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Carbon Bike Wheels Testing to Find the Fastest Ones (Reproduce from Hambini)

Carbon Bike Wheels Testing to Find the Fastest Ones (Reproduce from Hambini)

Precursor - Los críticos y los interesados

He añadido esta sección al principio de esta entrada del blog. El método que utiliza esta prueba se llama estado transitorio y se utiliza cuando la aerodinámica cambia constantemente. Esto es difícil de explicar en detalle en una entrada de blog por lo que he vinculado a un video de youtube (Si no puede abrir el vídeo a continuación, por favor consulte el enlace https://youtu.be/lwrCrU4KG-I ).

La parte importante del vídeo está a 10m20 y muestra la diferencia entre el flujo de aire que existe en el mundo real, el flujo de aire que los fabricantes prueban y una prueba transitoria (turbulenta). El flujo que se genera en un túnel de viento de estado estacionario rara vez se produce en la vida real y está al límite de lo aceptable para un velódromo.


Ten en cuenta que muchas empresas de ruedas utilizan a los usuarios de foros de internet como método para vender subversivamente una realidad que no existe bajo la premisa de un ahorro de energía imposible. NO VENDO RUEDAS POR LO QUE NO TENGO INTERESES VINCULADOS y me mantengo imparcial.


En resumen, las empresas de ruedas están exagerando su ahorro de potencia y realizando pruebas con métodos INADECUADOS PARA EL USO EN CARRETERA. Si te dicen lo contrario, están mintiendo categóricamente y estaría más que feliz de demostrarlo en un tribunal de justicia.

Introducción

En cuanto a la resistencia causada por un ciclista, la mayor pérdida la provoca el propio ciclista, seguido de las ruedas y el cuadro.


La resistencia causada por las ruedas es significativa por dos razones fundamentales. La primera es que golpean el aire en primer lugar porque son la parte más adelantada de la bicicleta y la segunda porque están girando. La velocidad efectiva del aire en la parte superior de una rueda/neumático es el doble de la velocidad indicada de la bicicleta.


En la industria de la bicicleta, las pruebas aerodinámicas de las ruedas han sido realizadas generalmente por dos grupos de personas: los fabricantes de ruedas y los periodistas. Los fabricantes de ruedas suelen ajustar las pruebas para que sus ruedas particulares parezcan más favorables que las de sus competidores en las pruebas. Esto se consigue normalmente mediante una combinación de ajuste de velocidades y ángulos. La realidad es que este tipo de pruebas no son imparciales.

Los periodistas, por su parte, tienden a acudir a la universidad local y pedir a algún listo que realice las pruebas por ellos y les facilite los resultados, o van al velódromo local, realizan una velocidad y comprueban cuánta potencia consumen las ruedas.


Ambas metodologías de prueba no son representativas del mundo real. Una analogía comparativa sería el consumo de combustible de un coche que circula por una superficie de cristal perfectamente lisa, sin viento y sin cambios de velocidad: es totalmente irreal.


Las pruebas realizadas suelen ser en estado estacionario. Un análisis en estado estacionario supone que las ruedas, la moto y el ciclista se encuentran en un entorno agradable en el que el aire incide sobre ellos a una velocidad y un ángulo perfectos. A continuación, se registra la resistencia aerodinámica.

En el mundo real, muy pocos motoristas son capaces de mantener una velocidad de 50 km/h durante un periodo de tiempo prolongado, simplemente porque no están en forma. La realidad es que, en carretera abierta, el viento no entra desde un ángulo perfecto, su velocidad cambia y elementos como el mobiliario urbano (setos, bordillos, coches que pasan, balanceo del piloto de izquierda a derecha) alteran el flujo de aire sobre el piloto. La modelización de este tipo de situaciones se denomina análisis transitorio. Técnicamente es más difícil llevar a cabo un análisis transitorio tanto en CFD como en un túnel de viento. La mayoría de los túneles de viento no están preparados para realizar análisis transitorios.


Los fabricantes de ruedas utilizan ahora un análisis ponderado de los ángulos de guiñada y las velocidades para dar una clasificación general a sus ruedas. Ten en cuenta que pueden ajustar la ponderación para que sus ruedas parezcan mejores.


