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La física y la construcción de ruedas

¿Sabes lo básico y quieres aprender más sobre la física que hay detrás de una rueda? Te explicamos las conexiones.

Las ruedas son uno de los inventos más impresionantes en la bicicleta: con un peso relativamente bajo, pueden soportar fuerzas inmensas y son decisivas para las características de conducción de tu bicicleta. Si quieres construir ruedas personalizadas y además profundizar en la materia o simplemente entender un poco mejor por qué ruedas de sistema tienen ciertas propiedades, aquí encontrarás algunos aspectos teóricos que vale la pena conocer.

Dependiendo del campo de aplicación, tu juego de ruedas necesita diferentes propiedades para soportar las cargas sin problemas: tu rueda de MTB debe ser capaz de soportar un alto número de impactos.
Dependiendo del campo de aplicación, tu juego de ruedas necesita diferentes propiedades para soportar las cargas sin problemas: tu rueda de MTB debe ser capaz de soportar un alto número de impactos.

Dependiendo del campo de aplicación, tu juego de ruedas necesita diferentes propiedades para soportar las cargas sin problemas: tu rueda de MTB debe ser capaz de soportar un alto número de impactos.

Las ruedas de las bicicletas de ruta deben ser ligeras, rígidas y aerodinámicas.
Las ruedas de las bicicletas de ruta deben ser ligeras, rígidas y aerodinámicas.

Las ruedas de las bicicletas de ruta deben ser ligeras, rígidas y aerodinámicas.

Las ruedas de Gravel suelen ser una mezcla inteligente de los dos mundos de las bicicletas de montaña y de ruta.
Las ruedas de Gravel suelen ser una mezcla inteligente de los dos mundos de las bicicletas de montaña y de ruta.

Las ruedas de Gravel suelen ser una mezcla inteligente de los dos mundos de las bicicletas de montaña y de ruta.

Rueda con radios de compresión frente a rueda con radios de tensión

Existen dos tipos funcionales de construcción de ruedas fundamentalmente diferentes en las bicicletas. La rueda con radios de compresión sigue el principio de las ruedas de carruaje de madera de la Edad Media: las fuerzas que actúan se apoyan desde el buje en unos pocos radios gruesos hacia la llanta. Este principio es el que siguen las ruedas más modernas de tres, cuatro o cinco radios fabricadas de carbono, ya que son las más utilizadas en el sector de triatlón o Aero. Sin embargo, la inmensa mayoría de las ruedas de las bicicletas están diseñadas como ruedas de tensión con un número de radios significativamente mayor. La masa del sistema y todos los efectos dinámicos de conducción están literalmente unidos al buje (la parte superior) de la llanta. Así, la rueda ofrece una relación óptima entre peso y estabilidad.

Puntos fuertes del radiado

Los radios hechos de alambre fino son mucho más resistentes a la tensión que a la compresión. La llanta, en cambio, es bastante estable a la compresión. Los radios con carga de tensión experimentan un cambio elástico de longitud durante el funcionamiento. Por esto, los radios deben estar pretensados de tal manera, que el sistema pueda compensar la elongación repentina. Los radios sin carga en la parte inferior no deben levantarse de la base de la llanta. Aflojar y tensionar permanentemente provocaría un efecto de muesca entre la curva del radio y la brida del buje, debilitando el radio en este punto. Por esta razón, la precarga debe ser lo más alta y uniforme posible. Con un pretensado suficiente de todos los radios, los picos de carga durante el sprint, el salto y la frenada a fondo se distribuyen uniformemente entre todos los radios que soportan la carga. Sin embargo, no hay que exagerar con la tensión de los radios. Las llantas de carbono, en particular, son algo sensibles en este sentido durante el montaje y es más probable que se rompan a que se doblen. Por lo tanto, asegúrate de seguir las instrucciones de los fabricantes de bujes, cabecillas, radios y llantas y utiliza un tensiómetro en caso de duda, pero sobre todo en caso de radiar llantas de carbono. La conexión entre los radios y la llanta hace que teóricamente la rueda perpendicular sea estable en sí misma, de modo que pueda absorber las fuerzas verticales. Sin embargo, en la práctica, la rueda también debe soportar efectos extremos laterales y de torsión. La absorción de estas fuerzas es posible gracias a al menos dos bridas de cubo. El apoyo en ambos lados resulta en el ángulo de los discos de los radios y puede absorber grandes fuerzas, comparables, por ejemplo, al mástil de un barco de vela, que se mantiene en su lugar lateralmente por los obenques pretensados.
Si uno de los radios se rompe, los otros radios son capaces de compensar inicialmente las fuerzas generadas. Sin embargo, a largo plazo, esto puede provocar la sobrecarga de los radios vecinos, por lo que el radio dañado debe ser sustituido lo antes posible.

