Forma y mecánica (aluminio)

Aunque el aluminio en forma de Duraluminio o Dural, tenía muchos años utilizándose en los componentes de la bicicleta, primero como reemplazo de los rines de madera —gracias a Mavic que los lanzó a escondidas en el Tour de Francia de 1934—, así como en desviadores, palancas de freno y cambios, frenos, bielas, pedales, platos, poste y la potencia. El grupo Campagnolo Super Record de 1973, ya se fabricaba con Ergal —aluminio 7075— y titanio.

No fue si no hasta los 1980 cuando comenzó a utilizarse en los cuadros de bicicleta, lo que provocó una revolución en el diseño de las bicicletas y sus métodos de construcción, para ello se comenzaron a utilizar aleaciones básicamente las 6061, 7005 con diferentes grados de templado. Y de eso es de lo que va este blog.

Corrosión del Dural

Sé que la mayor parte de los componentes se hacían en Dural, porque a veces aparecía en las especificaciones y por la evidencia de corrosión que sufren, ya que esta aleación contiene cobre que se oxida fácilmente, ¿quien no ha visto una potencia antigua corroída o cuya capa protectora de barniz o de aluminio pulido se haya rayado o desprendido? A la izquierda una SR opaca y picada. A la derecha, una Cinelli, conserva el brillo, pero se observa el desprendimiento de la capa de aluminio puro pulido. El uso de Dural, provocaba que los postes y potencias se pegaran al cuadro, por electrólisis.

Diseño

El arquitecto Louis Sullivan, acuñó la frase “la forma sigue a la función” y otro arquitecto, Ludwig Mies van der Rohe afirmaba “Dios está en los detalles”. En realidad la Arquitectura no tiene mucho que ver con las bicicletas, o al menos no creo que exista una relación directa, pero el Diseño Industrial si le debe mucho a la Arquitectura y las bicicletas modernas, aparte de ser producto de la más alta ingeniería, tienen la influencia del Diseño Industrial, aunque muchos diseñadores industriales ansiosos de proponer nuevos paradigmas, se quejan de la rigidez de la UCI para permitir la evolución del diseño del cuadro de la bicicleta.

En esta página afirmo que en el caso de las bicicletas, la forma no solo sigue a la función, como lo hizo durante un siglo, la forma comenzó a seguir a la las propiedades mecánicas de los nuevos materiales usados en los cuadros y por tanto a la física. A partir del paso del acero cromo-molibdeno al aluminio, los diseñadores se vieron obligados a implementar métodos de maquinado para reducir el peso del cuadro de aleaciones este metal y tuvieron que descubrir formas que se adaptaran a las necesidades que resultan de los esfuerzos mecánicos en los tubos de diferentes partes del cuadro. Un tubo de aluminio de una bici moderna me recuerda los diseños arquitectónicos basados en el Cálculo Funicular de Gaudí, donde las estructuras toman forma de catenarias y paraboloides-hiperbólicos, con vigas y columnas de formas orgánicas, que dieron paso a las extraordinarias obras del propio Antoni Gaudí, Eero Saarinen, Félix Candela y el mexicano Fernando López Carmona. ¿O no reconoce el lector las formas de los tubos de las bicicletas modernas en las siguientes imágenes?

La Sagrada Familia de Antoni Gaudí, obsérvese la forma de las columnas o contrafuertes

Gateway Arc, en San Luis Misuri, EU. Obra de Eero Saarinen

Gateway Arc, en San Luis Misuri, EU. Obra de Eero Saarinen


Primeros pasos

Los primeros cuadros de aluminio, hechos por la fábrica italiana Alan, eran muy endebles, pues sus tubos eran cilíndricos y de poco espesor, su forma y construcción era la misma que la de los cuadros de acero. Resultaban muy ligeros debido a la baja densidad del aluminio, pero no soportaban la fuerza aplicada por el ciclista y los esfuerzos de la conducción de la bici. El aluminio tiene 1/3 de la densidad molecular del acero. El peso de un volúmen cúbico dado de aluminio, equivale a 1/3 del peso del mismo volumen de acero. Pero como el alumnio tiene 1/3 de la fuerza del acero (por su menor densidad molecular), un tubo de bicicleta de aluminio requiere tres veces más espesor que el de acero para lograr la misma resistencia. Así que al final, un cuadro de aluminio terminaría pesando lo mismo que el de acero.

Por lo tanto, no es de sorprender que un cuadro de bicicleta de baja gama pese tanto o más que un cuadro hecho con acero Reynolds o Columbus contemporáneo o inclusive de los 1980.