Un método de análisis superior es realizar un análisis transitorio en un túnel de viento. Esto requiere un túnel de viento con rejillas horizontales y verticales para añadir remolino al aire antes de que golpee la bicicleta y el piloto. Esto permite una estimación mucho más realista de la resistencia aerodinámica, ya que simula las condiciones de la carretera.


Orientaciones generales

Ángulos de guiñada
Los fabricantes de ruedas afirman que sus ruedas tienen una resistencia fantástica a distintos ángulos de guiñada. La eficacia de su marketing es notable, ya que muchos usuarios de Internet también lo creen.


Debido a las leyes de la física, para un ciclista medio, el ángulo de guiñada máximo antes de que se produzca una separación completa es de unos 12 grados. Una sección transversal más roma (toroidal) podría llegar a 15, pero ese es realmente el límite. Este límite de separación se ve afectado por una variable conocida como número de Reynolds (una combinación de velocidad, densidad, perfil de la forma y viscosidad).


El diseño aerodinámico es siempre un compromiso, aumentar el punto de separación en ángulos de guiñada altos siempre tendrá un impacto negativo en la resistencia aerodinámica en ángulos de guiñada muy bajos (<5 grados).


En repetidas pruebas, las ruedas con muy buen rendimiento transitorio funcionan mejor para el ciclista medio.

Neumáticos
Esta orientación es uniforme en todos los ámbitos. Es de vital importancia instalar neumáticos ligeramente más estrechos o alineados con la pista de frenado de la llanta. Un neumático abombado afectará significativamente a la resistencia aerodinámica.


Últimamente se tiende a montar neumáticos más anchos en las bicicletas. Desde una perspectiva aerodinámica, la anchura del neumático trasero tiene poco efecto, pero la anchura del neumático delantero tiene mucho más impacto y, por lo tanto, se recomienda un neumático delantero de 23 mm, independientemente de si la rueda fue diseñada para neumáticos de 25 mm. A velocidades superiores a 30 km/h, es más beneficioso tener neumáticos de 23 mm que neumáticos delanteros de 25 mm por el beneficio aerodinámico.

 

Protocolo de pruebas

El protocolo de pruebas es fruto del "trabajo de fin de semana" de un grupo de ingenieros aeroespaciales de Bristol (Inglaterra). El protocolo de pruebas es muy diferente de las pruebas de los fabricantes. Es fundamentalmente imparcial e imita las condiciones de conducción del mundo real en el sentido de que modela el movimiento transitorio del aire. Se hace hincapié en las ruedas que gestionan eficazmente la separación y reconexión del flujo de aire, y muy poco en el hecho de conducir una bicicleta con el viento de cara a cero grados de guiñada, algo que no es realista, así que para qué molestarse en probarlo. El túnel de viento utilizado tenía la temperatura y la humedad controladas.


El siguiente gráfico muestra un ejemplo de un recorrido en el que un ciclista circulaba por una carretera recta a una velocidad casi constante. Es evidente que ni la velocidad del aire ni el ángulo de guiñada eran constantes.

Las bases reales de este protocolo se basan en dos subconjuntos de ciclistas de la zona de Bristol (Reino Unido). Se trata de buenos ciclistas de club, con una media de 30 km/h, y de contrarrelojistas, con una media de 50 km/h. Durante 6 meses se registraron los datos de sus salidas en términos de ángulos de guiñada efectivos, velocidad y distribución de la presión atmosférica. Estos datos se evaluaron, agregaron y adaptaron a un protocolo adecuado para un túnel de viento. El método de transformación consistió en analizar estadísticamente las condiciones de la carretera, aplicar una transformación rápida de Fourier a los datos y realizar algunas simulaciones de prueba para su validación. A continuación se muestran los dos protocolos discretos.

LOS GRÁFICOS NO REPRESENTAN UN CICLO DE CONDUCCIÓN, SINO QUE INDICAN LOS PARÁMETROS CON LOS QUE SE PROBARON LAS RUEDAS. Los túneles de viento tienen limitaciones y parte del ejercicio de recopilación de datos consiste en validarlos a medida que se procesan. Rectificar los errores a posteriori resulta caro y lleva mucho tiempo. Para reproducir las condiciones transitorias, la velocidad o el ángulo de las pulsaciones son aceptables. Las pruebas de rampa se utilizaron para validar una frente a la otra para cada juego de ruedas.

