Trek Madone Gen 8 aerodinámica

Un año antes de que se presentaran la Madone Gen 7 y la tecnología IsoFlow, nuestros ingenieros comenzaron el trabajo de diseño conceptual en la Émonda ligera de próxima generación. Sabíamos que la Madone era nuestra bici de carrera de ruta más aerodinámica hasta el momento, y nos entusiasmaba saber cómo podíamos agregar algo de nuestra investigación aerodinámica a la Émonda.  

Al poco tiempo después de crear nuestros primeros conceptos 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 planteó seriamente la posibilidad de una sola bici de rendimiento de carreras. Pero primero necesitábamos comprobar que nuestros atletas y clientes no sacrificarían otros aspectos con este cambio.  

Peso vs. aerodinámica

Nuestras primeras bicis conceptuales en el proyecto Émonda de próxima generación fueron la “A1” y la “A2”. Nuestras pruebas en túnel de viento y dinámica de fluidos computacional (CFD) arrojaron algunos resultados prometedores que redujeron la brecha entre la generación anterior de Madone y Émonda. Sin embargo, seguiría existiendo una penalización aerodinámica inaceptable si quisiéramos producir solo una bicicleta de carrera de alto rendimiento.  

Nuestro siguiente paso fue explorar por completo el espacio de diseño. Creamos más prototipos para aumentar el rendimiento aerodinámico y agregarlos a la serie A ligera, hasta llegar a la serie E, que es mayormente aerodinámica. Después de cientos de iteraciones de CFD y análisis estructural, llevamos bicis de las series A, C y E de regreso al túnel de viento.  

A través de los resultados del túnel de viento y las predicciones de peso para los tres prototipos, pudimos probar virtualmente cómo se comportarían las diferentes opciones en diversas condiciones de carrera. Con las mismas ruedas y llantas, queríamos un diseño de cuadro que superara tanto a la Madone Gen 7 como a la Émonda en cualquier pendiente.

El siguiente gráfico muestra el rendimiento de los prototipos de la Madone Gen 7 y la Gen 8 en comparación con la Émonda en pendientes que son desde planas (0% de pendiente) hasta muy empinadas (12% de pendiente). La aerodinámica Madone Gen 7 (en la línea blanca con guiones) es más rápida que la Émonda, más ligera, pero con menos aerodinámica —desde un 0% hasta poco más del 3% de pendiente—, ya que la diferencia de peso tiene un pequeño efecto en los terrenos llanos y en las subidas suaves, y el ciclista se mueve a una velocidad más rápida, lo que le da a la aerodinámica un mayor impacto.  

Cuando analizamos los prototipos, todos tienen mejoras con respecto a la Madone Gen 7 y la Émonda en ciertas pendientes, pero solo el prototipo C3 es más rápido que ambas bicis en todas las condiciones. La opción ligera A1 sube bien, pero no sería una buena opción para hacer sprints rápidos al nivel del suelo. Con más aerodinámica, el E2 es mejor con una pendiente de 0%, pero requeriría que los ciclistas sacrificaran el rendimiento de ascenso de la Émonda.  

Con estos resultados, vimos que el prototipo C3 tenía el potencial de combinar el peso de una Émonda con la aerodinámica de una Madone, lo que (después de mucha más optimización) sentó las bases para una sola bici de carrera de ruta de alto rendimiento: la Madone Gen 8. 

Formas aerodinámicas Full System Foil totalmente nuevas

¿Cómo se crean conceptos como A1 a E2, desde superligeros hasta superaerodinámicos, sin pasar años de prueba y error? La respuesta está en nuestro nuevo sistema de secciones transversales de tubos: Full System Foil.  

Antes de las formas aerodinámicas Full System Foil, usábamos principalmente formas de tubo Kammtail Virtual Foil (KVF). Estas formas fueron revolucionarias en ese momento y estaban destinadas a maximizar el rendimiento aerodinámico con la ahora obsoleta regla de relación de aspecto del tubo de largo a ancho 3:1 establecida por la UCI. Las formas Kammtail son muy aerodinámicas, pero el rendimiento se degrada a medida que te alejas de la relación de aspecto 3:1 en las bicis aerodinámicas más tradicionales.

