¡Ciclista, ponte el casco! O mejor no. ¡O yo qué sé!

Este artículo es una traducción-adaptación del original que escribí en inglés para Mapping Ignorance.

When cycling, wear a helmet...or maybe don't

Si tienes una bici es más que probable que también tengas un casco. Si te caes de la bici el casco puede evitar heridas en la cabeza. Parece bastante obvio… si no fuera por el hecho de que no lo es. Empecemos con un cierto nivel de escepticismo, y aunque parezca de primero de lógica que los cascos ayudan, vamos a pedir pruebas de ello. Pero no sé yo cómo se estudia esto… no parece muy ético empujar a ciclistas con y sin casco a distintas velocidades para ver la gravedad de sus heridas en un ensayo clínico. Tampoco sé quién se prestaría a participar en este estudio voluntariamente. Así que es necesario realizar un estudio de tipo caso-control, donde se reúnen los datos disponibles y se intenta establecer una relación causal entre los efectos estudiados. En nuestro ejemplo podemos buscar los registros de accidentes con ciclistas, donde se registra si llevaban casco o no, y los tipos de herida sufridos. Si existe cierta correlación puede que hayamos encontrado la prueba de que los cascos son útiles. Estos estudios también son llamados estudios epidemiológicos, puesto que fueron desarrollados como una herramienta para luchar contra epidemias, cuando estudios aleatorizados no eran posibles debido a la urgencia de las medidas a tomar.

Y después de muchos artículos científicos estudiando distintas comunidades, Attewell et al realizaron en 2001 [1] un meta-analysis con artículos de entre 1987 y 1998 en los que se había anotado el uso del casco y las heridas craneales. Y encontraron que el casco protege, y mucho, contra heridas craneales, encefálicas, faciales y fatales; mientras que propicia heridas en el cuello. La conclusión obvia es que llevar casco debería ser obligatorio, igual que lo es llevar cinturón en los vehículos a motor. Y aun así, casi no hay países que hayan promulgado este tipo de leyes; algunos lo han hecho, como Australia y Nueva Zelanda, por ejemplo, lo que permite recopilar datos que incluyan el periodo antes y después de la entrada en vigor de la obligatoriedad del casco para ciclistas [2]. Y mirando la siguiente figura, vemos que… no hay ningún efecto apreciable?

Figure 1: Percentage of cyclists wearing helmets and percentage of head injuries in New Zealand | Credit: Robinson (2001)

Porcentaje de ciclistas que llevan casco y porcentaje de heridas craneales en Nueva Zelanda [2].

Vale, espera. Los científicos del primer artículo habían dicho que la protección ofrecida por el casco era estadísticamente significativa. Pero resulta que en Nueva Zelanda, tras incrementarse el uso del casco en adultos del 43% al 92%, no hay un cambio de tendencia en las heridas en la cabeza? Además, la mayoría de la chavalada ya llevaba casco antes de la entrada en vigor de la ley, por lo que podemos mirarlo de otra manera: la tendencia de sufrir heridas para adultos y jóvenes es la misma a pesar de que el cambio en el uso del casco no lo es. Total, que parece que los estudios que prometían que el casco era útil no concuerdan con los análisis a posteriori de la implantación del uso obligatorio del casco. Robinson [3] ha realizado una buena revisión sobre los resultados de estas leyes, y son bastante similares para distintas regiones de Australia. Pero (siempre hay un pero) existe un estudio de 1995 en que se encontró evidencia de que la implantación de la ley en Victoria (la provincia de Melbourne, al sudeste de Australia) redujo las heridas en la cabeza de ciclistas en un asombroso 40% [4], y este estudio ha sido enarbolado por todos los promotores de leyes de obligatoriedad del casco en ciclistas. Pues bien, el estudio tiene una pequeña tara. Y estoy siendo sarcástico, porque es una pasada de frenada gigantesca: el número de ciclistas se redujo drásticamente tras la implantación de la ley, y para calcular el porcentaje de reducción de las heridas miraron los valores absolutos de heridos, y no las heridas por cada 100 ciclistas (o cualquier valor relativo al número total de personas circulando). Lógico, si tienes la mitad de gente que puede accidentarse, también tendrás la mitad de heridas, no? Un dato curioso es que este estudio no había pasado por una revisión por pares, era sólo un informe. En una revisión por pares este error habría cantado como una almeja.