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La brida del buje sostiene los radios lateralmente para que puedan soportar también la torsión en sentido horizontal.

La brida del buje sostiene los radios lateralmente para que puedan soportar también la torsión en sentido horizontal. © bc GmbH

Fuerzas que actúan sobre la rueda

Sobre la rueda actúan varias fuerzas, que se abordan con diferentes características de diseño. Las fuerzas verticales actúan sobre la rueda cuando te subes a la bicicleta: esta fuerza se transmite al buje a través de las punteras del cuadro y, por lo tanto, pende del radiado del arco superior de la llanta. Los radios que apuntan hacia abajo quedan así ligeramente aliviados. La fuerza vertical es más fuerte cuando golpeas un bordillo o aterrizas después de un salto. Las fuerzas laterales se producen con fuerza en las curvas o en el balanceo, pero también ya durante el movimiento pendular sinusoidal con el que se conduce en línea recta. Tus ruedas absorben estas fuerzas con el apoyo lateral de los radios. Las ruedas traseras en general y las delanteras con frenos de disco son asimétricas, con la consecuencia de que los ángulos de los radios no son los mismos en ambos lados ya que la brida del buje está insertada para dejar espacio para el disco de freno o cassette. Como la llanta debe estar centrada sobre el buje, la tensión de los radios es automáticamente mayor en el lado con el ángulo más obtuso que en el lado con el ángulo más agudo. Cuanto más ancho sea el buje y más agudo el ángulo de los radios, más estable será la rueda. La similitud de los ángulos de los radios y la precarga también contribuye a la estabilidad, por lo que las ruedas simétricas tienen una clara ventaja en este aspecto. Las llantas asimétricas ayudan a crear una mayor estabilidad desplazando su centro hacia los ángulos de los radios más agudos (es decir, hacia la izquierda para la rueda trasera, hacia la derecha para la rueda de disco delantera). De este modo, los ángulos de los radios se ajustan ligeramente y a menudo sólo se necesita una longitud de radio. Introduces fuerzas de torsión o de rotación en tu rueda al acelerar o desacelerar. La fuerza que tus piernas ejercen a través de las bielas en la cadena llega al cuerpo de buje a través del piñón y la rueda libre e intenta hacer girar el buje contra la llanta. Con frenos de disco (pero también con frenos de tambor o de contrapedal) ocurre lo mismo, sólo que en sentido contrario.

Radial vs. tangencial (patrón de cruce, lado de transmisión y freno)

En el caso del trenzado radial, el radio es la conexión más corta y directa entre el buje y la llanta - su extensión prevista se alinea a través del centro del eje de la rueda. Por ello, las ruedas con radios son lateralmente estables y ligeras. Al absorber los pares de torsión causados por la aceleración o el frenado (freno de disco, de contrapedal), el tranzado radial es de poca ayuda, ya que sólo puede transmitir pequeñas fuerzas de torsión. Por ello, las ruedas radiales son más adecuadas como ruedas sin freno (por ejemplo, en el remolque) o como ruedas delanteras con freno de llanta. Por lo tanto, el lado de la transmisión de la rueda trasera y el lado de los frenos de disco delanteros y traseros no deben trenzarse radialmente. Para absorber mejor las fuerzas de rotación, los radios deben llegar más planos al buje. Idealmente, un ángulo recto con respecto a una línea que se cruza con el centro del eje. La brida del buje actúa como una palanca: cuanto mayor sea el diámetro de la brida, más estable será la rueda. El equilibrio ideal entre peso y estabilidad lo el cruzado triple, por lo que es el más utilizada en las bicicletas. El número de cruces indica cuántos radios cruzan un radio entre el buje y la llanta. En el clásico cruzado triple, cada radio cruza su primer, tercer y quinto radios vecinos. Está por encima de los dos primeros radios de cruce, pero por debajo del tercero.

