La bicicleta está encuadrado y regulado jurídicamente a nivel vial, como un medio de transporte provisto de dos ruedas, casi siempre de igual tamaño y dispuestas una delante de la otra. Es impulsada por el pedaleo del tripulante, el cual se transmite a las ruedas mediante un sistema de transmisión. El conjunto se dirige mediante un manillar, sostenido en un cuadro, junto a los restantes elementos, entre los que se incluye el asiento destinado al conductor.
Las primeras bicicletas con pedales, semejantes a las que se utilizan hoy en día, aparecieron durante el siglo XIX, y desde entonces, la bicicleta ha ido incorporando sucesivas mejoras, adaptándose a diversos ámbitos. Los diseños van desde las que son apropiadas para rutas cortas o para circular por terrenos agrestes, hasta las diseñadas para transportar cargas y repartir mercancías, pasando por las bicicletas de velocidad, hechas especialmente para las competencias.
El movimiento de una bicicleta contiene mucha física, y el fundamento de la propulsión de este práctico medio de transporte, se explica plenamente a través de las leyes de Newton.
Fuerzas que actúan sobre la bicicleta
Una bicicleta en reposo, usualmente no se mantiene en equilibrio sobre sus dos ruedas. Para lograr que se mantenga equilibrada, la bicicleta primero debe estar en movimiento, y su conductor debe vencer las fuerzas que se oponen al avance.
Estas fuerzas de oposición se deben mayormente a la interacción con el terreno y al aire, así como los diversos rozamientos entre los engranajes y la deformación de los neumáticos.
El siguiente diagrama de cuerpo libre muestra las principales fuerzas externas que actúan sobre el sistema conformado por el ciclista y su bicicleta, viajando sobre una carretera llana.
Partiendo del esquema, se explica la procedencia de la fuerza impulsora que permite el movimiento hacia adelante, y cómo son las fuerzas que hay que vencer mediante el pedaleo.
1. El peso y cómo incide
El peso es la fuerza que ejerce la Tierra sobre el conjunto ciclista + bicicleta. Se aplica sobre el centro de masas del conjunto, llamado CM en la figura, y se dirige verticalmente hacia el suelo. Como siempre, su magnitud se calcula así:
W = Mg
Donde M es la suma de la masa del ciclista y su bicicleta, y g es el valor de la aceleración de la gravedad.
2. La normal y su cálculo
Es la componente perpendicular de la fuerza de reacción que ejerce la superficie sobre el punto o puntos de apoyo de cada neumático, y está dirigida hacia arriba. Por lo general, la normal sobre cada rueda es diferente, siendo la de mayor magnitud la que actúa sobre la rueda trasera, que soporta la mayor parte del peso del conjunto, alrededor de un 75%.
La resultante de las dos normales equilibra el peso del conjunto:
\({{\vec{N}}_{1}}+{{\vec{N}}_{2}}=~\vec{W}\)
3. La resistencia aplicada en la bicicleta
La fuerza de resistencia se opone al movimiento, y tiene varias contribuciones. Por ejemplo, la masa de aire que rodea al sistema ciclista-bicicleta en estrecho contacto, ejerce una fuerza que se opone a su movimiento, llamada resistencia aerodinámica.
En principio, esta fuerza es proporcional a la superficie expuesta A, tanto de la bicicleta como del ciclista y también a la densidad del aire ρ y al cuadrado de la velocidad v2 del sistema. Así que, a mayor velocidad, más importancia cobra la resistencia aerodinámica para el movimiento.
La magnitud de la resistencia aerodinámica tiene la forma:
\({{F}_{A}}=\frac{1}{2}{{C}_{A}}\rho A{{v}^{2}}\)
El coeficiente CA es una cantidad adimensional que depende de la geometría del conjunto.
Al adoptar la posición de carrera, inclinado completamente sobre el manubrio, el ciclista minimiza la resistencia aerodinámica, al exponer una menor superficie ante el aire. En cambio, si conduce erguido sobre su asiento, la superficie expuesta es mayor, y con ella aumenta la resistencia aerodinámica, pero sin duda, esta postura es más cómoda.
Otra fuente de resistencia o fricción, aunque de menor magnitud, se encuentra en el mecanismo de transmisión, (biela, cadenas, rodamientos), los cuales disipan energía, así como la mayor o menor deformación que sufren los neumáticos al apoyarse en el piso. Cuando los neumáticos están inflados correctamente, la superficie de apoyo se minimiza y la bicicleta alcanza mayor velocidad, pero inflarlos en exceso puede conducir a rupturas.
4. La reacción del suelo
Esta es la fuerza que impulsa a la bicicleta hacia adelante y cuya componente vertical es la normal, ya mencionada.
Ocurre que el sistema de transmisión convierte el pedaleo del ciclista en una fuerza aplicada al eje de la rueda trasera, a través de la cadena y los engranes, haciendo que comience a girar en sentido horario. La rueda tiene una pequeña superficie de contacto con el suelo, debido a que no es completamente rígida, y en su giro, empuja al suelo hacia atrás.
La reacción horizontal del suelo (\({{\vec{F}}_{m}}~\) en la figura), es la fricción estática, puesto que el punto de contacto se encuentra momentáneamente en reposo, y según la tercera ley de Newton, esta componente va dirigida hacia adelante, proporcionando a la bicicleta el impulso necesario para vencer la resistencia y moverse. Sin el roce estático, con una llanta lisa o sobre un suelo resbaladizo, la rueda deslizaría, haciendo imposible el movimiento hacia adelante.
La dinámica de la bicicleta es un poco más compleja de lo que se ha descrito hasta aquí, pero estas fuerzas básicas dan una idea muy acertada acerca de cómo se impulsa este popular y útil vehículo.