Pues después de todos estos líos, en 2009 llega la caballería pesada: The Cochrane Collaboration publica un nuevo meta-estudio [5] juntando los resultados en literatura científica sobre la relación entre usar cascos en bicicletas y heridas craneales. El resultado, de nuevo, es que los cascos reducen el número de heridas, y por un porcentaje aún mayor que el meta-análisis de Attewell. Y a ver quién le tose a Cochrane. Pues en 2011 Alvik [6] no les tose sólo a ellos, sino que hace un re-análisis de todos los meta-análisis en busca de algo concreto: errores por sesgo de publicación. Y es que los meta-análisis son búsquedas de todo el material científico existente sobre un tema concreto para analizar los datos conjuntamente, pero dependiendo de la calidad metodológica de los trabajos, se pueden descartar algunos de ellos por no alcanzar un cierto estándar. El problema es que esto es subjetivo, y por lo tanto está sujeto a sesgos. El Sesgo de Publicación indica la tendencia a no publicar estudios donde los resultados no son estadísticamente significativos, por no ser tan interesantes como los que sí los tienen, o porque contradice las expectativas de los revisores, o incluso porque va en contra de los intereses de las entidades que han financiado el estudio. Alvik encontró también sesgo de tendencia (time-trend bias), en que un grupo de resultados se consideran en conjunto en lugar de considerarlos repartidos en el tiempo, o incluso que los cascos han evolucionado mucho en 20 años y ni se menciona dicha evolución y sus consecuencias en el meta-análisis. Además, añadió los estudios más recientes al meta-estudio para completarlo. El resultado es que, cuando se corrigen los sesgos, la eficacia de los cascos se reduce. Pero lo más sorprendente es que los últimos estudios incluidos no encuentran una relación estadísticamente significativa entre el uso del casco y las heridas en la cabeza, por lo que la eficacia se reduce aún más.

Por qué los últimos estudios científicos no encuentran una relación concluyente entre el casco y la protección del cráneo? Y por qué las leyes de obligatoriedad de uso del casco en ciclistas no cambian la tendencia de las heridas craneoencefálicas? Puede ser por factores externos, como por ejemplo cómo te ven el resto de conductores. Walker [7] estudió la distancia de adelantamiento de vehículos a ciclistas bajo distintas condiciones, y descubrió que llevar casco hacía que dejaran menos espacio lateral al adelantar. También descubrió que cuando el ciclista lleva peluca larga para hacerse pasar por una ciclista mujer, los conductores dejaban más espacio al adelantar que respecto a los ciclistas varones. Pero de nuevo, este estudio ha sido tumbado por otros investigadores [8], como mínimo en lo estadísticamente significativas que son las conclusiones del casco.

El no-descenso de heridas en la cabeza también puede ser debido al efecto de compensación de riesgos: cuando alguien se siente protegido con el casco tiende a ser menos precavido y tomar más riesgos. En [9] descubrieron que ciclistas veteranos circulando cuesta abajo iban a menor velocidad cuando no llevaban casco; y tanto [9] como [10] encontraron dos subtipos de ciclistas: los veteranos, más profesionales y bien equipados, que se centran en la cara deportiva del ciclismo; y los casuales, que circulan con menos frecuencia, recorridos más cortos y a menor velocidad, centrados en la bici como un medio de transporte. Pues resulta que el segundo tipo de ciclistas no cambia su comportamiento al llevar casco. Es decir, no aplica compensación de riesgos, porque no tiene experiencia como para evaluar el riesgo de manera objetiva. Y además, resulta que las leyes de obligatoriedad de casco hacen que se reduzca el número de ciclistas casuales (probablemente porque dichas leyes pintan las bicicletas como algo peligroso que puede acabar con tu vida, aunque sea de manera indirecta). Esta reducción tiene dos efectos: a) quitas de la carretera a los ciclistas más precavidos, dejando una mayor proporción de aquellos que sí que aplican compensación de riesgos, y b) reduces el número total de ciclistas, con la consiguiente des-normalización del uso de la bici como medio de transporte, lo que reduce la seguridad de los ciclistas que quedan (debido al efecto denominado “safety in numbers”: cuantos más sean, más seguro es de manera individual).

