Las velocidades, cambios, relaciones o desarrollos de las bicicletas, como solemos llamarlos indistintamente, pero que que no significan exactamente lo mismo, sirven para pedalear a un ritmo cómodo y sostenible de acuerdo a la velocidad a la que circulamos, y a su vez, facilitarnos avanzar por terrenos empinados. Las llamamos velocidades por conveniencia y costumbre, así se comercializan: “bicicleta con velocidades”. Es importante entender el tema y conocer la terminología, porque luego leemos desarrollo largo o corto, alta o baja y nos quedamos igual.
Es conveniente comprenderlo muy bien para saber de que nos hablan y luego sacar el mejor provecho a nuestra bicicleta cuando tiene cambios, sobre todo si queremos mejorar técnicamente. Todavía más, si comprendemos la parte mecánica de este conjunto biomecánico del cual somos el motor, sabremos cuando es mejor usar un plato 34 en lugar de un 32 en una transmisión 1×12 en montaña o porqué una transmisión compact no nos permitirá ir tan rápido en plano, o cuando elegir un cassete con 28 o 32 dientes en el piñón mayor —los engranes de sistema de cadena se llaman piñones— y porqué en ruta en los desarollos largos es conveniente tener piñones con saltos pequeños en el número de dientes.
Aunque las llamamos velocidades como las de los automotores, sería mejor decir cambios, funcionan parecido pero no igual. Demos un rodeo por el tema automotriz que nos servirá para nuestro asunto. En los vehículos con motor de combustión interna —en los eléctricos no pasa— éste trabaja a ciertas revoluciones que no se pueden exceder porque reventaría mientras que a bajas revoluciones no será capaz de generar el torque para mover el vehículo, por eso existe la caja de velocidades. Para arrancar el coche se usa la primera que consiste en un engrane muy grande, esto permite que el motor trabaje a más revoluciones mientras las llantas se mueven más lento para aprovechar el torque del motor —simplifiquemos pensando en que tiene más brazo de palanca— para sacar al vehículo de su estado de inercia inmóvil, luego de manera secuencial tenemos que ir haciendo cambios a segunda, tercera, cuarta… que van teniendo engranes más pequeños con la caja manual y la automática lo hace sola, para adaptar las revoluciones del motor a la velocidad del vehículo y no pasar de golpe a la velocidad alta pues el motor no tendría la fuerza repentina para seguir avanzando. Un coche en quinta, avanza a un régimen de revoluciones bajo para ser eficiente en combustible y no desgastarse, hasta que llega una subida y tal vez hay que pasar a la velocidad inferior en la caja para tener el torque o mejor dicho par motor requerido.
En las bicicletas no es así exactamente, por eso el término velocidades no es adecuado. Por lo general no necesitamos arrancar en primera e ir haciendo cambios conforme aceleramos, además el régimen de revoluciones que generan nuestras piernas con la cadencia de pedaleo es muy limitado. Aunque podemos decir y aconsejar que si venimos pedaleando a una velocidad alta y llevamos un desarrollo largo, vaya, un piñón chico en la piñonera de la rueda, sería conveniente hacer un cambio a un desarrollo más corto o cómodo al llegar a un alto para poder arrancar fácilmente, aunque suele no ser necesario todo el tiempo.
La historia de la bicicleta lo explica
En el siglo XIX la bicicleta tenía los pedales en el eje delantero, como los triciclos de los niños, el problema es que estas bicicletas no corrían rápido, entre otras razones porque los ciclistas como humanos que eran no podían pedalear a un ritmo vertiginoso, la velocidad de la bici se limitaba a la velocidad de las piernas. Entonces la rueda delantera creció de diámetro para avanzar más distancia con cada pedaleada, ya que la relación de los pedales y la rueda era 1:1 (una vuelta por pedalada), estas fueron las bicicletas francas. Pero eran peligrosas y aún había un límite, el radio máximo de la rueda delantera no podía ser más largo que las piernas del ciclista con una postura cómoda para pedalear.
Fue hasta que John Kemp Starley inventó la bicicleta de seguridad que trasladó la propulsión al eje trasero mediante una transmisión de cadena, que las cosas comenzaron a mejorar. Ahora imaginemos que los piñones del pedalier y de la rueda son iguales, seguiríamos con una relación 1:1, una vuelta de rueda por pedalada, pero con una rueda más chica que avanza menos por cada ciclo, aquí entra la Ingeniería o la Mecánica de la transmisión de cadena y las relaciones de piñones.