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A través de la investigación se descubrió que las microcorrecciones de los pilotos y la naturaleza algo aleatoria de la velocidad del viento y la desviación del ángulo de guiñada producían una respuesta transitoria de la combinación de moto y piloto. Esto era mucho peor en las ruedas cuando giraban hacia una corriente de aire en sentido contrario. En efecto, un piloto que circula en línea perfectamente recta en dirección contraria al viento genera turbulencias, rebufos y aleteos al balancearse la moto de un lado a otro. Lo que se consideraría un ángulo de guiñada de cero grados en un análisis en estado estacionario se comporta más bien como 5-6 grados cuando se tienen en cuenta los efectos transitorios.

Este protocolo imita la naturaleza de las sacudidas del piloto en la configuración de la corriente de aire y produce un valor de resistencia media global en función del tiempo y, en consecuencia, de la potencia media. Está diseñado para eliminar las ruedas que tienen un rendimiento transitorio deficiente. Las líneas de los protocolos se muestran para completar, no significan que este protocolo favorezca las condiciones de viento.

Arrastre transitorio frente a estado estacionario

El concepto de los efectos transitorios de la resistencia aerodinámica es bien conocido en aplicaciones aeroespaciales de baja velocidad, como los drones militares de reconocimiento. Este concepto transitorio no se ha aplicado a los productos relacionados con las bicicletas a pesar de la enorme sensibilidad de los vectores de velocidad implicados. A modo de ejemplo, la velocidad del viento transversal en una bicicleta a menudo supera la velocidad de avance (Ratio > 1). Si se compara con la de un coche, la relación entre el viento de frente y el viento transversal sería de 0,25 a la velocidad de crucero habitual de 100 km/h.

Un obstáculo importante al intentar medir con precisión la resistencia aerodinámica de una bicicleta y un ciclista es la discontinuidad del cuerpo. Hay grandes zonas sin cuerpo sólido (por ejemplo, de la llanta al buje, los triángulos de los tubos del cuadro, los espacios libres entre los neumáticos y el cuadro). Esto provoca una separación inevitable entre la corriente libre y la superficie de la carrocería, lo que se traduce en un golpeteo aerodinámico o en efectos aeroelásticos (flameo). Esto hace que el flujo tarde mucho tiempo en estabilizarse e, inevitablemente, en ese tiempo, otra variable ha cambiado y el proceso se repite.

Para ilustrar el impacto de la resistencia transitoria, el siguiente gráfico muestra el ángulo de guiñada que se incrementa en entradas escalonadas en 2 grados cada 10 segundos (se muestran las etiquetas de datos). Se representa en función de la fuerza de resistencia en estado estacionario y en estado transitorio.

La línea de estado estacionario muestra el rendimiento de arrastre del juego de ruedas cuando se permite que las lecturas se asienten y luego se anotan.

Las líneas transitorias son más representativas de la vida real. En el caso de esta adquisición de datos, se estableció un ángulo de guiñada de referencia y se superpusieron 2,5 deg/s de movimiento. Al introducir la oscilación, se produjo un aumento inmediato de la resistencia en ambos conjuntos de ruedas. A los 4 grados de guiñada, se observó una diferencia notable entre las ruedas Reynolds y las FLO. Las ruedas Reynolds fueron capaces de hacer frente a la inestabilidad y las sacudidas mucho mejor que las ruedas FLO. Más allá de los 12 grados, ninguna de las ruedas pudo contener eficazmente las sacudidas y se produjo la separación total.

En casi todos los casos, la resistencia en el mundo real es mucho mayor que en un escenario de estado estacionario. Es especialmente prevalente en las ruedas porque están girando y la velocidad neta en la parte superior de las ruedas es el doble de la velocidad de avance.

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Tiempo de permanencia en distintos ángulos de guiñada

Aunque el objetivo principal de este estudio era establecer un protocolo de túnel de viento para representar el análisis de carreteras. Algunos de los datos recogidos podrían utilizarse para cálculos genéricos.