Un pequeño resumen para concluir: de acuerdo a la literatura científica llevar casco reduce las heridas en la cabeza, pero las leyes de obligatoriedad no obtienen los resultados esperados. Puede ser porque los ciclistas casuales (los más precavidos) deciden no coger la bici, junto con la compensación de riesgos en ciclistas veteranos. Estas leyes no son eficientes (cost-effective) y los recursos que utilizan serían más útiles en otras áreas que podrían ayudar más, como por ejemplo reducir el límite de velocidad en áreas urbanas o mejorar las ciudades para los ciclistas. Aun así, ponte el casco cuando vayas en bici, es útil en caso de accidente. Son otros factores los que estropean el conjunto.

Referencias

[1] R.G. Attewell, K. Glase, M. McFadden, Bicycle helmet efficacy: a meta-analysis, Accident Analysis & Prevention, Volume 33, Issue 3, May 2001, Pages 345-352, ISSN 0001-4575, http://dx.doi.org/10.1016/S0001-4575(00)00048-8

[2] D.L. Robinson Changes in head injury with the New Zealand bicycle helmet law. Accid Anal Prev. 2001 Sep;33(5):687-91.

[3] D.L. Robinson, No clear evidence from countries that have enforced the wearing of helmets, BMJ. 2006 March 25; 332(7543): 722–725. doi: 10.1136/bmj.332.7543.722-a

[4] Carr D, Skalova M, Cameron M. Evaluation of the bicycle helmet law in Victoria during its first four years. Melbourne: Monash University Accident Research Centre, 1995. http://www.monash.edu.au/miri/research/reports/muarc076.pdf

[5] Thompson DC, Rivara F, Thompson R, Helmets for preventing head and facial injuries in bicyclists (Review), The Cochrane Collaboration, 2009 . Published by John Wiley & Sons, Ltd. http://www.thecochranelibrary.com/userfiles/ccoch/file/Safety_on_the_road/CD001855.pdf

[6] Rune Elvik, Publication bias and time-trend bias in meta-analysis of bicycle helmet efficacy: A re-analysis of Attewell, Glase and McFadden, 2001, Accident Analysis & Prevention, Volume 43, Issue 3, May 2011, Pages 1245-1251, ISSN 0001-4575, http://dx.doi.org/10.1016/j.aap.2011.01.007

[7] Walker I., Drivers overtaking bicyclists: objective data on the effects of riding position, helmet use, vehicle type and apparent gender. Accid Anal Prev. 2007 Mar;39(2):417-25. Epub 2006 Oct 24. PubMed PMID: 17064655.

[8] Olivier J, Walter SR. Bicycle helmet wearing is not associated with close motor vehicle passing: a re-analysis of Walker, 2007. PLoS One. 2013 Sep 25;8(9):e75424. doi: 10.1371/journal.pone.0075424. eCollection 2013. Erratum in: PLoS One. 2014;9(1).
doi:10.1371/annotation/7e009550-a92d-49a2-8053-e6fcf7612966.. PubMed PMID: 24086528; PubMed Central PMCID: PMC3783373.

[9] Phillips RO, Fyhri A, Sagberg F.,  Risk compensation and bicycle helmets. Risk Anal. 2011 Aug;31(8):1187-95. doi: 10.1111/j.1539-6924.2011.01589.x.

[10] Aslak Fyhri, Torkel Bjørnskau, Agathe Backer-Grøndahl, Bicycle helmets – A case of risk compensation?, Transportation Research Part F: Traffic Psychology and Behaviour, Volume 15, Issue 5, September 2012, Pages 612-624, ISSN 1369-8478, http://dx.doi.org/10.1016/j.trf.2012.06.003.

Las bicis de bambú son mejores… para tus nalgas

Bamboo bikes are better for your buttocks
Cortesía de Erba Cycles

Este artículo está basado en el publicado originalmente en inglés en Mapping Ignorance: Bamboo bikes are better for your buttocks

Las bicis son el medio de transporte más sostenible en entornos urbanos. Pero al hablar de sostenibilidad hay que diferenicar entre dos casos diferentes: por un lado necesitamos sostenibilidad energética, ya que los combustibles fósiles no durarán para siempre y las emisiones generadas son muy poco saludables. Las bicis cumplen con este criterio a la perfección, al ser nosotros mismos los que ponemos al energía para conducirlas; y por otro lado tenemos la sostenibilidad en la fabricación, ya que los materiales usados para construir cualquier producto, aunque no desaparezcan durante el proceso como los combustibles, no son ilimitados y se han de utilizar con cuidado para no gastarlos completamente. Además, el procesado de estos materiales también consume energía y genera resíduos, lo que también ha de ser minimizado de cara a la sostenibilidad. Por ejempplo, las actuales bicis de aluminio son una opción de bajo peso que usa uno de los materiales que más recursos utiliza durante su manufactura.

