Cambios de bicicleta: prueba las marchas en una subida

Qué muestra el modelo

Este simulador de cambios de bicicleta te permite elegir un plato delantero y un piñón trasero y subir una pendiente para notar la diferencia. Una marcha más corta facilita la subida porque la bicicleta avanza una distancia menor por cada vuelta de los pedales. Para reducir la relación, usa un plato delantero más pequeño o un piñón trasero más grande. A cambio, necesitas más vueltas de pedal para recorrer la misma distancia por la carretera.

¿Por qué puedes subir una cuesta empinada con la misma bicicleta que alcanza 50 km/h en llano? Tus piernas solo rinden bien dentro de una banda estrecha de cadencias de pedaleo, así que la bicicleta tiene que cambiar la distancia que recorre por cada vuelta de los pedales. Este modelo muestra cómo lo logra una bicicleta de carretera con dos platos, once piñones y una cadena que se empuja lateralmente de uno a otro.

La transmisión es una disposición moderna habitual: unas bielas compactas con platos de 50 y 34 dientes, un casete de 11 velocidades que va de 11 a 32 dientes, una cadena de 108 eslabones, un cambio trasero y un desviador delantero. La rueda trasera lleva un neumático 700x25c. El cuadro está recortado de modo que solo quedan el pedalier, las vainas y los extremos del tubo del sillín y del tubo diagonal.

Usa los botones Delante y Detrás de la escena, o los deslizadores de Controles, para cambiar de marcha. La cadena se desplaza, el cambio trasero se balancea para recoger la holgura y el panel de la esquina muestra la relación, la distancia que avanza la bicicleta por cada vuelta de los pedales y la velocidad a la cadencia que elijas (al principio, 90 vueltas de pedal por minuto).

La mitad inferior del panel responde a otra pregunta: en esta carretera, ¿qué marcha conviene llevar? Ajusta en Controles la potencia del ciclista, la pendiente y el viento, y el modelo calcula la velocidad que el ciclista puede mantener y la cadencia que esa velocidad exige en la marcha que llevas. Bajo los controles hay además una tabla de marchas de 26 transmisiones reales, desde bicicletas de carretera y de montaña hasta bujes con cambio interno y una BMX, y unos botones que acercan la cámara al cambio, a las roldanas y a los dientes.

Por qué una vuelta de pedales no es una de rueda

La cadena es una cremallera flexible de rodillos equidistantes. La cadena moderna de bicicleta tiene un paso de 1/2 pulgada, es decir, 12,7 mm, medidos desde el centro de un pasador hasta el del siguiente. Cada rodillo cae en el hueco entre dos dientes, de modo que una rueda dentada de 50 dientes mueve exactamente 50 eslabones de cadena por vuelta, y un piñón de 16 dientes gira una vez por cada 16 eslabones que pasan sobre él.

Junta ambas cosas. Una vuelta de las bielas tira de 50 eslabones sobre el plato, y esos 50 eslabones hacen girar un piñón de 16 dientes 50 ÷ 16 = 3,125 veces. El piñón va unido a la rueda trasera a través del cuerpo de rueda libre, así que la rueda también gira 3,125 veces. Ese número, los dientes delanteros divididos entre los traseros, es la relación de transmisión. No depende de la longitud de la cadena ni de la distancia que separa las ruedas dentadas.

Los piñones más pequeños y los platos más grandes dan una relación mayor, lo que significa más distancia por pedalada y más fuerza en el pedal para la misma aceleración. Los piñones más grandes y los platos más pequeños dan una relación menor, que es lo que quieres en una subida.

De la relación a distancia y velocidad

La circunferencia de rodadura de la rueda convierte una relación en distancia. La tabla de tamaños de neumático de CatEye, que se usa para configurar los ciclocomputadores, da 2105 mm para un neumático 700x25c (medida ETRTO 25-622). El 622 es el diámetro de asiento del talón de la llanta en milímetros y el 25 es el ancho del neumático, de modo que una comprobación aproximada es π × (622 + 2 × 25) = 2111 mm. La cifra medida es algo menor porque el neumático se aplasta donde toca el suelo.