Rueda con radiado radial: el radio es la conexión más corta entre el buje y la llanta.
Rueda con radiado radial: el radio es la conexión más corta entre el buje y la llanta.

Rueda con radiado radial: el radio es la conexión más corta entre el buje y la llanta.

Rueda con cruzado de radios doble.
Rueda con cruzado de radios doble.

Rueda con cruzado de radios doble.

Rueda con cruzado clásico de radio triple: esta forma de radiado ofrece el equilibrio ideal de estabilidad y peso.
Rueda con cruzado clásico de radio triple: esta forma de radiado ofrece el equilibrio ideal de estabilidad y peso.

Rueda con cruzado clásico de radio triple: esta forma de radiado ofrece el equilibrio ideal de estabilidad y peso.

La influencia de la presión atmosférica

En el pasado, se utilizaban llantas muy blandas y finas en bicicletas de ruta. La altísima presión de aire (10-12 bares) que requerían las cubiertas muy angostas (18-21 mm), habituales en la época, comprimía la llanta - reduciendo por lo tanto la precarga de los radios. A medida que el ancho de cubiertas crecía lentamente, el problema se hizo menos relevante, las formas más modernas de las llantas y los mejores materiales contribuyeron por un lado, las cubiertas más anchas (23-25 mm) con la menor presión correspondiente de aire (6-9 bar) por otro. En el caso del ciclismo de montaña, el fenómeno no solía jugar prácticamente papel alguno. Sin embargo, desde que la tecnología tubeless se ha impuesto, las cubiertas se asientan mucho más en la llanta. El mayor ajuste de forma de ambos componentes, debido a las menores tolerancias de fabricación, mejora la estanqueidad del sistema. Sin embargo, en cuanto la cubierta se asienta completamente en la pestaña de la llanta, la comprime. En consecuencia, la precarga del radio se reduce, por lo que las ruedas tubeless deben tener una precarga mayor. Por lo tanto, al elegir las llantas y cubiertas debes tener en cuenta las especificaciones del fabricante acerca del peso del sistema de la rueda y el rango de presión de aire correspondiente.

¿Más rígido = mejor? Consideraciones para una flexión dirigida

Al construir ruedas personalizadas para tu bicicleta de montaña puedes influir con diferentes factores para que la rueda tenga la máxima rigidez o una determinada elasticidad. Hay diferentes filosofías aquí, que también se pueden encontrar en las ruedas de sistema, por ejemplo: el enfoque trasladado de las motos de cross a las E-Mountainbikes modernas, por ejemplo, establece que la rueda trasera debe ser lo más rígida y ancha posible y también puede ser más pequeña porque transmite la fuerza motriz y está expuesta a las mayores fuerzas laterales en las curvas debiendo ser más ágil. La rueda delantera, en cambio, puede ser un poco más "complaciente" para proporcionar la máxima tracción. Por ello es un poco más angosta y más grande. Muchas ruedas Mullet, es decir, de 29 pulgadas adelante y de 27,5 pulgadas atrás, tienen en cuenta esta consideración, así como los juegos de ruedas de sistema del Familia Crankbrothers Synthesis. El punto de vista opuesto aboga por unas ruedas delanteras más rígidas para conseguir la máxima precisión en la dirección y unas ruedas traseras de diseño algo más flexible que sigan mejor el terreno. Un ejemplo extremo de esta filosofía fue el primer juego de ruedas Crossmax Enduro Mavic desarrollado con Fabien Barel con 24 radios adelante y sólo 20 atrás. Con la línea 3Zero Moto Zipp le apuesta completamente a complacencia y flexibilidad dirigida a una máxima tracción, que cuenta con las llamadas llantas de pared simple en lugar de las habituales llantas huecas, que permiten que la rueda se retuerza específicamente alrededor del asiento de las cabecillas, aumentando el área de contacto de la cubierta con el suelo. Zipp lo denomina ankle compliance en referencia al modelo biomecánico del tobillo humano.
Solo tú puedes decidir cual es el enfoque más adecuado para ti y para tu estilo de conducción. Y esa es precisamente la gran ventaja de las ruedas individuales: tienes la posibilidad de escoger, dentro de las posibilidades físicas, tus prioridades, pudiendo construir así la mejor rueda para ti. En nuestros demás textos temáticos encontrarás una gran cantidad de consejos acerca de la fabricación de ruedas:

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