¿Y si sustituimos estos materiales en el cuadro con algo que podamos cultivar? Esta idea no es nueva ni revolucionaria: las primeras bicicletas estaban hechas de madera. Pero aun así, la madera también tiene que ser procesada para obtener la forma adecuada para tu bicicleta. Hay una alternativa muy buena que prácticamente no necesita procesado: las cañas de bambú. Un tubo de madera con un comportamiento estructural envidiable y que se pueden cortar a la medida necesaria parece la elección perfecta para bicicletas. Se usan mucho en Asia Oriental como elemento estructural, y son una de las plantas con crecimiento más rápido del mundo. Pues también llegamos tarde: la bicicleta de bambú fue patentada en 1894 en Inglaterra. No tuvo mucho éxito entonces, pero parece que está viviendo una segunda juventud: debido a su bajo coste es una opción de mucho éxito en países pobres, especialmente en África (The Bamboo Bike Project). También es muy trendy en el mundo desarrollado, y los fabricantes de bicis los están añadiendo a sus catálogos.

En una entrada anterior comprobamos que una bicicleta es auto-estable a ciertas velocidades, y cómo se puede aumentar su estabilidad mediante la modificación de determinados parámetros del modelo. Pero este modelo tenía un cuadro rígido, mientras que los cuadros de las bicis de bambú son mucho más flexibles que los cuadros de aluminio, y es posible que estemos simplificando demasiado el modelo. Investigadores de la universidad Oxford Brookes [1] han desarrollado una metodología que permite comparar cómo la flexibilidad del cuadro afecta al confort del usuario. Y es que es muy difícil cuantificar el confort en bicicletas (o en la mayoría de los medios de transporte). La respuesta dinámica depende del conjunto ciclista-bicicleta-carretera, y los modos de vibración son función de bastantes parámetros: cuadro, ruedas, incluso el propio ciclista influye en el comportamiento global. La parte más dificil de analizar son los neumáticos, puesto que poseen una gama de propiedades extremadamente variable dependiendo del material del que estén fabricadas.

En este artículo, la relación entrela topología de la carretera y las vibraciones del ciclista se calcularon de manera teórica y fueron validadas con experimentos, y se presentan en la forma de funciones de respuesta en frecuencia. Pero existe una relación bastante compleja entre las aceleraciones que sufre una persona y las que él o ella percibe (lo que podríamos  denominar como confort.) Por ejemplo, para el mismo nivel de aceleración vertical, estar sentado es más incómodo que estar de pié; distintas frecuencias con la misma aplitud se notan de manera diferente; hasa la dirección de las vibraciones tiene influencia sobre el confort, con las aceleraciones angulares siendo más incómodas para frecuencias bajas de la excitación. Así es la percepción humana. Los autores del artículo juntaron toda la información disponible y, usando la norma ISO 2631 (“Evaluation of Human Exposure to Whole-Body Vibration”) [2] desarrollaron una metodología para tener en cuenta la influencia de cada una de las vibraciones en el confort de una persona montando en bicicleta.

El bambú es un material compuesto (composite), al igual que cualquier material orgánico. Está compuesto de fibras embebidas en un material que lo compacta todo, y dichas fibras tienen una cierta dirección: en este caso paralela al tubo. Es por eso que funcionan tan bien a tracción, y medianamente bien a compresión y a flexión, pero no tan bien cuando las tensiones son perpendiculares a las fibras. Durante la flexion, las fibras se tensan en un lateral y comprimen en el otro, de manera que el régimen de tensiones también es favorable. Además, la amortiguación estructural del bambú es mayor que la de cualquier metal común, por lo que disipará más energía que los metales, resultando en variaciones más suaves en la transferencia de vibración.