Para mejorar las formas KVF, ideamos un generador de secciones transversales más flexible que pudiera admitir una gran variedad de formas permitiendo que el software “empuje” y “jale” las paredes de la sección transversal. Luego, combinamos esta forma básica con un algoritmo de optimización que empujara y jalara para generar una nueva forma y probar virtualmente su aerodinámica y eficiencia estructural. La optimización aprende de iteraciones de diseño anteriores y, con suficiente tiempo y cálculos, logra 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 probó el algoritmo de optimización. Como puedes ver, la naturaleza flexible de la modificación de la forma de empujar y jalar crea algunas formas raras que nunca serían prácticas, pero esto permite explorar todo el espacio de diseño, incluso lo que no sale bien. Esta amplia exploración es importante porque puede generar formas que quizás no se le ocurrirían a un diseñador humano. 

Mientras monitoreábamos el progreso de nuestra optimización, notamos que, en general, las formas que se estaban generando tenían extremos traseros más redondos que las formas KVF y mostraban una mejor aerodinámica en situaciones aerodinámicas inestables del mundo real donde la dirección del viento cambia rápidamente. Los extremos frontales de muchas formas estructuralmente eficientes eran relativamente rectangulares, lo que tenía lógica en términos intuitivos.  

Donde la aerodinámica no lo es todo 

Con una colección de formas que iban desde estructuralmente eficientes (ligeras) hasta superaerodinámicas, el siguiente paso era identificar en qué parte del cuadro colocar las diferentes opciones. Este es siempre un elemento del diseño del cuadro de nuestra bici, pero lo llevamos al siguiente nivel para la Madone Gen 8, utilizando miles de simulaciones de Dinámica de fluidos por ordenador (CFD) y Análisis de elementos finitos (FEA) para identificar los mejores puntos del cuadro para cada opción de la sección transversal.  

Por ejemplo, la forma del tubo inferior favorece la eficiencia estructural sobre la aerodinámica, porque la estela de movimiento lento detrás de la rueda delantera le quita importancia a las formas de bajo arrastre en esa área. En la dirección opuesta, el tubo de asiento superior, la tecnología IsoFlow y el poste de asiento están diseñados para tener formas muy aerodinámicas, porque el flujo de aire se acelera entre las piernas del ciclista y magnifica el arrastre en esa área. Básicamente, cada forma se diseña teniendo en cuenta cómo se mueve el aire sobre las demás formas delante y detrás de ella.   

Los cilindros son lentos

Sabemos desde hace mucho tiempo que los cilindros no tienen muy buena forma aerodinámicamente. Ya en 1953, el predecesor de la NASA, el Comité Asesor Nacional de Aeronáutica (NACA), demostró que tan solo cambiar un cilindro a una elipse de 2:1 reduce el arrastre en un 40%.

Mucho tiempo antes, en 1912, Gustave Eiffel (sí, ese Eiffel) estaba averiguando cuánto arrastre generan las formas como los cilindros en sus pruebas de caída desde la Torre Eiffel.

Entonces, ¿por qué ponemos ánforas cilíndricas en bicis de carrera aerodinámicas altamente optimizadas? Las ánforas aerodinámicas no son un concepto nuevo, pero no suelen usarse en competencias por cuestiones de capacidad de uso y practicidad. Nos propusimos diseñar una ánfora y un porta ánfora que fueran prácticos durante la carrera para el equipo Lidl-Trek. Los ciclistas y el personal del equipo establecieron dos requisitos: los porta ánforas aerodinámicos también debían ser compatibles con las ánforas estándar y las ánforas del tubo inferior, y las botellas del tubo de asiento debían ser idénticas e intercambiables.  

Estos requisitos prohibían el uso de una ánfora superoptimizada como la ánfora de tubo inferior de la Speed ​​Concept. Para compensar esto, diseñamos las secciones transversales de las ánforas del tubo inferior y del tubo de asiento para que funcionen en conjunto con las secciones transversales del cuadro y las llantas, y creen un alerón virtual. En la siguiente imagen de nuestras simulaciones en CFD, el aire que se mueve lentamente figura en gris. El aire que se mueve rápidamente ve estas estelas de movimiento lento como si fueran objetos sólidos y fluye suavemente a su alrededor, lo que reduce el arrastre.  