Aquí entran en juego el diseño, y técnicas aplicadas a la fabricación de bicicletas con objetivos novedosos: el conificado y el Hidroconformado. También se eliminan los coples (lugs) característicos de las tuberías de acero y se comienza a utilizar soldadura TIG (del inglés tungsten inert gas). Y los diferentes tubos del triángulo principal del cuadro adoptan diferentes diámetros, secciones y curvas. Las vainas y tirantes de la rueda trasera, sobre todo los tirantes o vainas superiores, dejan de ser rectas para adoptar formas curvas, que amortigüen, como en el caso de la tijera (horquilla).

Hidroconformado

El Hidroconformado que es una forma de moldeado en frío, utilizando fluidos a presión para deformar los tubos, permite a los diseñadores que éstos adopten formas aerodinámicas y además, junto con el conificado, que el tubo tome la forma en función de los esfuerzos mecánicos y dinámicos producto de la fuerza que aplica el ciclista, su peso y las fuerzas dinámicas que se producen en la conducción. En una bici bien diseñada, también es un factor la distribución el material para que el centro de masa sea el ideal.

comparacdión de tubos

Comparación de un tubo tradicional de bicicleta, con un tubo superior de una de aluminio conificado e hidroconformado. (El diagrama no está a escala ni proporción, con el fin de resaltar el detalle en la forma)

Conificado

El conificado o buttered en inglés, permite adelgazar el tubo donde el esfuerzo será menor. En una viga de construcción de concreto, por ejemplo, se pone más acero en los extremos, lo mismo se logra con el conificado. Hay bicicletas con tubos de conificado simple, doble y las de gama más alta y más modernas , con triple conificado.

Nótese como la mayor cantidad de material se pone en los extremos donde los esfuerzos son mayores, y distribución del acero en una viga donde se pone más también en los extremos. Lo mismo hace el conificado

Nótese como la mayor cantidad de material se pone en los extremos donde los esfuerzos son mayores, y la distribución del acero en una viga donde se pone más también en los extremos. Lo mismo se logra con el conificado

Propiedades de conducción

El aluminio es un material sumamente rígido, es mucho menos flexible que el acero, además vibra a la misma frecuencia que el esqueleto humano, lo que provoca que las vibraciones de la bici sobre el terreno se transmitan de manera muy incómoda hasta la coronilla. Por el otro lado, su rigidez permite que en las aceleraciones o al saltar, la bicicleta responda mejor a la fuerza de pedal del ciclista, se pierde menos energía.

El aluminio no es apropiado en absoluto para las tijeras, por ello se sigue utilizando el acero o aleaciones de acero cromo-molibdeno y en las mejores bicicletas la tijera es de fibra de carbono, que tiene propiedades mecánicas superiores y es suficientemente flexible para amortiguar las vibraciones que se transmiten al manubrio, resultando en un manejo más confortable.

Sin embargo, la ingeniería ha resuelto tantos problemas de diseño asociados al aluminio, que hoy día hay bicicletas de este material que son casi tan confortables como la fibra de carbono, casi, con una diferencia enorme de dinero.

Aleaciones

Las aleaciones preferidas en la industria del ciclismo son la 6061 y la 7005. La 6061, cuya base de aleación es el magnesio (toda la serie 6000) es más maleable y más fácil de soldar, por ello se utiliza con más frecuencia, pues su manufactura resulta más económica, por el otro lado la 7005 tiene una base de aleación de zinc, es más resistente y rígida, pero tiende a ser quebradiza por su propia rigidez, no es tan fácil de moldear para adaptarse a diseños curvos. En años recientes, a partir del modelo CAAD10, Cannondale ha utilizado una nueva aleación, la 6069, que ofrece un 40% de resistencia a la tensión y dureza.

La calidad final del cuadro depende no sólo de la aleación, si no del diseño y los procesos de manufactura del fabricante, tales como el conificado y la soldadura. El aluminio 7075 o Zicral, que es muy difícil de soldar, debido a su alta resistencia, se reserva para los componentes que sufren esfuerzos muy grandes como las bielas, los rines (caso Mavic Ksyrium), desgaste como los platos del pedalier. o donde se necesitan tubos muy delgados para aligerar peso, como en un manubrio ITM.

Primeros diseños

La primera bicicleta con cuadro de aluminio exitosa se le atribuye a Cannondale por ahí de 1985, aunque los primeros ejemplares de la serie R para ruta tenían fallas tremendas, tuvieron aciertos enormes. La geometría del cuadro en especial, no permitía una buena conducción sobre todo a baja velocidad. Descubrieron que tratándose de tubos, si aumentaban el diámetro se obtenía mayor resistencia y era posible adelgazar las paredes, una forma ingeniosa de librar la poca resistencia mecánica del aluminio. Sus tubos seguían siendo rectos y recurrieron a la soldadura por falta de acoples, pues todos se fabricaban para cuadros de diámetro de una pulgada de acero.