¿Y qué consecuencias tiene esto en el comportamiento dinámico de la bicicleta? Pues muchas, ya que la transferencia de vibraciones del suelo al ciclista será completamente diferente. Por una parte, un mayor amortiguamiento reducirá los picos de los impactos del asfalto. Y por otra, una mayor flexibilidad reducirá el nivel de las fuerzas transferidas. Pero las frecuencias naturales del sistema se producirán a frecuencias más bajas, es decir, las vibraciones que sobreexcitan el conjunto ciclista-bicicleta serán a frecuencias menores. Dependiendo de la carretera por la que estemos circulando puede llegar a ser más incómodo.

Mirando las funciones de transferencia como las de la siguiente figura se ven estas diferencias entre una bici de bambú y una de aluminio. Los modos de vibración de la bici de bambú tienen una menor frecuencia debido a su mayor flexibilidad; además están mucho más amortiguados, con picos significativamente menores. La diferencia en transferencia de la rueda delanterea no es tan evidente, porque la transmisión de vibraciones se realiza de manera directa a los brazos a través de la horquilla, que no está trabajando a flexión, donde la diferencia de comportamiento entre materiales es más evidente, sino a compresión.

Figure 2. Transference of the excitation from between rear wheelset and seat for aluminium frame (blue) and bamboo frame (red)  | Credit: Thite et al (2013)
Figura 1. Transferencia de la excitación entre la rueda trasera y el sillín para estructura de aluminio (azul) y bambú (rojo) [Thite et al 2013]

Pero tal y como hemos comentado con antelación, vibración no es equivalente a confort. Aun así, las vibraciones ponderadas según su metodología son similares (Figura 2). El confort en el sillín es menor para cuadros de bambú, y sigue sin haber diferencia en la transferencia por el manillar.

Figure 3. Seat weighted acceleration for aluminium frame (blue) and bamboo frame (red) running over a standardized road | Credit: Thite et al (2013)

Figura 2. Transferencia ponderada de la excitación entre la rueda trasera y el sillín para estructura de aluminio (azul) y bambú (rojo) [Thite et al 2013]

Así que la conclusión es que, para una bici de uso general, es mejor que el cuadro sea de bambú. Es más barato que el de aluminio y tiene una menor huella ecológica. Desde un punto de vista de confort, los cuadros de mambú son también mejores, pero no tienen un gran efecto para las vibraciones del manillar. Sólo notaras la mejora en tus nalgas, que por otra parte son bastante sensibles. ¿Afecta la flexibilidad estructural a la dinámica lateral de la bicicleta? Alguien debería estudiarlo, no queremos que sean menos seguras para los ciclistas.

Referencias

  1. Thite A.N., Gerguri S., Coleman F., Doody M. & Fisher N. (2013). Development of an experimental methodology to evaluate the influence of a bamboo frame on the bicycle ride comfort, Vehicle System Dynamics, 51 (9) 1287-1304. DOI: 
  2. International Organisation of Standardisation, ISO 2631-1, Mechanical Vibration and Shock – Evaluation of Human Exposure to Whole-Body Vibration, Geneva, 1997. 

La física de tu bicicleta

Esta es una traducción de un artículo que publiqué originalmente en Mapping Ignorance el 16-10-2013 – The theory on how to ride your bike.

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Las bicicletas son un medio de transporte que gana mucho atractivo en areas urbanas, debido principalmente a las políticas locales para reducir el impacto del tráfico rodado en el día a día de la ciudad. Los ayuntamientos construyen carriles-bici, convierten carreteras en vías para ciclistas y peatones, y aplican soluciones similares para promover el uso de este medio de transporte ecológico. Sin embargo, esto tiene un coste oculto: mientras que las muertes en cualquier otro medio de transporte descienden con los años, los accidentes de bici se mantienen constantes, con un aumento del número de heridos graves; de estos accidentes, un 80% lo son con un solo vehículo involucrado, es decir, la bicicleta pierde el equilibrio y se cae con consecuencias catastróficas. La principal razón es que cada vez más personas mayores montan en bici: un 75% de las muertes son personas de más de 60 años. Y el hecho es que, hasta hace unos años, no habíamos entendido realmente qué hace que una bicicleta sea estable y como mejorar dicha estabilidad. Schwab & Meijaard 1 han hecho una revisión bibliográfica muy exhaustiva sobre dinámica de bicicletas, incluyendo su últimos estudios en el tema.