Ya usamos los términos desarrollo, avance, relación, piñones, plato y no los hemos explicado, allá vamos.
Terminología y teoría
En este apartado hablaremos de Mecánica y Matemáticas, y no es que se trate de que vayas pedaleando por la vida al tiempo que haces números y cálculos, pero te servirá para entender plenamente de qué va la cosa.
PIÑONES. Las ruedas dentadas que arrastra la cadena en el eje trasero, cuando la bicicleta tiene cambios se agrupan en un cassette y mejor dicho en Español, casete las modernas y las antiguas en una piñonera o rueda libre, que en México llamábamos sprocket o esprok, aunque este término corresponde a un piñón en Inglés. En las transmisiones de cadena no se llaman engranes.
PLATOS. Las ruedas dentadas en el pedalier o estrella, se llaman platos —como dato curioso España hay quien llama paellera al plato grande y algunos llaman con un término políticamente incorrecto al chico, que no diré aquí—, son la multiplicación o piñones conductores.
MULTIPLICACIÓN. Término que se utiliza para nombrar a los platos del pedalier. Se llama multiplicación porque en un arreglo tradicional de engranes la rueda dentada que lleva la potencia del motor o conductora multiplica las vueltas del piñón conducido, en la bicicleta no es así —o no era así hasta años recientes—, normalmente el plato conductor es más grande que el piñón conducido para aumentar el desarrollo, digo no era, porque en las transmisiones de las bicicletas de montaña modernas esta condición si se cumple.
RELACIONES. En realidad relación de transmisión, que es un término de Mecánica y por ello el más correcto para referirse a las velocidades de la bicicleta. En el ámbito de las bicicletas decimos 53×11, 53×21 en ruta o 32×50 en MTB, anteponiendo el plato al piñón, aquí el orden de los factores sí altera el producto, aunque las llamemos relaciones en realidad la relación (R) es la que existe entre el diámetro (Ø) del plato, el conductor que llamaremos e porque en él aplicamos la potencia de entrada y el piñón o conducido que llamaremos s por que ahí resulta la salida, se determina así:
R = Øe ÷ Øs
Se divide el diámetro de la rueda conductora por el de la rueda conducida, pero para simplificar en transmisiones de cadena, se usa el número de dientes del plato (P) y del piñón (p). Esta relación refleja el número de vueltas que dará el piñón por cada vuelta de el plato. Así que si utilizas un plato 53 con un piñón 15, tendrás:
R = DP ÷ Dp = 53 ÷ 15 = 3.53
Resulta una relación de 3.53 lo que significa que por cada vuelta del plato, el piñón dará ese número de vueltas.
DESARROLLO. Los piñones van conectados a la rueda de la bicicleta en el eje, por lo que a cada vuelta del piñón corresponde una vuelta de la llanta. Si pones un punto en la llanta con cada vuelta éste recorrerá una distancia equivalente a su circunferencia que se obtiene multiplicando ? por el doble del radio o el diámetro (Ø), así que considerando la relación, a cada pedalada corresponde una distancia recorrida con la llanta (L), llamado desarrollo (Ds) o avance:
Ds = (? · ØL) R
Con la relación que utilizamos arriba, calculemos qué distancia en metros recorreremos con cada pedalada completa considerando ambos pedales o una vuelta completa del pedalier, las cantidades calculadas están expresadas en milímetros.
