontré con interesantes artículos y extraje de ellos algunos conceptos que considero útiles e interesantes como aporte a nuestro deslizamiento diario.

En la Termodinámica el principio de Conservación de la Energía, cuya validez es universal, rige tanto en el mundo inanimado de las máquinas como en el de los seres vivos y establece que: “La energía total de un sistema aislado se conserva. La energía total puede cambiar de forma pero su suma total permanece constante”. Dicho en otras palabras: Si una de las formas de la energía del sistema aislado considerado aumenta es a costa de que algunas otras formas disminuyan en la misma cantidad y viceversa.

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A nivel macroscópico, los físicos admiten diversas formas de la energía, entre ellas las denominadas cinética, potencial gravitatoria, potencial elástica, química y calorífica. Los procesos de cambio en el mundo macroscópico, y entre ellos los resultantes de la actividad física y deportiva, pueden considerarse como una transformación de unas modalidades de energía a otras.

En el ciclismo, como en cualquier otra actividad física, la energía química almacenada en el glucógeno del hígado y en las grasas puede transformarse en otras modalidades: cinética, potencial gravitatoria y calorífica. Estas transformaciones ocurren de modo análogo al proceso en que la energía química del combustible de un vehículo a motor puede convertirse en cualquiera de las otras modalidades.

La energía cinética se debe al hecho de que el cuerpo considerado tiene una velocidad.

El valor de la energía potencial gravitatoria, Ep, está determinado por la masa del cuerpo, la aceleración de la gravedad y la altura a la que se encuentra el objeto respecto a un nivel arbitrario tomado como referencia, por lo que su valor nunca es único.
El calor tiene en cuenta aquella parte de la energía que no es posible recuperar para el propósito fundamental de la actividad física y deportiva que es aumentar las marcas y logros. En el caso concreto del ciclismo parte de la energía cinética del sistema bicicleta-ciclista se convierte en calor por el rozamiento con el aire o de unas piezas con otras en los mecanismos de la bicicleta. Esta conversión en calor es inútil para el propósito planteado, como lo sería para un proceso dentro de cualquier otra máquina.

Las transformaciones energéticas están regidas no sólo por el Principio de Conservación de la Energía o Primer Principio de la Termodinámica sino también por el Principio de la Entropía o segundo Principio de la Termodinámica . Este Segundo Principio establece la imposibilidad de hacer una conversión total de energía calorífica a energía mecánica (siempre hay una parte de la energía que se desaprovecha) y establece los límites de la energía útil.

El cociente entre la energía útil obtenida y la energía inicial se denomina rendimiento o eficiencia mecánica . El organismo humano como cualquier otra máquina térmica tiene un rendimiento comprendido, aproximadamente, en el intervalo del 20 al 30 por ciento, dependiendo del entrenamiento. Quiere esto decir que de cada 100 Julios de energía almacenada en forma química, en el glucógeno o las grasas de la persona, sólo se aprovecha para obtener rendimiento físico una cantidad comprendida entre 20 y 30 Julios; el resto, una cantidad entre 80 y 70 Julios respectivamente, se desaprovecha en forma de calor. El organismo humano como cualquier otra máquina térmica es enormemente ineficiente y el entrenamiento puede conseguir mejoras significativas, pero en modo alguno puede ir en contra de los límites establecidos por el Segundo Principio de la Termodinámica.

Para la Física e ingeniería, la bicicleta es considerada en el lenguaje técnico, como una “máquina compuesta” y ello a pesar de su aparente sencillez. Como toda “máquina compuesta”, la bicicleta está formada por otras mucho más sencillas denominadas “máquinas simples” que se definen como dispositivos mecánicos que cambian la magnitud o la dirección de la fuerza aplicada. Entre las máquinas simples se encuentran la polea y la palanca (Bueche, 1983; Cromer, 1992).

Una polea es un dispositivo mecánico de tracción, que sirve para transmitir una fuerza. Además, formando conjuntos —aparejos o polipastos— sirve para reducir la magnitud de la fuerza necesaria para mover un peso.

Según definición de Hatón de la Goupillière, «la polea es el punto de apoyo de una cuerda que moviéndose se arrolla sobre ella sin dar una vuelta completa», actuando en uno de sus extremos la resistencia y en otro la potencia.

La palanca tiene como función transmitir una fuerza y un desplazamiento. Está compuesta por una barra rígida que puede girar libremente alrededor de un punto de apoyo llamado fulcro. Puede utilizarse para amplificar la fuerza mecánica que se aplica a un objeto, para incrementar su velocidad o la distancia recorrida, en respuesta a la aplicación de una fuerza.

La rueda dentada que conforma los platos y piñones de la bicicleta es esencialmente una polea. De forma análoga el pedal es una palanca. La aplicación de las leyes de la Cinemática, rama de la Física que estudia las leyes del movimiento de los cuerpos, al conjunto formado por platos, piñones, pedal, ruedas y cadena permite obtener un conjunto de ecuaciones o fórmulas sencillas que posibilitan el cálculo de los parámetros de interés para el ciclismo como son la multiplicación, el desarrollo métrico y la velocidad.
La multiplicación, referida a las velocidades obtenidas de la combinación de los platos y el piñón determinados entre todos los posibles de una bicicleta.

El desarrollo métrico o simplemente desarrollo, para un determinado conjunto fijo de plato, piñón y rueda trasera a la distancia recorrida por la bicicleta en cada pedalada.

La velocidad obtenida va a variar en consecuencia por la combinación entre platos y piñón o uso de los cambios o marchas determinado a su vez por la pendiente a la que nos enfrentemos.

Con estos conceptos básicos y simples podemos comprender cómo nuestro organismo actúa al igual que la bicicleta transformando unas energías en otras para conseguir el genial resultado del desplazamiento en bicicleta y sus variedades deportivas. Pero lo más impactante es que todo el sentido de este mecanismo está en que se mueve con nuestra propia energía, la que obtenemos de la naturaleza todos los días y que todos los días transformamos.