La aerodinámica de la Trek Madone Gen 8

Un año antes de la presentación de la Madone Gen 7 y el IsoFlow, nuestros ingenieros empezaron a trabajar en el diseño conceptual de la nueva generación de la Émonda. Sabíamos que la Madone era nuestra bicicleta de carretera más aerodinámica hasta la fecha, y nos ilusionaba ver cómo podíamos aplicar parte de nuestra investigación aerodinámica a la Émonda.  

Poco después de crear nuestros primeros prototipos de la Émonda, que eran bastante radicales, nos dimos cuenta de que la diferencia de rendimiento aerodinámico entre la Madone y la Émonda podía reducirse significativamente. Fue entonces cuando se empezó a barajar seriamente la posibilidad de crear una única bicicleta de competición de alto rendimiento. Sin embargo, primero teníamos que demostrarnos a nosotros mismos que nuestros atletas y clientes no iban a tener que renunciar a nada con este cambio.  

Peso vs. aerodinámica

Nuestras primeras bicicletas conceptuales del proyecto Émonda de nueva generación fueron la «A1» y la «A2». Nuestras pruebas en el túnel de viento y de dinámica de fluidos computacional (CFD) mostraron unos resultados prometedores que redujeron la diferencia entre la generación anterior de la Madone y la Émonda. Sin embargo, seguiría suponiendo una penalización aerodinámica inaceptable si quisiéramos fabricar solo una bicicleta de competición de alto rendimiento.  

El siguiente paso fue explorar en profundidad el espacio de diseño. Creamos más prototipos en función del nivel de rendimiento aerodinámico para añadirlos a la serie A, caracterizada por su ligereza, hasta llegar a la serie E, predominantemente más aerodinámica. Después de cientos de iteraciones de CFD y análisis estructurales, enviamos las bicicletas serie A, C y E de vuelta al túnel de viento.  

Con los resultados obtenidos en el túnel de viento y las estimaciones de peso de los tres prototipos, pudimos probar virtualmente cómo se comportaban las bicicletas en distintas condiciones de carrera. Con las mismas ruedas y cubiertas, buscábamos un diseño de cuadro que pudiese superar tanto a la Madone Gen 7 como a la Émonda en cualquier pendiente.

El siguiente gráfico muestra el rendimiento de los prototipos Madone Gen 7 y Gen 8 en comparación con la Émonda en pendientes que van desde planas (desnivel del 0%) hasta bastante pronunciadas (desnivel del 12%). La aerodinámica Madone Gen 7 (en la línea blanca de puntos) es más rápida que la Émonda, más ligera pero menos aerodinámica, desde el desnivel del 0% hasta el de algo más del 3%, dado que la diferencia de peso tiene un escaso impacto en tramos llanos y subidas suaves y el ciclista se desplaza a mayor velocidad, lo cual aumenta el impacto de la aerodinámica.  

Si nos fijamos en los prototipos, todos mejoran respecto a la Madone Gen 7 y la Émonda en determinadas pendientes, pero sólo el prototipo C3 es más rápido que ambas bicicletas en todas las condiciones. La opción ligera A1 es buena en los ascensos, pero no sería una buena opción para los esprints rápidos en llano. La E2, más aerodinámica, es mejor en desniveles del 0%, pero obliga a los ciclistas a sacrificar el rendimiento como escaladora de la Émonda.  

Con estos resultados, comprobamos que el prototipo C3 tenía capacidad para combinar el peso de una Émonda con la aerodinámica de una Madone, lo cual (tras mucha más optimización) allanó el camino para crear una única bicicleta de competición de carretera: la Madone Gen 8. 

Nuevas formas aerodinámicas Full System Foil

¿Cómo se crean conceptos como del A1 al E2, que abarcan desde lo ultra ligero a lo ultra aerodinámico, sin necesidad de dedicar años a la fase de ensayo y error? La respuesta la encontramos en nuestro nuevo sistema de secciones transversales de los tubos: el Full System Foil.  

Antes de utilizar las formas aerodinámicas Full System Foil, utilizábamos principalmente las formas de tubo Kammtail Virtual Foil (KVF). Estas formas fueron revolucionarias en su momento, concebidas para aumentar al máximo el rendimiento aerodinámico con la ya desaparecida regla 3:1 de la UCI respecto a la relación entre la longitud y el ancho de los tubos. Las formas Kammtail son muy aerodinámicas, pero el rendimiento disminuye al abandonar la relación 3:1 de las bicicletas aerodinámicas más tradicionales.