Para describir una marcha se suelen usar tres números, y el panel muestra los tres:

• Relación = dientes delanteros ÷ dientes traseros.
• Desarrollo (o avance por pedalada) = circunferencia × delanteros ÷ traseros. Es la distancia que avanza la bicicleta por cada vuelta de los pedales.
• Pulgadas de desarrollo = diámetro de la rueda en pulgadas × delanteros ÷ traseros. Aquí el diámetro es 2105 mm ÷ π = 670,0 mm, o 26,38 in.

La velocidad se deduce del desarrollo y la cadencia. A 90 vueltas de pedal por minuto, la velocidad en km/h = desarrollo en metros × 90 × 60 ÷ 1000. En etapas largas y llanas de las grandes vueltas se midió que los ciclistas profesionales pedaleaban a unas 89 rpm, y por eso aquí se usa una cadencia de 90.

Los números calculados

Toma 50 × 11 como ejemplo: 50 ÷ 11 = 4,545, y 2,105 m × 4,545 = 9,568 m por vuelta de pedales. Noventa de esas vueltas por minuto son 861 m por minuto, o 51,7 km/h. En la marcha más corta, 34 × 32, la misma cadencia da 12,1 km/h, de modo que todo el rango abarca un factor de 4,28 entre la marcha más larga y la más corta.

El glosario de Sheldon Brown indica que la marcha más larga habitual de una bicicleta de carreras de carretera ronda las 108 a 110 pulgadas de desarrollo, y que la marcha más corta de la mayoría de las bicicletas de montaña ronda las 22 a 26. Con un piñón de 11 dientes, este doble compacto llega a 119,9 en la parte alta, y su marcha más corta, de 28,0, se acerca al territorio de las bicicletas de montaña.

Dos combinaciones dan casi la misma marcha. 50 × 16 (3,13) está a menos del uno por ciento de 34 × 11 (3,09), y 50 × 32 (1,56) es casi igual que 34 × 22 (1,55). Por eso, 22 combinaciones no dan 22 marchas distintas. En la práctica, el ciclista elige un plato según el terreno y hace la mayor parte de los cambios en el piñón trasero.

Elegir marcha para una cuesta o un viento frontal

Una tabla de marchas te dice qué distancia recorre cada marcha por vuelta de pedales, pero no cuál conviene usar. Eso depende de la velocidad de la bicicleta, y la velocidad depende de la carretera. Martin y sus colegas demostraron en 1998 que una suma bastante sencilla predice la potencia que necesita un ciclista de carretera: elevar el peso del ciclista y la bicicleta por la pendiente, vencer la resistencia a la rodadura de los neumáticos y apartar el aire. En sus pruebas, la potencia predicha quedó dentro de un error estándar de 2,7 W respecto a la de un potenciómetro instalado en la bicicleta.

El modelo de esta página usa los mismos tres términos. El ciclista y la bicicleta pesan 80 kg, el área de arrastre es de 0,269 m² (la cifra que el equipo de Martin midió en un túnel de viento para su ciclista), el coeficiente de resistencia a la rodadura es de 0,004 y el 2,5 % de la potencia se pierde en la transmisión. Estos tres últimos son valores redondeados del modelo, no mediciones de ninguna bicicleta concreta. Dada una potencia, el modelo busca la velocidad a la que las tres pérdidas suman justo esa potencia.

