La física y las bicicletas

Es difícil encontrar a alguien que no pueda montar en una bicicleta y dar un paseo. De hecho la mayoría de la gente puede hacerlo incluso sin usar las manos. Sin embargo, este extraño vehículo solo se apoya en el piso sobre dos puntos, hecho que, al menos en principio, no bastaría para mantener el equilibrio. ¿Qué hay de cierto en la frase “más fácil que andar en bicicleta”?

Durante más de 150 años los físicos han estado ocupados resolviendo el problema de la estabilidad de la bicicleta. Ni siquiera los fabricantes de estos cacharros han sido capaces de explicar con precisión cómo funciona su producto. Durante décadas se han limitado a ajustar y mejorar sus características a través de la experimentación directa (el clásico truco del “ensayo y error”), sin utilizar modelos matemáticos que les ayudasen a diseñar buenas bicicletas. Y todos los ciclistas, en un acto de fe,  simplemente nos montamos encima y no nos caemos al andar.

La bicicleta es probablemente el único vehículo que aprendemos a conducir cuando somos niños y que utilizamos durante el resto de nuestra vida. Sin embargo, rara vez nos detenemos a pensar en los conceptos físicos que están relacionados con ella, aunque a simple vista parezca imposible que alguien pueda mantenerse en equilibrio sobre dos ruedas. De hecho, al contrario de lo que ocurre con los coches, una bicicleta no se mantiene parada si no es con ayuda de algún tipo de apoyo externo. Evidentemente, el disponer de solo dos puntos de contacto con el piso ayuda muy poco a que conserve el equilibrio. Sin embargo, cualquier niño puede aprender a montar en bicicleta en muy poco tiempo. ¿Cuál es el secreto?

Una buena pista es el hecho de que el estar “en movimiento” ayuda a no caernos. Como habrás comprobado, si que te quedas quieto sobre la bicicleta (a “cero kilómetros por hora”), rápidamente te inclinas hacia uno u otro lado y te caes. De poco sirve que muevas el manubrio como loco o que hagas cualquier pirueta con manos y pies: salvo que seas un consumado equilibrista, con la bicicleta detenida te caes. Por el contrario, cuando te desplazas mas o menos rápido, resulta tan sencillo mantener el equilibrio que incluso puedes conducir tu bici con las manos en los bolsillos. Evidentemente, el movimiento ayuda a mantener el equilibrio. Pero… ¿por qué?

Cuando la bicicleta avanza, sus ruedas están girando. Evidentemente, esa es la única diferencia entre una bici detenida y una que va a todo gas. Entonces, para resolver nuestro enigma deberíamos concentrarnos en lo que ocurre cuando un cuerpo gira. Aunque no necesitemos saber nada de física para disfrutar de un paseo en bicicleta, parece que esta ciencia es necesaria para explicar por qué no nos quebramos un par de huesos al hacerlo. Algunos de los conceptos físicos presentes en una máquina tan simple como esta son las velocidades lineales y angulares, fuerzas, equilibrio, peso, rozamiento, palanca, energía cinética y potencial gravitatoria, trabajo y potencia.

En el año 2007, Arend Schwab, de la Universidad Tecnológica de Delft (Países Bajos),  publicó un articulo en Proceedings of the Royal Society donde explica por qué podemos andar en bicicleta sin partirnos la cara. Su modelo tiene en cuenta nada menos que veinticinco factores que, en conjunto, son los responsables de la estabilidad y maniobrabilidad del vehículo. El modelo de Arend puede explicar también cómo la bicicleta varía sus condiciones de equilibrio a diferentes velocidades.

Según este modelo, una bicicleta debe marchar a una velocidad de entre 14 y 20 kilómetros por hora para que sea estable. Si fuese más rápido, oscilaría menos, pero aumenta su tendencia a volcar cuando el conductor se inclina a los lados. Y si fuese más despacio, simplemente se caería casi como si estuviese detenido. Los datos experimentales coinciden con los obtenidos del modelo.

Uno de los factores clave para la estabilidad de la bicicleta es el llamado “efecto giroscópico”. Esto se puede probar colocando más peso (plomo, por ejemplo) sobre las llantas de las ruedas. Sin embargo, este efecto no es el único, ya que una hipotética bicicleta que tuviese ruedas de masa nula seguiría siendo estable. Tampoco es cierto que las bicicletas con ruedas pequeñas sean inestables. El modelo de Arend Schwab muestra cómo una combinación de fuerzas garantiza la estabilidad de la bicicleta. Por ejemplo, explica por qué cuando deseamos cambiar de dirección a la derecha tenemos que torcer primero el manubrio un poco a la izquierda, o por qué nos caemos si vamos muy cerca del bordillo: simplemente no podemos alejarnos de él sin golpearlo.

Cuanto más grande sea el ángulo que forma la horquilla hacia adelante, más estable será la bicicleta al desplazarse en línea recta, pero será más difícil cambiar de dirección. Las bicicletas “normales” tienen la rueda delantera ligeramente desplazada hacia adelante. Esto hace que cuando intentas desplazar la bicicleta hacia un lado, la rueda intente virar hacia esa misma dirección (puedes comprobarlo con la bicicleta quieta, si inclinas la bicicleta la rueda “cae” hacia ese lado). Este hecho es el que hace posible que para realizar un giro nos baste con inclinar ligeramente la bicicleta.

Las bicicletas que utilizan los acróbatas de circo tienen la rueda delantera instalada de forma casi (o totalmente) vertical. Estas bicicletas no tienen esa “sana tendencia a virar” cuando se inclinan, y son mucho más difíciles de mantener en equilibrio. Sin embargo, permiten hacer algunas “piruetas” que son imposibles en una bicicleta normal. Por eso los acróbatas pueden, por ejemplo, dar la vuelta completa a la rueda delantera y seguir andando normalmente.

Otro factor importante es la “distribución de masas”. Si hacemos que el centro de gravedad de la bicicleta se desplace hacia delante, el vehículo será más estable. La industria ciclista está muy interesada en el modelo de Schwab, ya que puede predecir si un determinado diseño producirá una bicicleta más “nerviosa” o más estable. En el diseño de bicicletas se tienen en cuenta, por lo general, tres parámetros básicos: la geometría general, la distancia entre los ejes y el ángulo que forma la horquilla respecto del cuadro.

La cuestión es que andar en bicicleta es muy fácil. Se trata de un vehículo muy efectivo en distancias cortas y además ayuda a hacer el ejercicio tan necesario en la vida moderna. Sigamos disfrutando de nuestros paseos, y dejemos a los físicos tratando de explicar por que no nos caemos.

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