Para mejorar las formas KVF, diseñamos un generador de secciones transversales más flexible que permitiera una enorme variedad de formas al permitir que el software creara iteraciones automáticas de las paredes de la sección transversal. A continuación, acoplamos esta forma básica a un algoritmo de optimización que, con este proceso de iteraciones automáticas generaba una nueva forma y probaba virtualmente su aerodinámica y eficiencia estructural. La optimización aprende de las repeticiones de diseños anteriores y, con tiempo y cálculos suficientes, alcanza un frente de Pareto, que es el conjunto de secciones transversales que representan las mejores combinaciones de peso y aerodinámica.   

Esta animación muestra un pequeño subconjunto de algunas de las formas que ensayó el algoritmo de optimización. Como podrás observar, la naturaleza flexible de las modificaciones de las formas a través de procesos de iteración automáticos permite crear algunas formas disparatadas que nunca serían prácticas, pero esto permite explorar la totalidad del espacio de diseño, incluso las partes problemáticas. Esta exploración a fondo es importante, dado que permite generar formas que podrían no ocurrírsele a un diseñador. 

Mientras controlábamos el progreso de nuestra optimización, nos dimos cuenta de que, en general, las formas que se generaban tenían extremos traseros más redondeados que las formas KVF y ofrecían una mejor aerodinámica en situaciones de aerodinámica inestable del mundo real, en las que la dirección del viento cambia rápidamente. Los extremos delanteros de muchas formas estructuralmente eficientes eran relativamente rectangulares, lo cual parecía tener sentido.  

Cuando la aerodinámica no lo es todo 

Armados con una colección de formas que iban desde las estructuralmente eficientes (ligeras) a las extremadamente aerodinámicas, el siguiente paso consistía en identificar en qué parte del cuadro era posible encajar las distintas opciones. Este es siempre un elemento clave en el diseño del cuadro de nuestras bicicletas, pero lo llevamos al siguiente nivel para la Madone Gen 8, utilizando miles de simulaciones CFD y de análisis de elementos finitos (FEA) para identificar los mejores puntos del cuadro para cada sección transversal.  

La forma del tubo diagonal, por ejemplo, favorece la eficiencia estructural sobre la aerodinámica, ya que la lenta estela detrás de la rueda delantera reduce la necesidad de utilizar formas de baja resistencia en esa zona. Por el contrario, la parte superior del tubo de sillín, el IsoFlow y la tija del sillín se han diseñado para presentar formas muy aerodinámicas, dado que el flujo de aire se acelera entre las piernas del ciclista y aumenta la resistencia en dicha zona. Básicamente, cada forma se diseña teniendo en cuenta cómo se mueve el aire sobre las formas que hay delante y detrás de ella.   

Los cilindros son lentos

Sabemos, desde hace mucho tiempo, que las formas de los cilindros no son muy aerodinámicas. Ya en 1953, el predecesor de la NASA, el National Advisory Committee for Aeronautics (Comité Asesor Nacional de Aeronáutica, NACA), demostró que basta con cambiar un cilindro por una elipse 2:1 para reducir la resistencia en un 40%.

Mucho antes, en 1912, Gustave Eiffel (sí, ese Eiffel) descubrió cuánta resistencia generaban formas como los cilindros en sus pruebas de caída desde la Torre Eiffel.

Entonces, ¿por qué usamos bidones cilíndricos en bicicletas de competición aerodinámicas extremadamente optimizadas? El concepto de los bidones aerodinámicos no es nuevo, pero no se utilizan con frecuencia en competición debido a cuestiones de facilidad de uso y practicidad. Nos propusimos diseñar un bidón y un portabidón que resultaran prácticos en situaciones de carrera para el equipo Lidl-Trek. Los ciclistas del equipo y los diseñadores establecieron dos requisitos: los portabidones aerodinámicos también debían ser compatibles con los bidones estándar, y los bidones del tubo diagonal y del tubo de sillín debían ser idénticos e intercambiables.  

Estos condicionantes prohibían el uso de un bidón extremadamente aerodinámico como el bidón del tubo diagonal de la Speed Concept. Para compensarlo, hemos diseñado las secciones transversales de los bidones del tubo diagonal y del tubo de sillín para que funcionen conjuntamente con las secciones transversales del cuadro y de la rueda y creen un perfil aerodinámico virtual. En la siguiente imagen de nuestras simulaciones CFD, el aire que se mueve lentamente aparece en gris. El aire rápido percibe estas estelas de movimiento lento como si fueran objetos sólidos y fluye suavemente a su alrededor, reduciendo la resistencia.  