(678Ø * 3.1416) 3.53 = (2133 ÷ 1000) · 3.53 = 7.529 m
Entonces, con una relación 53×15 avanzamos 7.5± metros por cada revolución de ambos pedales y con una relación 39×25, avanzamos 3.3± metros, esto en ruta. En una bici de montaña moderna podemos tener 32×50 con Sram Eagle y tendremos una relación 0.64 que con llanta 29″x2.40 nos da un desarrollo o avance de sólo 1.49m por cada ciclo de pedalada. Con este desarrollo pedalearemos mucho —con muchas revoluciones o con cadencia alta— y avanzaremos poco pero transmitiremos menos fuerza al eje trasero por pedalada y la repartiremos en varias pedaladas por vuelta, multiplicándola. Iremos despacio pero por un efecto mecánico de la transmisión, necesitaremos poca fuerza o torque para subir pendientes muy fuertes, por el contrario con una relación de ruta 53×11 avanzaremos 10.2 metros por cada revolución de los pedales, pero necesitaremos mucho torque para moverlos, esta relación nos permite ir muy rápido, y suele usarse a alta velocidad para no exceder nuestra capacidad para pedalear con mucha cadencia, en este caso la inercia de la bicicleta en movimiento es alta y se necesita menos fuerza para seguirla moviendo a la misma velocidad, hasta que hagamos un sprint o lleguemos a un repecho y hay que pararse en los pedales para imprimir más torque o bajamos un piñón —aunque el movimiento es hacia arriba en el casete en realidad bajamos la relación–desarrollo, atención con esto—.
Los desarrollos dados por relaciones grandes se llaman desarrollos largos, como el 53×11 y llamamos desarrollo corto a un 34×32. Con un desarrollo largo avanzaremos más por cada pedalada, pero requeriremos mucha fuerza ya que el piñón deberá dar muchas vueltas. Por el contrario —me repito intencionalmente—, con un desarrollo corto avanzaremos menos por cada pedalada, el piñón dará menos vueltas pero el torque necesario será menor, por lo que debemos imprimir menos fuerza, como veremos más adelante cuando analicemos la potencia.
Aquí podemos llegar a la primera conclusión, los cambios de la bici, sirven para adaptar nuestro limitado rango de revoluciones con los pedales, o la velocidad con que somos capaces de pedalear a las condiciones del terreno y la velocidad a la que nos desplacemos.
CADENCIA. Se llama así a las revoluciones de los pedales por minuto, es el equivalente a las RPM de los motores, pero lo adecuado es decir cadencia a la que movemos las piernas, como al caminar.
Normalmente un ciclista muy bien entrenado, un profesional, podrá pedalear durante largos periodos a una cadencia de 90-110 —un profesional World Tour como Chris Froome ha registrado 130 pedaladas por minuto en su Strava—. Una persona poco entrenada podrá sostener entre 60 y 80 pedaladas por minuto durante un periodo largo.
Se suele decir que las altas cadencias son mejores, pero es normal que en las subidas la cadencia disminuya, pues no es posible imprimir la fuerza necesaria para vencer a la Gravedad a altas cadencias. En este caso los cambios sirven para proporcionarnos una relación que permita una cadencia que aún distribuya la fuerza entre las revoluciones para no quedar detenidos o que nos exija tanto torque que no podamos pedalear más.
Hay una relación entre nuestra cadencia (C), que expresaremos como pedaladas por minuto, el desarrollo (Ds), nuestra fuerza y la velocidad (V) en metros por minuto. Se calcula con la siguiente ecuación:
V = Ds · C
Así que al sustituir los valores para la relación 53×15 y una cadencia de 90 pedaladas por minuto, obtenemos:
7.529 · 90 = 677.6m/minuto
Convirtamos a Kilómetros por hora:
(677.6 · 60) / 1000 = 40.65 Km/H
Con una cadencia de 90 pedaladas por minuto usando la relación 53×11, tendríamos:
((10.2 · 90) · 60 ) / 1000 = 55Km/H
Un esprínter con una relación 53×11 tendrá que desarrollar una cadencia muy alta para lograr los casi 70Km/H que suelen alcanzar en un embalaje de 10 a 20 segundos, naturalmente para sostener una alta cadencia con esa relación se requiere una fuerza enorme propia de los esprínters y solo es sostenible durante pocos segundos.
En el otro extremo los escaladores suelen ser muy ligeros y derrotan fácilmente a los ciclistas pesados y fuertes en las subidas pues no requieren tanta fuerza espontánea para vencer la fuerza de la Gravedad y sus esfuerzos suelen durar mucho tiempo, ellos se basan en su poco peso para no requerir tanta potencia al subir, la lo logran con ritmo de pedaleo.
¿Pero cuánto esfuerzo demanda llegar a determinadas velocidades o sostenerlas? ¿Cómo sabemos nuestra capacidad o cómo medimos nuestro potencial para desarrollarlo con entrenamiento? Bueno, para eso está la medición de potencia y allá vamos.
