Una mirada física al regalo navideño estrella: La bicicleta

Debido a la celebración de la Navidad (o al cumpleaños de Newton para otros), quise escribir un post mucho más simple (en términos de física) y volver a la querida física clásica para relajarnos un poco de tantos neutrinos o bosones que nos han mantenido (justificadamente) atentos a las noticias científicas. Bueno, como costumbre la casa se llena de regalos, en especial para los niños. Y aunque los comerciantes intenten crear el juego más novedoso para vender, el regalo estrella para las navidades es (y me parece a mi que siempre será) la querida bicicleta. Casi todos recordamos con cariño nuestras bicicletas de infancia; asi que me pareció correcto para la ocasión hablar de algo de la física detrás de la querida bicicleta.

Al aprender a andar en bicicleta, lo primero que debemos hacer es chequear que las ruedas se encuentren correctamente infladas. Para esto, el fabricante recomienda una presión para cada bicicleta (~50psi para una Bicicleta de Montaña o ~90psi para una pistera) Debemos recordar que la presión se define como presión = fuerza/área Por lo tanto, una rueda que tenga menor área de contacto con el piso (como la pistera) debe tener una mayor presión para soportar al mismo “jinete”. En el caso de los autos, las ruedas se inflan a menor presión (~28-32 psi) y claramente soportan un mayor peso. Pero no hay que olvidar que el área de contacto con el piso es bastante mayor, por lo que la fuerza que soportan es mayor.

El siguiente paso, es andar sin caerse. En este sentido, los conceptos claves son el momentum angular, el efecto conocido como “efecto giroscopio” y la fuerza centrípeta/centrífuga. Todos estos conceptos, dependen de la velocidad del cuerpo (o de la velocidad de las ruedas, que es básicamente lo mismo). Una mayor velocidad de las ruedas dará mayor estabilidad frente a pequeñas “perturbaciones” en el movimiento de las ruedas, lo que implica mayor estabilidad de la bicicleta en su conjunto. Por otro lado, al caerse lo que ocurre es que uno intentó doblar hacia un lado, pero de manera incorrecta. Al doblar, uno debe torcer el manubrio levemente o inclinar la bicicleta hacia un lado. En ambos casos, el ciclista describe una sección de circulo que es posible describir a partir de la fuerza centrípeta. Si el ciclista insiste en no describir el circulo apropiado para la velocidad que lleva, se caerá inevitablemente. Bueno… todo esto lo hemos aprendido la gran mayoría de nosotros de manera bastante experimental (mis rodillas en la infancia asi lo demostraban)

Luego, viene todo el tema de aprender a usar los cambios. Hay una serie de engranajes de distintos diámetros unidos por una cadena. Lo primero, es la cadena. La cadena cumple el rol clave de mantener las rapideces tangenciales (la rapidez del extremo del disco) de los discos delanteros y traseros iguales (ya que no se estira ni se comprime). Y aqui, el concepto de torque es clave. ¿Que es el torque? Es la magnitud física que hace girar los cuerpos (o detenerlos en el caso de que ya esten girando) y depende de la distancia al eje de giro y la fuerza que aplico en ese punto para hacer que un cuerpo gire. Por eso, cuando queremos abrir una puerta facilmente, aplicamos la fuerza lo más alejado posible de las bisagras (eje de giro) y asi aumentar el torque que nosotros aplicamos. Los pedales es lo mismo. El juego de discos delanteros tienen diametros distintos y para todos los que saben usarlos, saben que para una subida se coloca el de menor diametro adelante y el de mayor diametro atras. Y para ir lo más rápido posible haciendo el menor esfuerzo, la idea es tener el de mayor diametro adelante y el de menor diametro atras. ¿Como se explica esto?.

Si queremos subir, necesitamos que la rueda de atrás haga el mayor torque posible para que ésta gire. Asi que debemos hacer que el disco trasero tenga el mayor diametro posible!. Y como nosotros queremos hacer el menor esfuerzo con nuestros pies para lograr el mismo movimiento tangencial del disco trasero; hacemos que el disco delantero tenga el menor diámetro posible. Asi el torque que le daremos al disco delantero será mínimo, pero haremos que la cadena gire. En el caso de ir lo más rápido posible, el efecto es el contrario. Queremos que el disco de atrás de la mayor cantidad de vueltas para un mínimo de vueltas que demos en el disco delantero. El torque que ejercemos en la rueda de atrás es mínimo (y por eso es más fácil cuando uno ocupa esta modalidad en bajada), pero el suficiente que permita alcanzar altas velocidades con unas pocas vueltas en el disco delantero (nuestros pies)

Bueno… hay bastantes cosas que se pueden entender de física, simplemente mirando nuestros juguetes… sólo tenemos que saber mirar y relacionar con las cosas que en algún momento de la vida aprendimos (o intentamos hacerlo)

Feliz Navidad  (o feliz Janucá o feliz cumpleaños de Newton) a todos

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5 respuestas a Una mirada física al regalo navideño estrella: La bicicleta

  1. Jorge Diaz dijo:

    Interesante artículo Felipe, me hiciste recordar que me costó mucho aprender a andar en bicicleta, en mi barrio se reían porque yo corría con la bicicleta al lado (qué penoso!). Hasta que en El Mundo de Beakman mostraron el concepto de torque y cómo “saber andar en bicicleta no es una habilidad personal sino que confiar en las leyes de la física clásica”.
    Saludos!

  2. Gracias Jorge… quise escribir algo “navideño” solamente; y mi nuevo trabajo tiempo completo de padre de familia y la nueva bicicleta de mi hijo me motivaron…
    Un abrazo!

  3. Típico de un hombre de ciencia, nunca ve las cosas tan simples como parecen jajajaja. En vez de ver una simple bicicleta, pasó por su mente todo ésto jajajaja. No sabes cuanto te entiendo, aunque no soy un hombre de ciencia, también ando viendo siempre esas cosas :).

    Si me permites, agregaré algo. Cuando ambos pedales están en posición vertical, la pierna mas baja no puede realizar momento, mientras que a la que está por encima, le cuesta demasiado (porque la fuerza y el brazo de momento son colineales). Si mal no recuerdo, creo que ese instante se llama “punto muerto”. Es por ello que en las bicicletas de alto rendimiento, generalmente las que se utilizan para correr los Tours, las palancas de los pedales no están alineadas, sino que poseen un ángulo de defasaje, a modo de que en todo instante el ciclista esté realizando un momento.

  4. Es cierto que ver las cosas “simples” de manera “complicada” es algo típico… que bueno saber que no soy al único que le pasa! Lo que mencionas del punto muerto, no lo había escuchado nunca, pero me hace sentido porque en esa posición la pierna debe hacer una fuerza en una dirección menos natural que el clásico movimiento de las piernas (i.e., debes presionar el pedal o doblar el talón) y me hace sentido también que en las bicicletas profesionales esten ambos pedales ligeramente desfasados.

    Que bueno que te haya gustado y espero nos sigas leyendo.
    Suerte,
    Felipe

  5. Quédate tranquilo Felipe, no eres el único jajaja.

    Muchas gracias por leer mi comentario y responderlo. Por supuesto seguiré leyéndolos. Aunque no suelo realizar comentarios, hace un tiempo ya que vengo visitando este blog; me parece genial!! Saludos!

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