Nuestros bidones RSL Aero ahorran 1,8 vatios a 35 km/h en comparación con los bidones estándar de 621 ml y, además, la bicicleta es más rápida con estos bidones que sin ellos.

Aunque estos bidones se han optimizado de forma conjunta con la Madone Gen 8, también se han probado haciendo simulaciones CFD en una serie de cuadros y han reducido, en todos los casos, la resistencia aerodinámica con respecto a los bidones estándar.  

El diseño en torno al sistema del ciclista 

Las bicicletas no se mueven solas y el ciclista crea un impacto masivo en el campo de flujo alrededor de una bicicleta. Por eso, realizamos pruebas en torno a todo el sistema del ciclista (bicicleta, ciclista, componentes, bidones/portabidones) e incluimos a un ciclista en nuestro diseño aerodinámico, desde las primeras simulaciones por ordenador hasta nuestras pruebas en el túnel de viento con Manny, el maniquí ciclista. Este énfasis en la aerodinámica del ciclista es lo que ha permitido desarrollar tecnologías como el IsoFlow en la Madone Gen 7. El IsoFlow regresa con una sutil optimización en la Madone Gen 8, aumentando el confort del ciclista y aportando, al mismo tiempo, ventajas estructurales y aerodinámicas.  

El manillar de la Madone Gen 8 puede parecer menos aerodinámico que el de la generación anterior, ¡y así es! Al menos, aislado.  

La sección transversal de la parte superior del manillar de la Gen 8 es ahora más gruesa y redondeada que la de la Madone Gen 7. Si colocas la bicicleta sola en el túnel de viento, ese manillar aumentará la resistencia aerodinámica. Sin embargo, cuando un ciclista pedalea detrás del mismo, la estela del manillar más grueso reduce ligeramente la resistencia sobre sus piernas al pedalear, frenando el aire que pasa por delante de ellas. El efecto es leve, pero las piernas que pedalean son las que más contribuyen a la resistencia total del sistema, por lo que pequeños cambios en el flujo de aire pueden tener un gran impacto. Al igual que las formas Full System Foil, la sección transversal del manillar se optimizó mediante el mismo proceso, pero incluyendo, además, el efecto de las piernas situadas detrás del manillar. 

Los resultados

Al final, los resultados obtenidos en el túnel de viento demostraron que la Madone Gen 8 estaba en un nivel aerodinámico superior a la Émonda. En comparación con la Madone Gen 7, la Gen 8 experimenta la mayor parte de las mejoras aerodinámicas en la reducción de los ángulos de incidencia del viento, que son los ángulos más comunes entre los ciclistas.

Las bicicletas se sometieron a una serie de pruebas en el túnel de viento para simular una amplia variedad de situaciones de carrera. Se muestran aquí los resultados a una velocidad de túnel de 35 km/h, que al ser una velocidad más baja dificulta ligeramente las pruebas, pero resulta más factible que el ritmo del pelotón profesional. También hemos realizado pruebas a velocidades de hasta 65 km/h para ofrecer simulaciones para nuestros atletas profesionales del equipo Lidl-Trek (más información a continuación).  

Las simulaciones dejaron claro al equipo Lidl-Trek que la Madone Gen 8 no exigiría ningún sacrificio en escenarios cruciales en comparación con la Madone Gen 7 o la Émonda. Alcanzar a un escapado en una pendiente pronunciada con un desnivel del 10% es tradicionalmente donde los ciclistas desearían tener una Émonda con el menor peso posible, pero la Gen 8 Madone supera ligeramente a la Émonda en ese escenario. Ambas generaciones de la Madone están en su propia categoría en los esprints, en los que se otorga la máxima importancia a la aerodinámica, pero la Gen 8 supera a la Gen 7 en ambos casos y, además, un poco más cómodamente en la llegada en subida.

En todos estos escenarios, se simulan los efectos de la aceleración. A pesar de que el efecto es leve, es más fácil acelerar el cuadro más ligero de la Madone Gen 8 cuando se compara con la Madone Gen 7, por ejemplo. 

Al final, lo que empezó como una actualización de la Émonda se convirtió en la bicicleta definitiva para escalar y esprintar que cubre las exigencias de nuestros ciclistas del equipo Lidl-Trek, al tiempo que aporta la estimulante experiencia de una bicicleta de competición de alto rendimiento ligera a aquellos que sólo pueden soñar con esprintar a 1500 vatios (como yo).