El área de arrastre CdA en ciclismo en pista: definición, protocolos de estimación validados e impacto sobre la persecución individual

Cuando se rueda en llano a velocidades superiores a unos 14 m/s, la resistencia aerodinámica es la fuerza resistiva más importante y absorbe en torno al 90 % de la potencia mecánica total¹. En pruebas de pista de élite, disputadas por encima de 50 km/h, más del 90 % de las fuerzas resistivas son de origen aerodinámico². En la persecución individual (IP, individual pursuit), donde no hay rebufo y la velocidad es prácticamente constante, el CdA es por tanto un determinante de primer orden de la marca.

Definición del área de arrastre

El CdA es el producto del coeficiente de arrastre adimensional (Cd) por el área frontal proyectada (A, en m²) y representa el área efectiva de arrastre del sistema ciclista-bicicleta¹. No es una propiedad fija del deportista: depende de la posición, del casco, del textil, del manillar y de la bicicleta. Como referencia, en ciclistas profesionales en posición de contrarreloj se han medido valores de 0,240 m² en túnel de viento y de 0,237 m² en velódromo³, y en otra muestra de ciclistas, 0,261 m² en túnel y 0,258 m² en campo⁴. Los valores de persecución de élite, con posiciones más extremas, son menores, pero no se dispone de una serie publicada verificada que permita fijar un intervalo de referencia.

Formulación física y dependencia cúbica con la velocidad

F = ½ · ρ · CdA · v²        P = F · v = ½ · ρ · CdA · v³

donde F es la fuerza de arrastre (N), P la potencia aerodinámica (W), ρ la densidad del aire (kg·m⁻³) y v la velocidad relativa al aire (m·s⁻¹). La potencia crece con el cubo de la velocidad: duplicar la velocidad multiplica por ocho la potencia aerodinámica. A la inversa, a una velocidad dada, la potencia ahorrada es proporcional a la reducción del CdA. En el estudio de García-López et al.³, pequeños cambios de posición (bajar el manillar o adelantar los apoyos entre 2 y 5 cm) redujeron el CdA en 0,011 m² (4,6 %). A 55 km/h y con ρ = 1,18 kg·m⁻³, esa reducción equivale, por aritmética directa, a unos 23 W.

Sensibilidad del tiempo en la persecución de 4 km

Para estimar cuánto vale cada milésima de CdA se resolvió la ecuación de equilibrio de potencias a velocidad constante, con supuestos tomados del modelo de persecución de Underwood y Jermy⁵: pérdida del 2 % en la transmisión y coeficientes de rodadura de 0,001 para neumáticos y de 0,001 para rodamientos (Crr total 0,002). El resto son hipótesis de cálculo: potencia media de 450 W, masa del conjunto de 85 kg y ρ = 1,18 kg·m⁻³. El cálculo omite la salida parada y el efecto de las curvas, por lo que los tiempos absolutos son optimistas; la magnitud de interés es la diferencia entre valores de CdA.

Con estos supuestos, cada reducción de 0,010 m² en el CdA ahorra entre 4,3 y 4,6 s en 4 km, es decir, algo más de 1 s por cada 0,0025 m². Como orden de magnitud real, Broker et al.⁶ estimaron que el récord de 4 km de 1996 (4 min 11,114 s) requirió una potencia media próxima a 520 W con una posición extremadamente aerodinámica, y concluyeron que batirlo con posiciones menos aerodinámicas exigiría potencias extraordinariamente altas.

Protocolos de estimación sin túnel de viento

La revisión de Debraux et al.¹ concluye que la mayoría de los métodos de campo son económicos, requieren poco material y ofrecen resultados válidos respecto al túnel de viento, que sigue siendo la referencia. Los más utilizados en velódromo son los siguientes.

Método de desaceleración (coast-down)

El ciclista alcanza una velocidad estable y deja de aplicar potencia; el perfil de desaceleración se ajusta a un modelo dinámico unidimensional que contiene el arrastre aerodinámico y la rodadura, del que se despejan CdA y Crr. Dado que el arrastre varía a lo largo de la pedalada, los protocolos más representativos piden al ciclista que siga girando las piernas sin aplicar fuerza⁷.

