LA MISTERIOSA FÍSICA DE LA BICICLETA
Aún hoy, dos siglos después de la invención del velocípedo, seguimos ignorando muchas cosas acerca de su equilibrio
Hace poco
más de 200 años, en 1818, el funcionario alemán Karl von Drais patentaba su 'Laufsmachine' o máquina para correr, un aparato de dos ruedas que podía dirigirse con un manillar y se movía impulsado por los pies del propio usuario. Conocida como 'velocípedo', esta bicicleta primitiva empezó a fabricarse en serie y a comercializarse en Europa.
A ese artilugio le siguió una acelerada profusión de diseños a cual más extraño, con pedales y sin ellos, con ruedas delanteras gigantescas como el biciclo y con distintas formas de transmitir el movimiento a la rueda propulsora. Finalmente, hacia 1880, aparece la bicicleta tal como la conocemos, con su transmisión por cadena. Parece extraño que una idea tan aparentemente sencilla no hubiera aparecido antes en la historia. (Tan extraño, por cierto, que hay una falsificación de una presunta bicicleta trazada en las notas del 'Codex Atlanticus' de Leonardo Da Vinci, con transmisión de cadena y todo.)
Pero siendo 'aparentemente sencilla', se ha descubierto que la bicicleta es un dispositivo enormemente complejo que la ciencia aún no ha desentrañado del todo.
GIRAR A LA DERECHA PARA GIRAR A LA IZQUIERDA
Cuando uno nunca ha andado en bicicleta, al ver el manillar es razonable que piense que al girar el manillar hacia la izquierda, la bicicleta girará en ese sentido, como funcionan los autos, que van hacia la dirección a la que apuntan las ruedas.
Pero la bicicleta tiene solo dos ruedas y por tanto está sometida a interacciones que no se hacen presentes en un automóvil. En realidad, si giramos levemente el manillar a la izquierda, la bicicleta reaccionará inclinándose hacia la derecha… y para no caer tenemos que girar el manillar hacia la derecha y contrarrestar la inclinación.
Es decir, que para girar a la izquierda lo que debemos hacer, y aprendemos a dominar al paso del tiempo, es girar levemente el manillar a la derecha, lo que provoca una inclinación a la izquierda que a su vez nos permite, ahora sí, finalmente, girar para donde queríamos… a la izquierda. Este fenómeno contraintuitivo ya fue observado por primera vez por el ingeniero escocés William Rankine a fines del siglo XIX. Detrás de esta observación está gran parte del misterio de la bicicleta.
LA MÁQUINA ESTABLE
Es asombroso descubrir que los físicos han presentado importantes trabajos en revistas científicas acerca de la aparentemente humilde bicicleta. Un ejemplo es 'Ecuaciones dinámicas linealizadas para el equilibro y dirección de una bicicleta: marco de referencia y revisión'.
Un solo ejemplo es la influencia que tiene en la estabilidad de la bicicleta el ángulo al que está la horquilla o tijera, la pieza doble que sostiene la rueda delantera y se conecta al manillar. El ángulo entre el eje recto de dirección, el que va del manillar a la horquilla, y el punto en que la rueda toca el suelo, que está directamente debajo del eje de la rueda delantera, se conoce como 'trail' o 'rastro'. Los físicos han descubierto que si al prolongar el eje de dirección este queda por delante del punto en el que la rueda hace contacto con el suelo, el vehículo será más estable. En caso contrario, será más propensa a caer, lo que se ha comprobado diseñando -y no es fácil- bicicletas inestables.
Los fabricantes de bicicletas descubrieron esto primero mediante el sistema de ensayo y error durante la historia de esta máquina, aunque ahora las fórmulas respectivas se incorporan al diseño de las nuevas bicicletas para optimizar su rendimiento.
NO SÓLO EL EFECTO GIROSCÓPIO
El descubrimiento de la importancia del rastro implicaba que había varios factores en juego en el hecho de que una bicicleta se mantuviera recta. Es decir, nosotros no mantenemos las bicicletas en la vertical. Eso lo pueden hacer perfectamente solas como lo han demostrado numerosos experimentos sobre bicicletas sin conductor, que incluso se recuperan de irregularidades que las hagan girar a izquierda o a derecha para volver a estar rectas y seguir hasta colisionar con algún objeto o perder velocidad.
Antes de esto se creía que el efecto giroscópico de las ruedas de la bicicleta al girar era el factor principal de su estabilidad, pero el asunto resultó mucho más complicado, como se ha demostrado con un experimento en el cual se utilizan bicicletas con el manillar bloqueado en línea recta, que no puede girar ni a derecha ni a izquierda. Quien intenta conducirlas cae inevitablemente. Para que una bicicleta sin conductor se estabilice, necesita poder dirigirse y su propia dinámica mueve el manillar para devolver las dos ruedas a su centro de gravedad.
El ejemplo usado por los investigadores es lo que pasa cuando tratamos de balancear una escoba sobre la palma de una mano… el equilibrio no es estático, sino dinámico: cuando sentimos que la escoba se inclina en una dirección, movemos la mano en esa dirección para contrarrestar su inclinación. Así, al inclinarse la bicicleta y girar el manillar, aún sin conductor, el movimiento en ese sentido le devuelve el equilibrio.
Pero esta no es toda la respuesta todavía. En las últimas cuatro décadas se ha avanzado mucho en la teoría de las bicicletas y poco a poco los fabricantes van incorporando estos conocimientos, sobre todo para la competición de alto rendimiento. Pero aún quedan huecos para las ecuaciones que nos digan cómo el efecto giroscópico, la fuerzas de reacción laterales contra el suelo en el punto de contacto de la rueda con él, la gravedad y las reacciones inerciales, así como el centro de masa de la bicicleta interactúan para permitir que la bicicleta funcione.
De hecho, resulta asombroso que mediante ensayo y error, y con algo de suerte en el camino, los creadores de bicicletas pudieran fabricar vehículos funcionales sin saber todo esto… y lo que falta. Como dijo algún experto, sabemos andar en bicicleta, pero todavía no sabemos cómo es que andamos en bicicleta. Y tras ello aún quedan muchos misterios como uno que preocupa especialmente a los ciclistas de máximo rendimiento: ¿por qué algunas bicicletas se bambolean al alcanzar altas velocidades?
Lo dice gráficamente el científico Michael Brooks, especializado en física cuántica: Olvídense de la misteriosa materia oscura y de la inexplicable expansión acelerada del universo: la bicicleta representa un hueco mucho más vergonzoso en los logros de la física.
LA BICICLETA DEL FUTURO
(Con el impulso hacia la peatonalización de las ciudades, la movilidad personal y el bienestar particular y del medio ambiente, el futuro de la bicicleta parece luminoso, y distintos diseñadores están trabajando en nuevos modelos. Pero plegables o eléctricas (con motores accionados por los propios pedales), ultraligeras o de ruedas sin radios, seguirán utilizando los principios que hoy tienen las más humildes bicicletas.)
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