Nuestras ánforas RSL aerodinámicas ahorran 1.8 vatios a 35km/h en comparación con las ánforas estándar de 21oz, y son más rápidas que ninguna otra.

Si bien estas ánforas están optimizadas junto con la Madone Gen 8, también se sometieron a prueba en CFD en una variedad de cuadros de bici, lo que demostró que redujeron la resistencia en comparación con las ánforas estándar en todos los casos.  

Diseño en torno al sistema del ciclista 

Las bicis no andan solas y un ciclista genera un impacto enorme en el campo de flujo alrededor de una bici. Es por eso que probamos todo el sistema del ciclista (bici, ciclista, componentes, ánforas/porta ánfora) e incluimos a un ciclista en nuestro diseño aerodinámico desde las primeras simulaciones por computadora hasta nuestras pruebas en el túnel de viento utilizando a Manny, el maniquí de pedaleo. Este énfasis en la aerodinámica del ciclista es lo que llevó a desarrollar avances como la tecnología IsoFlow en la Madone Gen 7. IsoFlow regresa con una optimización sutil en la Madone Gen 8, aumentando la comodidad del ciclista al tiempo que se brindan beneficios estructurales y aerodinámicos.  

En la Madone Gen 8, el manubrio puede parecer menos aerodinámico que la generación anterior, ¡justamente porque lo es! Al menos, en términos de aislamiento.  

La sección transversal de la parte superior del manubrio de la Gen 8 se hizo más gruesa y redonda que la de la Madone Gen 7. Si se pone la bici sola en el túnel de viento, ese manubrio aumentará el arrastre. Sin embargo, cuando un ciclista pedalea, la parte superior del manubrio más grueso reduce ligeramente el arrastre de las piernas que pedalean al desacelerar el aire que choca contra ellas. El efecto es pequeño, pero las piernas pedaleando son las que más contribuyen al arrastre total del sistema, por lo que pequeños cambios en su flujo de aire pueden hacer una diferencia. Al igual que nuestras formas Full System Foil, la sección transversal del manubrio se optimizó con el mismo proceso, pero incluyendo el efecto de las piernas detrás de la barra. 

Los resultados

Al final, los resultados del túnel de viento mostraron que la Madone Gen 8 se encontraba en un nivel aerodinámico superior a la Émonda. En comparación con la Madone Gen 7, la Gen 8 tiene la mayoría de las mejoras aerodinámicas en los ángulos de viraje bajos, que son los que los ciclistas encuentran con más frecuencia.

Probamos las bicis en diversas velocidades en el túnel de viento para realizar simulaciones de una amplia variedad de escenarios durante una carrera. Aquí se muestran los resultados a una velocidad de túnel de 22mph, que es más baja porque hace que las pruebas sean un poco más desafiantes, pero es más alcanzable que el ritmo de un pelotón profesional. También probamos a velocidades de hasta 40mph para realizar simulaciones para nuestros atletas profesionales de Lidl-Trek (hay más información sobre esto a continuación).  

Las simulaciones dejaron claro a Lidl-Trek que la Madone Gen 8 no requeriría prescindir de nada en escenarios cruciales en comparación con la Madone Gen 7 o la Émonda. Tradicionalmente, a los ciclistas les gustaría tener una Émonda con el menor peso posible para acelerar en una pendiente empinada del 10%, pero la Madone Gen 8 supera ligeramente a la Émonda en ese escenario. Ambas generaciones de Madone son únicas en los sprints, que dan suma importancia a la aerodinámica, pero la Gen 8 supera a la Gen 7 en ambos casos, un poco más cómodamente en la etapa final en subida.

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

Al final, lo que comenzó como una actualización de la Émonda se convirtió en la bici de escalada y sprint definitiva que sobresale en la exigente puesta en práctica de nuestros ciclistas Lidl-Trek y, al mismo tiempo, ofrece la emocionante experiencia de una bici de rendimiento de carreras ligera para aquellos que solo pueden soñar con correr a 1500 vatios (como yo).