La instrumentación utilizada para el análisis de la carretera tenía una frecuencia de muestreo de 1024 veces por segundo. Combinando este nivel de precisión con protocolos de filtrado estándar, fue posible determinar el ángulo de guiñada efectivo de la moto y el piloto. Al reducir la resolución, los datos se convirtieron a un formato que se ajusta a los departamentos de marketing de los fabricantes de ruedas para el ángulo de guiñada frente al tiempo en ese ángulo. Al hacerlo, se redujo la precisión de los resultados, pero se ha mostrado a efectos comparativos.

Cabe señalar que los datos transitorios reflejaban mejor el tiempo real en un ángulo, ya que tenían en cuenta las microcorrecciones de la dirección del piloto y las correcciones instantáneas de la velocidad del viento. El filtrado del estado estacionario mediante la reducción de la frecuencia de muestreo eliminó la inestabilidad. En resumen, la respuesta de resistencia frente a la tasa de cambio del ángulo de guiñada predice mejor la respuesta en una corriente libre en ángulos inferiores al punto de separación de la sección.

Cuando se considera una combinación completa de moto y piloto, el efecto de las ruedas es comparativamente pequeño comparado con la resistencia causada por el piloto, por lo que la naturaleza transitoria de la resistencia de las ruedas disminuye. La resistencia del piloto es, con mucho, la parte dominante del sistema. Los efectos de la respuesta transitoria disminuyen a medida que aumenta la relación entre la velocidad de avance y la del remolino (viento transversal). Así, cuanto más rápido vaya el piloto, menor será el efecto del comportamiento transitorio.

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Efecto de la anchura del neumático en el rendimiento aerodinámico

En los últimos años se ha observado una tendencia general hacia la utilización de neumáticos más anchos en el sector de la bicicleta. Esta tendencia ha sido impulsada en gran medida por los fabricantes de neumáticos y ruedas, que se inclinan por los diseños sin cámara, bajo la premisa de que un neumático más ancho ofrece menor resistencia a la rodadura. Aunque los efectos de la resistencia a la rodadura y de una superficie de contacto más favorable están bien documentados, el efecto sobre la resistencia aerodinámica ha sido discutido. Algunos fabricantes de ruedas han afirmado que sus ruedas eran más aerodinámicas con neumáticos más anchos. Para que esta afirmación fuera válida, las ruedas habrían necesitado un coeficiente combinado de resistencia aerodinámica más bajo para superar el aumento del área frontal.

Los gráficos siguientes muestran la comparación entre dos ruedas, una Shimano C60 de cuerpo estrecho y una Enve 7.8 de cuerpo más ancho. Es evidente que un neumático abombado (25 mm en una llanta Shimano C60) tiene un impacto significativo en la resistencia aerodinámica, especialmente a altas velocidades. Por el contrario, el efecto en la rueda Enve de cuerpo más ancho fue mucho menos dramático. En ambos casos, un neumático estrecho redujo la resistencia. Los neumáticos continentales tendían a medir un poco más que su anchura declarada cuando estaban montados.

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Interpretación de los datos

Estos datos deben interpretarse como las cifras de consumo de combustible de un coche. Están diseñados para dar una indicación típica de cuánta potencia se absorbe a lo largo de TODO un circuito a una velocidad determinada. Es importante tener en cuenta que las ruedas que son rápidas a 50 km/h no son necesariamente las más rápidas a 30 km/h.