Comencemos con un ejercicio imaginario. Agarra una bicicleta, sujétala en posición vertical y suéltala. Puedes hacerlo con una bici real si no te importa que acabe con unos arañazos de más. Parece bastante obvio que la bici se caerá hacia un lado: una bicicleta parada es inestable.  Ahora, prestad atención al siguiente vídeo:

A una determinada velocidad la bicicleta es estable sin necesidad de control activo (es “auto-estable” – self-stable), durante un tiempo considerable, hasta que la velocidad se reduce lo suficiente para que vuelva a ser inestable. Literalmente, la puedes conducir sin usar las manos. Que sea estable significa que puedes introducir una perturbación lateral y el sistema vuelve a su posición de equilibrio:

Figure 1. Simplified rigid multibody model of a bicycle. Four main components: rear wheel, rear frame, front frame and front wheel. The lateral degrees of freedom are the rear frame roll angle and front frame steering angle | Credit: Schwab et al (2013) .
Figura 1. Modelo multicuerpo simplificado de una bicicleta. Cuatro componentes principales: rueda trasera, cuadro, horquilla y rueda delantera.  Los grados de libertad laterales son el balanceo del cuadro y el ángulo de guiado de la horquilla [Schwab et al (2013)] .

Cuando se estudia de manera teórica un modelo multicuerpo rígido de bicicleta (Figura 1), se observa que para un rango determinado de velocidades todos los autovalores del sistema tienen parte real negativa (Figura 2). Esto significa que cualquier combinación de desplazamientos de los diferentes grados de libertado del sistema tendrán un comportamiento amortiguado, haciendo que la bicicleta sea estable. Para velocidades menores, la bici cae con una combinación de guiado y balanceo, la manera más común de caerse de una bicicleta. Sin embargo, para velocidades mayores el modo inestable dominante es un volcado en que el ángulo de balanceo se incrementa haciendo que la bici tome una espiral de radio decreciente hasta que vuelca. La parte real de este modo inestable es muy cercana a cero, por lo que al conductor le resulta muy sencillo controlar activamente su estabilidad. Para el caso de la inestabilidad a baja velocidad, el valor de la raiz positiva se incrementa de manera constante cuando se reduce la velocidad, por lo que la bici cada vez se hace más dificil controlar cuando nos acercapos a velocidad cero, tal y como hemos experimentado la mayoría de nosotros con nuestras propias bicicletas.

Figure 2. Eigenvalues from the linearized stability analysis of the simplified multibody bike, where the solid lines correspond to the real parts and the dashed line corresponds to the imaginary part of the complex eigenvalues | Credit: Schwab et al (2013).
Figura 2. Autovalores obtenidos del análisis de estabilidad lineal del modelo multicuerpo de bici simplifcado. Las líneas sólidas corresponden a la parte real y las discontinuas a la parte imaginaria de los autovalores complejos. [Schwab et al (2013)].

Cuando el conductor controla la bicicleta, sólo puede controlar un grado de libertad: el ángulo de guiado de la rueda delantera. Así que para cualquier caso la bici se controla por guiado: cuando se balancea hacia la izquierda, el conductor gira el manillar hacia la izquierda, cambiando la dirección del punto de contacto y generando fuerzas laterales en el contacto rueda-carretera que centrarán la bici de nuevo. Este mecanismo se llama steer into the fall” (guiado hacia la caída), y se puede observar incluso cuando la bici circula con una velocidad que la hace auto-estable y sufre una excitación lateral. La propia bici gira hacia donde cae, lo que le permite recuperar el equilibrio.

Entonces, cual se la razón por la que una bici es auto-estable a una determinada velocidad? Hay dos grupos de personas que se enfrentan con diferentes teorías: los que creen que la estabilidad se debe al efecto giroscópico en las ruedas; y los que creen que la estabilidad la genera el efecto caster de la rueda delantera (“rueda pivotante”, a falta de una traducción mejor). ¿Pero, se sigue discutiendo sobre esto? ¿Quién tiene razón?

