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Física de la bicicleta (II)

Una vez hecha la introducción,..vamos al “tema del apotema”.

Empezamos por un poco de historia. Ya en el S. XV, el genial Leonardo Da Vinci se adelantó 400 años y en su obra “Codex Atlanticus” podemos ver los primeros dibujos que recuerdan a lo que  es la bicicleta actualmente. No será, sin embargo hasta 1880 cuando aparece la primera bicicleta (de ruedas bajas), que tuvo su predecesor en el llamado celerífero de 1790.  Llegando a popularizarse en la Exposición de París de 1889 (la de la Torre Eiffel) donde fue definida como: “el hada mecánica que multiplica los poderes del hombre”.

Boceto de la bicicleta de Leonardo Da Vinci

Boceto de la bicicleta de Leonardo Da Vinci

En el campo de la física y la Ingeniería, la bicicleta tienes mucha cosa que enseñarnos también.  Cada uno de los elementos que tiene (cuadro, marchas, cadena de transmisión, frenos, piñones, ruedas, neumáticos, dinámo,…), pese a su simple apariencia, encierran un montón de geniales ideas de diseño, física, ingeniería e innovación de materiales que convierten a la bicicleta en el vehículo de locomoción más ecológico, sencillo y saludable que conocemos hoy en día.

Intervienen varias fuerzas, como se puede ver en este blog:

  • 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: 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.
  • Fuerzas de una bicicleta

    Fuerzas sobre una bicicleta

    Además de la anteriores, también hay que indicar otras fuerzas:

  • Momento Angular: Nos permite mantener el equilibrio mientras se está rodando. Aparecen cuando sobre un objeto que gira se realiza una fuerza externa. Las ruedas, al girar, poseen un momento angular L, que es un vector cuayo módulo es el producto del momento de inercia de la ruda respecto de su centro I, por la velocidad angular de fitro w. La dirección del momento angular es perpendicular al plano de la rueda.
    Momento Angular

    Momento Angular

  • Fuerzas giroscópicas: facilitan la labor a la hora de tomar una curva. Al aplicar una fuerza externa a un cuerpo que gira,  aparece un momento T:

    Ecuación fundamental de la dinámica de rotación

    L permanece constante si no existe un momento externo. El cambio del momento angular tiene la dirección del momento de la fuerza externa. Esta ley hace que el vector L vaya siempre buscando el vector t. Es el llamado movimiento giroscópico (como cuando gira una peonza):

    Movimiento giroscópico

    Movimiento giroscópico

  • Fuerza  centrífuga: Al realizar un giro, debemos inclinar la bicicleta en el sentido del giro, si no queremos que la fuerza centrífuga nos tumbe al lado contrario del giro.
    Fuerzas sobre la bicicleta de Einstein

    Fuerzas al girar una bicicleta

  • Avance: Es la cualidad de la bicicleta que la ayuda a dirigirse por si sola, facilitando los giros. Se llama “avance” a la distancia entre el punto de apoyo de la rueda delantera con el suelo y el punto donde la prolongación del eje de la dirección corta al suelo.

Si hablamos de leyes físicas, también hay un montón de ellas que intervienen en su funcionamiento:

1) Primera Ley de Newton o Ley de la Inercia: Responsable de que la bicicleta siga rodando cuando dejamos de dar pedales, aunque debido al rozamiento y la fricción irá disminuyendo la velocidad.

2) Segunda Ley de Newton o principio fundamental de la dinámica:  Para una misma fuerza, la aceleración será mayor cuanto menor sea la masa del tándem bicicleta-ciclista. De aquí la búsqueda de materiales ligeros y la disminución del peso de los ciclistas.

3) Tercera Ley de Newton o Principio de Acción-Reacción:  Al pedalear, la fuerza llega a la rueda trasera, que a su vez ejerce sobre el suelo una fuerza de acción. La reacción del suelo es devolver una fuerza sobre la rueda trasera, de igual dirección pero de sentido opuesto. Es decir, siempre hacia delante.

4) Ley de Hooke:

La bicicleta sólo tiene dos puntos de apoyo (los contactos de las dos ruedas con el suelo), que no permite que la bicicleta se tenga en pie por si misma, y hace necesario el tercer punto (pata de cabra) que delimitarán el triángulo y en cuya superficie caerá el vector que representa el peso de la bicicleta

En conclusión,..que la bicicleta, como la mayoría de los objetos, encierran un montón de física y ciencia en su funcionamiento, que daría para escribir muchas páginas.

Os dejo algunos link interesantes con el estudio de estos temas en más profundidad o aplicaciones curiosas:

  • Animación flash de Educared
  • Revista online Autodidacta
  • El ciclótropo: Animacion artesana
  • Revista digital Alhadra
  • Blog Rondandomx
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  • 10 comentarios

    Publicado por en 25/03/2011 en Ciencia, Física

     

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