POTENCIA. Este valor es importante porque lleva unos años siendo la medida de la capacidad del ciclista y ha marcado la pauta de los entrenamientos si la bicicleta o al menos el turbo trainer cuentan con un potenciómetro. Potencia y fuerza no son equivalentes como veremos. El dato importante a lo largo de los años ha sido la medida de watts por kilogramo del ciclista. Este dato se puede calcular aplicando ecuaciones, como las que hemos descrito y otras que tienen en cuenta (ascendiendo en el grado de complejidad y precisión): peso del ciclista/material, G, velocidad, pendiente, coeficiente de resistencia aerodinámica, resistencia de las llantas al rodamiento, fricción del tren motriz de la bicicleta. Así que un couch con una hoja de Excel donde estuvieran las fórmulas podía cronometrar el tiempo del recorrido en una pendiente dada, el peso que movía el ciclista, aplicar las variables más técnicas y obtener el dato de sus Watts/Kg. Así lo hacía Il Mito con Lance Armstrong y era famoso por eso —además del Edgar, claro.
Te compartimos una hoja de cálculo para que tengas un aproximado de tu potencia en recorridos realizados. Si tienes un velocímetro o ciclocomputadora, podrás obtener la distancia y la velocidad promedio de un recorrido, también deberás conocer la altitud ganada, que si tu ciclocomputadora no la registra, puedes obtenerla grabando el recorrido con tu celular y una app de ciclismo. Los archivos están en Excel y LibreOffice.
Los potenciómetros han venido a resolver esta complejidad y además aportan la información en tiempo real o la dejan grabada para utilizar con software posteriormente. En lugar de hacer cálculos éstos aparatos miden directamente la deformación del metal ya sea de las bielas o los ejes de la rueda trasera o de los pedales con un sensor eléctrico y multiplicando la fuerza por las pedaladas. Claro, la deformación es pequeñísima pero el aparato es sumamente sensible y por eso muy caro —y también es caro porque está de moda, hay que decirlo.
Ya di la pista para entender qué es la potencia, pero vamos al fundamento. La potencia mecánica aplicada sobre un sólido rígido viene dada por el producto de la fuerza resultante por la velocidad:
P = F · v
Los Watts o vatios en Español —usaré Watts pues es más común en México—, son una medida de potencia. También se obtiene de la energía consumida en un periodo de tiempo (t):
P = E · t
Pero no es tan simple, las partes mecánicas de la bici son móviles, giran y las fuerzas aplicadas están cambiando su velocidad angular, entonces la potencia se calcula considerando la rotación. Sumando el momento M que resulta del ángulo con el que se aplica la fuerza (el ángulo de la biela) y la velocidad angular Ꙍ, llamaremos a esta, ecuación base.
P = F · v + M · Ꙍ
TORQUE. Otra aproximación que es más conveniente para la mecánica de la bici es calcular la potencia a partir del torque. El torque también llamado momento de fuerza es el producto vectorial de la fuerza que se imprime al pedal multiplicada por la distancia a la que aplicamos dicha fuerza con respecto al eje de pedalier, que es donde gira el conjunto. Pensemos en la biela como un brazo de palanca cuyo punto de apoyo está en el extremo sujeto al eje y que gira con éste.
A mayor fuerza tendremos mayor torque (τ), también a mayor distancia o brazo de palanca, así que la ecuación resultante es:
τ = F · d
Ahora podemos calcular la potencia a partir del torque que en el caso de la bici reemplazamos la ecuación base por la siguiente:
Potencia = Torque · Cadencia de pedaleo (rad/seg)
Una vez comprendido esto, podemos entender que a mayor cadencia de pedaleo se requiere menos torque para obtener una potencia dada y que a la inversa con menor cadencia se requeriría más fuerza.
Al despejar las ecuaciones para una potencia dada haré un ejercicio para obtener un gráfico que ilustre la relación fuerza-cadencia:
En la gráfica se observa que para lograr la misma potencia de 300 watts, podemos pedalear a baja cadencia (50 rpm) aplicando el doble de fuerza que si lo hacemos con una alta cadencia (100 rpm). Sí, el doble. Considerando que seremos menos capaces de producir mucha fuerza durante un tiempo largo, resulta razonable llegar a la conclusión de que es mejor ir con una cadencia más alta y aplicar menor fuerza en los pedales, claro, sin llegar a aplicar tan poca que desperdiciemos energía en pedaladas vacías sin lograr avanzar con velocidad.