Cannondale R300, se modificó con un adaptador para poder colocar una potencia oversized y así reemplazar la potencia original de tipo telescopio

Cannondale R300 de mi amigo Dorch Hernández, la modificó con un adaptador para poder colocar una potencia oversized y así reemplazar la potencia original de tipo telescopio para tijera de cuerda.

Las pifias del cuadro en la foto de arriba son, primero, la tijera tradicional —que además se ve poco estética pues no armoniza con los tubos del cuadro), el tubo de dirección de diámetro estándar, pues seguro no se había inventado el oversize sin cuerda, la pifia mayor es que les ocurrió reinventar el hilo negro al cambiar el diseño tradicional de la pata trasera y poner una en cantiliver o cantilever. Eso aumentaba el ángulo de los tirantes, lo que no favorecía la conducción y hacía frágil la bicicleta.

Cantilever Cannondale 1989

A veces, la sabiduría del diseño tradicional, debe ser escuchada, véase el caso del cantilever de Cannondale de 1989. Mientras que en la pata tradicional el vector de las fuerzas del eje se aplica directamente al tirante, en el caso del cantilever, se produce un momento flector sobre la soldadura, provocando la falla del material

Los diseños del siglo XXI, el Aluminio se vuelve a poner de moda

Después de tres décadas de aprendizaje e ingeniería, el mercado del ciclismo de ruta cuenta con bicicletas de aluminio de altísima calidad, la fibra de carbono no es para cualquiera, dado su precio y aquello que se le atribuía al aluminio de su exceso de rigidez, como dijimos arriba gracias a las nuevas técnicas constructivas, ahora son menores.

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Foto de la Cannondale CAAD10 para 2015

!00 años median entre el Park Güel de Gaudí y  la forma de "chapitel" del tubo inferior donde se une con el de dirección

100 años median entre el Park Güel de Gaudí y la forma de “chapitel” del tubo inferior donde se une con el de dirección

Baste ver una bici de aluminio de 2010 con calidad alemana, y aún más, conducirla, para darse cuenta de lo que el buen diseño y la tecnología aplicada, donde la forma sigue sirviendo a la función, pero además, también está al servicio de la física y la mecánica de materiales, para entender porqué el aluminio ha renacido como material para cuadros de bicicleta.

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Esta bicicleta Focus Culebro de aluminio con tijera de fibra de carbono con caña de dirección cónica, a la hora de pesarla en la báscula del taller de bicicletas, pesa aproximadamente lo mismo que una Pinarello FP3 completa de fibra de carbono, 8.300Kg, para que se dé una idea el lector. Aunque claro en fibra de carbono hay clases y se pueden producir bicicletas aún más ligeras, pero eso es otra historia.

7 comentarios

  • Ulises Rios

    Lamento lo limitado de mi comentario, pero debo decir que en ha gustado mucho este tema, ojalá lo retomes pronto

  • Que excelente resumen histórico sobre la composición de la bicicleta, yo en lo particular prefiero las de aluminio, a las de acero, aunque no he tenido aún la oportunidad de probar una de carbón, me gustaría que hablaras un poco sobre el equipo adecuado para rodar, tales como el casco apropiado, los zapatos para pedales, y en general todos los accesorios que deben portarse para correr bici de ruta, dicho al calce me parece formidable este blog para gente que rueda, te agradezco su creación y le auguro mucho éxito en la comunidad blogera… a darle y a rodarle….

    • Gracias por el comentario. Sobre los otros temas, pues estamos empezando y como Jack the Ripper, vamos parte por parte.

  • Pingback: El cuadro de la bicicleta de ruta - Qué Pedal!

  • las bicis antiguas eran arteiii
    ahora son comercio

    • Si, eran mezcla de artesanía/arte/ingeniería. Aunque la parte artesanal de avanzar poco a poco con base en la experiencia, prueba y error (como señala Bruno Munari en Cómo nacen los objetos, donde por cierto analiza la bici de pista como objeto donde todo es esencial), ha evolucionado al diseño industrial muy tecnificado y apoyado en tecnologías de vanguardia con mucha dosis de Ingeniería, también se puede llegar al arte en estas disciplinas, o al menos como dicen los anglosajones “to the state of the art”. Aún en el presente, la bici tiene diseños de cuadro y componentes donde la estética es fundamental, aunque diferente a la del pasado. La tecnología permite ahora formas escultóricas muy bellas, no sé si de de grado artístico como pasa con el diseño y aunque sólo sea para el marketing. Gracias por tu comentario, valoro mucho cuando ustedes escriben en el blog.

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