• Llano sin viento, 200 W: 35,9 km/h. El aire se lleva 164 W y los neumáticos 31 W. A esa velocidad, 50 × 16 requiere 91 vueltas de pedal por minuto, así que es la marcha más cercana a 90 rpm.
• Subida del 6 %, 200 W: 13,4 km/h. Ahora la gravedad se lleva 175 W, los neumáticos 12 W y el aire solo 8 W. La marcha más cercana a 90 rpm es 34 × 28, con 87 rpm. En 50 × 11, la misma velocidad exigiría 23 rpm, algo que ningún ciclista puede mover con 200 W.
• Subida del 10 %, 200 W: 8,5 km/h. Incluso la marcha más corta, 34 × 32, solo permite 64 rpm. Aquí es donde los ciclistas recurren a un casete mayor o a un plato más pequeño.
• Viento frontal de 20 km/h en llano, 200 W: 24,6 km/h, y la mejor marcha baja a 34 × 16, con 92 rpm.
• Viento a favor de 20 km/h, 200 W: 49,5 km/h, lo que requiere la marcha más larga, 50 × 11, con 86 rpm.

Activa «Elegir la marcha por mí» en Controles y el modelo pasa a la marcha cuya cadencia más se acerca a tu objetivo cada vez que cambias la carretera. Descarta las marchas con cadena cruzada. El gráfico de barras bajo la tabla de marchas muestra la cadencia que exigiría cada marcha, con una banda de 80 a 100 rpm, para que veas qué pocas marchas son utilizables en una cuesta empinada y cuántas lo son en llano.

Si pones los cinco ejemplos uno junto a otro, la función de las marchas queda clara. Las velocidades van de 8,5 a 49,5 km/h, un factor de casi seis, mientras que la cadencia debería mantenerse cerca de las mismas 90 rpm. Las marchas tienen que absorber ese factor. Este doble compacto cubre 4,28 de él, y por eso al ciclista se le acaban las marchas cortas en la subida del 10 %.

Cómo se mueve la cadena

El cambio trasero cuelga bajo el eje. Su cuerpo es un paralelogramo: dos bieletas unidas en cuatro pivotes, de modo que el extremo inferior puede moverse sin retorcerse. Un cable tira de él hacia dentro, hacia los piñones más grandes, y un muelle lo devuelve hacia fuera, al piñón más pequeño, cuando el cable está flojo. Como el paralelogramo está inclinado, la roldana superior también baja al desplazarse hacia dentro, y así mantiene una separación parecida bajo cada piñón. Observa la roldana superior mientras recorres el casete.

La jaula situada debajo lleva dos roldanas pequeñas, de 11 dientes cada una en el modelo. Un muelle gira la jaula hacia atrás y la cadena tira de ella hacia delante. En el modelo, el ángulo de la jaula se calcula para cada marcha de modo que el lazo mida exactamente 108 eslabones: en 50 × 32, la roldana inferior se balancea 77° hacia delante de la vertical, y en 34 × 11 se balancea 55° hacia atrás. Sin esto, la cadena tendría que ser lo bastante larga para la marcha mayor y colgaría floja en todas las demás.

El desviador delantero es más sencillo. Su jaula son dos placas, una a cada lado de la cadena, justo encima del plato grande. Cuando subes de plato, la placa interior empuja la cadena hacia un lado hasta que los eslabones se enganchan en los dientes del plato de 50. Cuando bajas de plato, la placa exterior la empuja hacia el de 34 y cae sobre el plato más pequeño.

La cadena tiene que flexionarse lateralmente para hacer todo esto. Cada dos eslabones, las placas exteriores solapan las placas interiores de sus vecinos, y un rodillo gira libremente sobre cada pasador, de modo que los rodillos pueden rodar hacia los huecos entre dientes en lugar de deslizar. Un par de placas exteriores del modelo es un eslabón rápido dorado, de los que se abren a mano para retirar la cadena.