Regresión a potencia y velocidad constantes

El ciclista mantiene potencia y velocidad constantes a varias velocidades distintas; la relación entre potencia medida y velocidad permite obtener CdA y Crr por regresión lineal si se conoce la densidad del aire. Crouch et al.⁷ advierten que este método no puede aplicarse en pista sin modificaciones, por las fuerzas normales que inducen las curvas. En velódromo, García-López et al.³ validaron protocolos incrementales y de estado estable con potenciómetro portátil: el CdA de velódromo se correlacionó con el de túnel (r = 0,88), lo subestimó ligeramente (0,0035 m² en promedio, diferencia que disminuía al aumentar la velocidad), mostró alta fiabilidad (r = 0,99 en estado estable) y detectó cambios de posición de 0,011 m². Martin et al.⁴ tampoco hallaron diferencias entre el CdA obtenido en campo y en túnel.

Método de la elevación virtual

Este procedimiento reconstruye un perfil de elevación a partir de potencia y velocidad; el CdA correcto es el que hace coherente ese perfil con el recorrido real. Su versión en velódromo ha sido contrastada con el túnel de viento en un estudio de caso con un paraciclista de élite: el coeficiente de variación fue del 0,7–0,9 % en túnel y del 2–3 % con elevación virtual, ambos métodos mostraron una precisión elevada, aunque sus valores absolutos no fueron idénticos, y los autores lo proponen como técnica adecuada para evaluar el arrastre aerodinámico en ese contexto⁸.

Comparación a potencia constante y sensores en la bicicleta

Si un mismo ciclista rueda en dos configuraciones a igual potencia y en las mismas condiciones, la ecuación de equilibrio indica que el cociente de CdA es aproximadamente el inverso del cociente de los cubos de las velocidades, lo que permite comparar configuraciones aunque no proporcione el valor absoluto. Una alternativa reciente son los sensores de presión dinámica tipo tubo de Pitot montados en la bicicleta: en ciclistas de pista de élite, uno de estos dispositivos mostró coeficientes de variación del 0,47 % dentro de un mismo esfuerzo y del 0,9 % entre esfuerzos, y detectó cambios de arrastre de 0,002 m² (1,2 %) en velódromo².

Distribución del arrastre entre segmentos y material

Las simulaciones CFD recopiladas por Crouch et al.⁷ reparten el arrastre de un ciclista en posición de contrarreloj, con bicicleta incluida, del siguiente modo: cabeza 14–17 %, brazos 23–31 %, tronco 23–32 %, cada pierna 11–23 % y bicicleta 17–20 %, según la posición de las bielas (Figura 2). El cuerpo del ciclista concentra, por tanto, en torno a cuatro quintas partes del arrastre, lo que justifica priorizar la posición del tronco, los brazos y la cabeza, junto con el casco y el textil, frente al cuadro y las ruedas.

La inclinación en las curvas peraltadas

En el velódromo el ciclista recorre las curvas inclinado hacia el interior. El ángulo de inclinación del centro de masas respecto a la vertical responde a ψ = arctan(v² / (R · g)), donde R es el radio de curvatura; como el centro de masas describe un radio menor que el de las ruedas, su velocidad es también menor⁵. A modo de ejemplo aritmético, con v = 15,5 m·s⁻¹ y un radio hipotético de 25 m, la inclinación sería de unos 44°. Underwood y Jermy⁵ incorporaron este efecto, junto con la posición real del ciclista sobre la pista y los datos de potencia registrados, en un modelo de persecución por integración hacia delante. Aplicado a una persecución de 3 km de una ciclista de élite, el modelo predijo el tiempo final con un error inferior al 3 % (subestimación del 2,5 %), y los autores subrayaron que su precisión depende en gran medida del CdA introducido. Este resultado refuerza la necesidad de medir el CdA en condiciones de pista antes de utilizarlo para planificar el ritmo.

AthletePro Velometrics es la herramienta de AthletePro orientada al ciclismo en pista, y AthletePro Super Record permite trasladar un CdA medido a planes de ritmo y estimaciones de tiempo en carretera.