  • El ERROR EXPERIMENTAL MÁXIMO se ha calculado en +/- 2,5%; para mantener la coherencia, se ha representado el valor medio de cada intervalo.
  • Las profundidades de las llantas se han dividido en clases para facilitar la comparación; es posible que no coincidan con el tamaño indicado por el proveedor.
  • La potencia nominal en un análisis transitorio es mucho peor que en un análisis en estado estacionario.
  • Los comentarios se indican para cualquier cosa digna de mención
  • La posición del piloto estaba dentro de +/-10mm para cada carrera, esto fue respaldado con un rastrillo de presión montado al revés para eliminar cualquier dato espurio. Ha habido comentarios que sugieren que un ciclista no puede mantener una posición fija durante todo el ciclo, pero el protocolo no se lo exige y la comprobación de errores está incorporada. Aunque no es habitual en el sector del ciclismo, la eliminación de la resistencia de los apéndices es habitual en la industria aeroespacial, por lo que se aplicó la misma técnica.
  • El neumático de control fue un par de Continental GP4000SII 23mm con una presión de 8.25BarG, hay un par de combinaciones de rueda y neumático que están resaltadas en amarillo mostrando una variación del neumático de control, estas han sido incluidas como referencia.
  • Se incluye la resistencia rotacional necesaria para hacer girar la rueda (la mayoría de los fabricantes no incluyen esta cifra, que se sitúa en torno al 25-30%, con la notable excepción de Swiss Side).
  • La posición de conducción (capotas relajadas) no ha cambiado independientemente de la velocidad. En realidad, las altas velocidades requerirían una posición de conducción diferente, pero hacerlo habría invalidado la prueba.

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¿Quién realiza las pruebas en condiciones transitorias?

Hasta la fecha, la única empresa que ha confirmado que comprueba e incluye las turbulencias (condiciones transitorias) en sus diseños es SwissSide. Jean-Paul Ballade, de SwissSide, lo comentó en el vídeo de Youtube que se muestra más arriba.

Aunque no está confirmado, hay ciertas características en las ruedas Mavic que sugieren que diseñan o prueban en condiciones turbulentas.

Conclusiones

Durante mucho tiempo se ha alimentado a los pilotos con una dieta de ruedas probadas a 50 km/h. Esta velocidad es inadecuada para la gran mayoría de los pilotos, ya que no pueden mantener la potencia necesaria para esa velocidad. Existe la idea generalizada de que la mayoría de los pilotos ruedan con ángulos de guiñada inferiores a 10 grados. Aunque esta afirmación puede ser válida si se circula a 50 km/h, a velocidades más modestas esto no ocurre. Tanto a 50 km/h como a 30 km/h, el efecto de las microcorrecciones de la dirección, las turbulencias del propio viento y los objetos externos provocan un flujo turbulento inestable sobre las ruedas. Este fenómeno hace que aumente el ángulo de guiñada efectivo que experimentan las ruedas.

  • Las ruedas que funcionaron bien se resistieron notablemente a generar zonas de turbulencia
  • Las ruedas con buen rendimiento mitigan bastante bien las turbulencias generadas.
  • Las ruedas con buen rendimiento presentan una resistencia rotacional menor que las de la competencia.
  • Las ruedas con una llanta de mayor sección suelen ser más aerodinámicas que las de menor sección.
  • La diferencia entre ruedas de profundidad similar es muy pequeña y sería difícil que un ser humano pudiera detectarla durante la conducción.
  • La diferencia entre una rueda de perfil bajo y una rueda profunda sería captada por un humano montando.
  • Las ruedas FLO para ciclismo y Hunt funcionaron mal, parecen haber sido diseñadas por personas con un conocimiento limitado de la aerodinámica de los objetos en rotación. Como tales, generaban una separación innecesaria y no podían gestionar el flujo de aire separado.
  • El disco Aerocoach y la rueda delantera de 75 mm de sección profunda mostraron resultados bastante interesantes. Esta rueda era esencialmente una rueda de aluminio con un clip en el carenado. A velocidades bajas y moderadas, la rueda funcionaba razonablemente, pero a medida que se aumentaba la velocidad la rueda empezaba a funcionar de forma bastante errática. La construcción de la rueda delantera es agrícola y existen grandes huecos entre los radios y el carenado no estructural. Estos huecos generaban perturbaciones de presión y hacían que el flujo se comportara de forma errática. A medida que aumentaba la velocidad, su rendimiento era bastante pobre en comparación con la competencia inmediata y esto se debía principalmente al mal diseño de la rueda delantera. A continuación se muestra una imagen del problema12

Si está pensando en utilizar los datos de este artículo para influir en su decisión de compra, hágalo con precaución. No se miden algunos aspectos de las ruedas, como la calidad general de fabricación, el rendimiento de frenado, los bujes y la facilidad de mantenimiento. Estos factores deben tenerse en cuenta en consecuencia.

(Comprobación del post original en : https://www.hambini.com/testing-to-find-the-fastest-bicycle-wheels/)

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