Aplicación práctica
Hablando de velocidad, con los datos que tenemos, podemos calcular la velocidad máxima que podremos alcanzar con unas determinadas relaciones a la cadencia que podemos sostener —aquí hay una relación con nuestra capacidad cardio-pulmonar que analizamos en otro artículo— y así equipar nuestra bicicleta para una competencia. Antiguamente, antes de los años 1940 se ponía un piñon a cada lado de la rueda y esta se volteaba según el terreno, aún cuando las ruedas libres eran de cinco piñones se cambiaban de acuerdo al terreno en el que transcurría una carrera. El aumento de pasos en los cassetes ha minimizado este problema y sin embargo en pruebas como las grandes vueltas se siguen cambiando los casetes e inclusive las multiplicaciones para determinadas etapas.
Yo tengo una segunda bicicleta de siete velocidades todavía, y para el plano suelo usar una rueda libre 13-21 pues tiene menos saltos de dientes para adaptar mejor mi cadencia y cuando hago subidas con ella le pongo una 14-28. Con la otra bicicleta no tengo ese problema, tiene más piñones y ofrece un rango suficiente.
En montaña, sobre todo en Cross Country, valdría la pena considerar las diferentes condiciones de las pistas para pensar en las relaciones que se usarán, con las transmisiones 1×11 o 1×12, se podría tener en cuenta si hay mucho plano y bajadas, tramos de pavimento o si por el contrario el terreno es muy abrupto, para decidir si se lleva plato 30, 32, 34 o hasta un 36, de modo que se tengan desarrollos para ir a más velocidad en el plano, bajadas o para subir mejor.
En ruta, quienes somos amateur, podemos considerar nuestro peso, condición física y hasta la edad para decidir si en ciertos recorridos, especialmente si se suben puertos de montaña, nos ayudará disponer de una multiplicación compact con un plato pequeño de 34 o 36 dientes, o si por el contrario este arreglo de transmisión no nos permitirá ir más rápido o si nos exige demasiada cadencia para ir al ritmo del grupo de ciclistas con quienes asistiremos a una salida.
No son todas las que están
Conocer el tema de las relaciones también nos permitirá comprender que si nuestra bicicleta tiene 20, 21, 22 o 24 velocidades no contaremos con el mismo número de relaciones diferentes o desarrollos. Cuando hay dos o tres platos, las relaciones se solapan, habiendo un menor número de desarrollos útiles. Un ejemplo:
Si usamos una combinación de plato 39×11, tendremos una relación 1:3.55 que es muy similar a 53×15 cuya relación es 1:3.53.
Es importante porque debemos hacer conciencia de que pedaleando con el 39×11 llevaremos la cadena muy cruzada, ello la desgastará más rápido, así como los dientes del plato. Por el contrario, llevar 53×15 es mucho más eficiente por dos motivos, la cadena irá más centrada o recta lo que significa menos fricción que nos roba potencia a la vez que evita el desgaste excesivo y usar el plato grande es más eficiente mecánicamente. Además, si vamos en el plano, la posición 53×15 es más práctica porque tendremos pasos hacia arriba —abajo en el casete— que nos permitirán ir mas veloces y pasos hacia abajo —arriba en el casete— que nos ayudarán a subir un repecho sin variar mucho la cadencia.
Por cierto, esta forma contradictoria de decir arriba y abajo para referirse a lo contrario en la geometría del casete, existe entre fabricantes, para Shimano subir, se refiere a la relación y para Campagnolo se refiere a la geometría del casete, entre ellos hay esta diferencia en el concepot de alta y baja.