Efecto Giroscópico

El efecto giroscópico es una propiedad muy interesante de elementos rotativos que permite que objetos con una velocidad angular elevada mantengan la dirección sobre la que rotan en el espacio. Por lo tanto, las ruedas de una bicicleta en movimiento tienden a mantener su posición de equilibrio. Pues no; o como mínimo el efecto giroscópico no es suficiente. Para comprobar esto bloquearon el manillar. De esta manera, si el efecto giroscópico fuera suficiente para mantenerla estable, la bici debería mantener la trazada para estas velocidades. El resultado es que la bici se cae igual de rápido que una bici parada:

Pero aún hay más efectos interesantes en giroscopios: si el eje del elemento que rota a gran velocidad se gira respecto a otro eje, aparece un desplazamiento angular alrededor de un tercer eje (ortogonal) para que el momento angular se mantenga constante. Aplicando esto a nuestro caso particular, cuando la bici se inclina hacia la izquierda, el efecto giroscópico maniobrará la rueda hacia la izquierda, y como ya hemos dicho girar hacia la caída es la manera adecuada de mantener la bici en equilibrio. Pero aun así, éste no es el único mecanismo que garantiza estabilidad, puesto que se puede construir una bici sin inercia angular y aún así conseguir que sea estable:

Efecto Caster

El castering es un mecanismo de guiado que ocurre cuando el eje de guiado se sitúa por delante del punto de rodadura. Como ejemplo del día a día, la mayoría de los carros de supermercado tienen ruedas de este tipo: no importa donde vayas, las ruedas siempre apuntan a la dirección del movimiento. En el caso de la bici, cuando se inclina hacia un lado la geometría de la rueda delantera, que tiene un ligero efecto caster, hará que la rueda gire hacia el mismo lado. Entonces, el guiado hacia la caída hará que la bici se equilibre de nuevo. Sin embargo, resulta que también se pueden diseñar bicicletas sin efecto caster que son auto-estables: el prototipo del anterior vídeo también tiene efecto caster nulo. Los autores ya publicaron este resultado en Science en 2011 2.

Así que la estabilidad de las bicicletas no es tan sencilla como parece. Existen varios mecanismos que contribuyen a la estabilidad del sistema, pero ninguno de ellos es realmente necesario: una distribución de masas adecuada con un eje de guiado adecuado dará como resltado una bici perfectamente estable. En este caso, la masa del cuadro se sitúa adelantada y elevada, mientras que la masa del manillar se sitúa por delante del eje de guiado. Esta disposición de las masas hace que, al aparecer un ángulo de guiado, el cuadro caerá más deprisa debido a la mayor altura de su centro de gravedad; pero al estar conectados, arrastrará la horquilla con él, guiandolo en la dirección crrecta, hacia la caída.

En una bicicleta común la lista de parámetros que se pueden analizar es enorme. De hecho, el modelo de la Figura 1 está extremadamente simplificado para poder concentrarse en los parámetros más característicos de la bici. Estudiar estos parámetros no considerados se podrían conseguir muchas más  combinaciones de geometrías auto-estables.

Estos estudios son muy útiles en varios aspectos. Para empezar, hace tiempo que se construyen nuevos tipos de bicicletas con gemetrías no tradicionales, p. ej. las bicis de los sistemas de alquiler urbanos en grandes ciudades tienen el centro de gravedad muy bajo y las ruedas de menor diámetro, y por eso no son tan fáciles de conducir. Un estudio paramétrico de estas bicicletas podría mejorar mucho su estabilidad. Otro ejemplo de geometría poco convencional son las bicicletas plegables con ruedas aun más pequeñas y geometrías mucho más peculiares adaptadas al sistema de plegado.

Otra característica interesante de las bicicletas clásicas es que, para velocidades negativas, son inestables bajo cualquier condición. Si la tratas de concucir hacia atrás lo tendás muy difícil.

Toquetear los distintos parámetros puede hacer que una bici con guiado trasero sea auto-estable. De hecho, los autores consiguieron construir una en su laboratorio. Honestamente, no sé qué utilidad tiene el guiado trasero, pero sigue siendo muy interesante desde un punto de vista teórico.

¿Y si incluimos un control activo en el guiado para que la bici no se caiga? Un mecanismo integrado que controle activamente el ángulo de caída actuando sobre el grado de libertad de guiado sería extremadamente útil para evitar los accidentes con un único involucrado mencionados en el primer párrafo. Y, de hecho, el sistema de control es muy fácil de construir:

Incluir esto en una bicicleta convencional permitiría una estabilidad increible, reduciendo las caídas a prácticamente cero. Sin embargo, este sistema necesita actuadores eléctricos, así que ya que nos ponemos se puede incluir un motor eléctrico o un sistema de ayuda al pedaleo. Este sería, sin ninguna duda, el vehículo personal más útil y ecológico para areas urbanas.