Los cables conectan los mandos con los cambios. Cada clic del mando tira de una longitud fija de alambre de acero dentro de su funda, o la suelta. El muelle del cambio trasero tira en sentido contrario, así que un cable flojo significa el piñón más pequeño. Dos tornillos de límite en el cuerpo del cambio lo detienen en el piñón más exterior y en el más interior, de modo que no pueda lanzar la cadena contra los radios ni sacarla del piñón pequeño, y un tercer tornillo (el tornillo B) regula lo cerca que queda la roldana superior bajo los piñones. El cambio cuelga de una pequeña patilla atornillada al cuadro. Está hecha para doblarse antes que el cuadro si el cambio recibe un golpe.

Un cambio, eslabón a eslabón

Activa «Cambio a cámara lenta» y pulsa + una vez. El cambio se mueve de inmediato y la roldana superior se alinea con el siguiente piñón. Sin embargo, la cadena no salta entera de golpe. Cada eslabón conserva la posición lateral que tenía al salir de la roldana superior, así que los primeros eslabones en llegar al nuevo piñón son los que acaban de pasar por la roldana, y el resto los sigue a medida que gira el casete. En el modelo, el radio del piñón en el recorrido de la cadena crece al ritmo de la proporción de eslabones que ya han llegado al piñón, y la jaula se balancea para mantener el lazo en 108 eslabones.

Por eso un cambio solo cambia de marcha mientras la cadena se mueve. Si pulsas el mando con las bielas quietas, el cambio se mueve, pero la cadena espera a que pedalees. El modelo hace lo mismo mientras las bielas giran. Cuando pausas la animación y luego cambias de marcha, desliza los eslabones hacia el otro lado en cerca de medio segundo, para que la escena nunca se quede a medio cambiar.

Los casetes reales tienen dientes perfilados y rampas en los lados de los piñones que ayudan a la cadena a subir en puntos determinados. El modelo no las tiene: su cadena se desplaza lateralmente en línea recta a lo largo del tramo corto entre la roldana superior y el piñón.

Cadena cruzada

Los platos están en posiciones fijas, a 39,7 mm y 47,3 mm del centro del cuadro en el modelo, mientras que los piñones se reparten de 24,3 mm a 62,8 mm. Con el plato grande y el piñón mayor, la cadena forma unos 3,2° con el plano de las ruedas dentadas a lo largo de las vainas de 410 mm. Lo mismo ocurre en sentido contrario con el plato pequeño y el piñón menor.

La guía de engranajes de Sheldon Brown y John Allen explica que el rendimiento baja cuando la cadena trabaja con un ángulo más pronunciado, y aconseja no usar el plato grande con el piñón mayor ni el plato pequeño con los piñones pequeños. Además, la cadena tiende a rozar la jaula del desviador delantero. De todos modos, esas marchas no hacen falta: como muestra la tabla, 50 × 32 es casi igual que 34 × 22, donde la cadena forma 0,5°.

Elige el paso Cadena cruzada de la guía para verlo desde arriba. El aviso rojo del panel aparece siempre que la cadena está en el plato grande y en uno de los dos piñones mayores, o en el plato pequeño y en uno de los dos piñones menores.

La longitud de cadena

El método de Park Tool para un casete de hasta 36 dientes: rodea con la cadena el plato más grande y el piñón más grande sin pasar por el cambio, busca dónde se encuentran los extremos y suma dos remaches, que equivalen a una pulgada. En este modelo, el recorrido da 105,8 eslabones, así que 106 más 2 dan 108. Después, Park Tool comprueba el caso contrario: con el plato más pequeño y el piñón más pequeño no debe haber holgura, y el cambio no debe quedar tan atrasado que la cadena se toque a sí misma.

Veintiséis transmisiones reales

Las piezas del modelo son una configuración de carretera habitual, pero las bicicletas se desarrollan para usos muy distintos. La tabla de marchas de Controles reúne 26 transmisiones. Los casetes y bujes proceden de los documentos de los propios fabricantes (manuales para distribuidores y despieces de Shimano, la lista de casetes de SRAM, los datos técnicos de Rohloff); cuando la tabla combina un casete con un plato que el fabricante no incluye con él, la tabla lo indica. Para comparar las relaciones y no las ruedas, todas las configuraciones se calculan con la rueda 700x25c del modelo.