La redundancia de desarrollos en la transmisión fue lo que sirvió de base a Sram para crear las transmisiones de un solo plato, que en realidad son prácticas en 1×11 y 1×12. Pero tienen un inconveniente los saltos en el número de dientes son grandes para ofrecer todo el rango de relaciones y es difícil encontrar la cadencia correcta en plano o pavimento, a su vez las relaciones máximas de 30×10 o 32×10 son muy pequeñas. En ruta los sistemas 1xn no han tenido aceptación, precisamente porque los casetes de ruta tienen saltos de un diente en los desarrollos más largos, lo que permite encontrar una cadencia cómoda para la velocidad a la que se va o los cambios de ritmo, mientras que en los desarrollos cortos que se obtienen con el plato chico al usarse en subidas, la diferencia de dientes no es tan determinante.
Puedes hacer una hoja de cálculo con Excel o LibreOffice donde tengas la lista de número de dientes de los piñones y platos de modo que calcules las relaciones para ambos platos y así saber cuáles se repiten, en la misma hoja podrás calcular el desarrollo y la velocidad para cada desarrollo a determinadas cadencias. También puedes usar como punto de partida el archivo en Excel o LibreOffice que te proporcionamos.
Casos específicos
Caso 1. Lo normal es que tu cadencia disminuya en las subidas que demandarán aplicar una mayor fuerza al pedal para tener más torque. Los humanos no podemos aplicar suficiente fuerza con mucha velocidad, entonces pasan dos cosas, disminuyen la cadencia y la velocidad de la bicicleta en las subidas, aquí entra la ventaja de los escaladores, su pequeño tamaño y peso les ayuda a vencer con más ventaja a la Gravedad y compensan su menor fuerza muscular con cadencia. En una bicicleta con cambios se usan los piñones grandes con platos chicos para poder elevar la cadencia y entonces aplicar una fuerza menor un mayor número de veces por minuto. Como consecuencia de usar una relación o desarrollo más corto iremos más despacio, los escaladores aprovechan su menor peso para usar desarrollos más largos que los otros ciclistas lo que les permite ir más rápido.
Caso 5. En el plano se usan desarrollos largos, ya que la Gravedad no es factor. Los contrarrelojistas y rodadores suelen ser grandes y también musculosos o por lo menos, su estatura aporta músculos más grandes, su capacidad está en sostener fuerza y cadencia durante distancias de 30km en una contrarreloj, y los rodadores hasta las muy largas como las clásicas con altas velocidades en el plano, rebasando por mucho los 50Km/H. Los contrarrelojistas suelen usar platos muy grandes, como 55 dientes y hasta 60, esto les permite aumentar la relación con los piñones centrales, de modo que la cadena vaya más recta y ejerza menos fricción.
Caso 3. Cuando la bici va a mucha velocidad, como en una bajada, la fuerza requerida a nuestras piernas es menor, llegará un momento en que necesitemos pedalear muy rápido para seguir aplicando potencia a la transmisión, y a mayor velocidad ello nos demandará mayor cadencia hasta que llegamos a nuestro límite de ritmo para mover las piernas y nuestras pedaladas serán en vacío. Aquí hay que poner el plato más grande y el piñón más chico, de modo que podamos seguir aplicando fuerza a los pedales dentro de una cadencia tolerable.
Caso 4. Grandes picos de velocidad: el esprint. Los esprínters suelen tener piernas y torsos muy musculosos, y como ya dijimos, son capaces de aplicar una gran fuerza a los pedales en periodos cortos de tiempo, también son muy explosivos y pueden alcanzar cadencias muy altas para el común de los mortales. Para ello usan las fibras lentas de sus músculos, como los pesistas pero que no sirven para sostener esfuerzos de fondo. En las pruebas de etapas los verás en el llamado autobús en la parte trasera del pelotón sufriendo en las subidas para llegar en el límite de tiempo de la etapa.
Caso 6. Los ciclistas de montaña, sobre todo los que practican Cross Country, suelen pedalear con cadencias altas para subir las empinadas y técnicas pendientes que hay fuera de la carretera y para mantener el agarre de las llantas, por ello deben tener una enorme resistencia aeróbica y necesitan desarrollos muy cortos. Aparte hay que decir que suelen ser muy fuertes de torso para controlar la bicicleta mejor, sobre todo en las bajadas donde lo que se impone es el control de la bicicleta y no se suele pedalear, de ahí que no necesiten desarrollos largos. Otro factor es que mientras en la ruta el esfuerzo es continuo, en la montaña la potencia necesaria para avanzar varía mucho en cada tramo de terreno.