Referencias

  1. Schwab A.L. & Meijaard J.P. (2013). A review on bicycle dynamics and rider control, Vehicle System Dynamics, 51 (7) 1059-1090. DOI:
  2. J.D.G. Kooijman, J.P. Meijaard, J.P. Papadopoulos, A. Ruina, and A.L. Schwab (2011): A bicycle can be self-stable without gyroscopic or caster effects, Science 332, pp. 339–342.

Notas

Esta entrada participa en el cuatigésimo noveno Carnaval de Física alojado por El Zombi de Schrödinger en su pedazo de blog cuantozombi.com y dedicado a la física de los objetos cotidianos. Como una bici. Por ejemplo.

Cuatrigésimo noveno nada menos!

Menudo logo que se ha currado. Os habéis fijado en la similitud con la imagen de cabecera de la entrada? *guiño-guiño*

¿Ruedas independientes estables? Inviértelas

Imagen

“Tram in curve” by m1y2

Los trenes clásicos tienen ejes rígidos: ambas ruedas están unidas y tienen los mismos grados de libertad, por lo que comparten todos sus desplazamientos y giros. Además, tienen conicidad positiva, es decir, la superficie de la rueda en el contacto rueda-carril es cónica y, si extendemos estos conos ideales, su base se une en el centro del eje. Esta geometría bi-cónica es estáticamente estable y permite tomar curvas, por lo que el vehículo es estable hasta una determinada velocidad.

Este es un extracto en castellano de mi último artículo para Mapping Ignorance, la nueva iniciativa de la Cátedra de Cultura Científica de la UPV-EHU. El original está escrito en inglés, y os recomiendo leer otros artículos de MI sobre diferentes temáticas. Puedes seguir a Mapping Ignorance en Twitter y Facebook para estar al tanto de las últimas actualizaciones.

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Robótica Biomimética

Se acaba de publicar mi última entrada en Mapping Ignorance y me he dado cuenta de que no escribí nada en el blog sobre la anterior… así que una entrada con dos artículos para leer, ambos sobre biomimesis.

Moscas robóticas consiguen volar

Credit: Scientific American

Hace unos años, debido a una repentina y drástica reducción del número de abejas, los científicos se dieron cuenta de que si estos insectos desaparecieran sería el final de la agricultura tal y como la conocemos, ya que son los principales polinizadoras agrícolas en USA. Podríamos sustituir estos polinizadores por abejas artificiales? Construir una colmena electro-mecánica tiene muchos retos, siendo los más importantes el comportamiento colectivo de la colmena y la construcción de robots miniaturizados.

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Los aspectos más duros de caminar por la arena

Lizard in Sossusvlei | Credit: Monica Guy

La locomoción de cualquier sistema movil, vivo o fabricado, se produce por la interacción entre algunos componentes móviles o apéndices y el entorno. Esto es aplicable para cualquier tipo de entorno: tierra, agua o aire. Para el agua y el aire, las ecuaciones de Navier-Stokes permiten una predicción de la interacción con el fluído con mucha precisión. En el caso de la locomoción terrestre, hay modelos muy simples para modelar la interacción con suelos rígidos, pero no hay un modelo que pueda predecir con precisión el comportamiento de un móvil avanzando a traves de “suelo fluidificado”, como por ejemplo hierba, una capa de hojas, barro o arena.

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Cuando los gnomos se sientan en carriles

Credit: Brian Bogardus

Al final de los años 60 apareció un nuevo tipo de defecto en carriles, cuando algunas líneas británicas fueron actualizadas, al que se bautizó como “Squat” en “una de las contribuciones más prosaicas de los ingenieros a la etimología”. Squat significa agacharse y sentarse sobre los tobillos, y el defecto parece que provenga de “un gnomo muy pesado se ha sentado encima del carril, produciendo una mella con forma de dos lóbulos de tamaño similar.”

Este es un extracto en castellano de mi último artículo para Mapping Ignorance, la nueva iniciativa de la Cátedra de Cultura Científica de la UPV-EHU. El original está escrito en inglés, y os recomiendo leer otros artículos de MI sobre diferentes temáticas. Puedes seguir a Mapping Ignorance en Twitter y Facebook para estar al tanto de las últimas actualizaciones.

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