«Distintas» cuenta las marchas que difieren más de un 3 % entre sí una vez ordenadas todas. En un doble o un triple, muchas combinaciones se solapan: la configuración de cicloturismo 3×10 tiene 30 combinaciones pero solo 23 marchas distintas, y algunas de ellas son de cadena cruzada. Un solo plato con un casete amplio da menos marchas, pero sin solapamientos y sin desviador delantero, y por eso la mayoría de las bicicletas de montaña nuevas usan un solo plato. El precio son saltos mayores entre piñones: en el casete Eagle 10-50, los pasos van del 12 al 20 %, frente al 8 al 14 % del casete de carretera del modelo.

Las marchas más cortas de las bicicletas de montaña avanzan unos 1,3 m por vuelta de pedales, menos de dos tercios de los 2,24 m del modelo, porque suben pendientes que una bicicleta de carretera nunca encuentra. Sus marchas más largas, de unos 6,7 m, son mucho más cortas que los 9,57 m de la bicicleta de carretera, porque fuera del asfalto las velocidades son menores.

Cambio de buje, marcha única y piñón fijo

Un cambio de buje esconde los engranajes dentro del buje trasero. La página de Sheldon Brown sobre los bujes de engranajes internos explica el de tres marchas básico: un engranaje solar fijo al eje, engranajes planetarios a su alrededor sobre un portaplanetarios y una corona con dientes por dentro. En la marcha baja, el piñón mueve la corona y el portaplanetarios mueve el buje, de modo que la rueda gira tres veces por cada cuatro vueltas del piñón (un 25 % menos). En la marcha intermedia, el movimiento pasa directamente. En la marcha alta, el piñón mueve el portaplanetarios y la corona mueve el buje, un 33 % más. Los bujes con más marchas apilan dos o tres etapas planetarias.

El Speedhub de Rohloff tiene 14 marchas con pasos uniformes del 13,6 % y un rango del 526 %, parecido al 1×12 de una bicicleta de montaña. Su undécima marcha es de transmisión directa. El buje Nexus 8 de Shimano cubre un 307 % con pasos desiguales de 0,527 a 1,615, y el Alfine 11, con baño de aceite, cubre un 409 %. Dos cosas distinguen a los bujes de los desviadores: la cadena va recta sobre un solo piñón, de modo que no existe la cadena cruzada, y puedes cambiar de marcha estando parado en un semáforo. Sheldon Brown señala que los bujes pesan más y rinden algo menos en ciertas marchas, aunque la marcha de transmisión directa puede superar a un desviador porque no hay roldanas.

Una bicicleta de una sola marcha tiene un plato y un piñón en una rueda libre, así que puede rodar sin pedalear. Una bicicleta de piñón fijo no tiene rueda libre en absoluto: los pedales giran siempre que gira la rueda. Las bicicletas de pista se construyen así. En la tabla de Controles, las marchas única, fija y BMX ocupan una celda cada una, con 5,53 m, 6,88 m y 5,85 m por vuelta de pedales con la rueda del modelo.

Qué simplifica el modelo

La cadena pasa de un piñón a otro eslabón a eslabón mientras giran las bielas, pero su trayecto lateral entre la roldana superior y el piñón es una línea recta, y los piñones no tienen rampas de cambio. Cuando las bielas están paradas, el modelo desliza los eslabones al otro piñón en medio segundo para que un cambio nunca quede a medias; una cadena real esperaría. Aquí la jaula pivota sobre el eje de la roldana superior, lo que facilita seguir la geometría. La separación entre piñones de 3,85 mm y la línea de cadena de 43,5 mm son números redondos elegidos para el modelo, no una especificación de ningún fabricante. Las velocidades del panel superior suponen que el neumático no patina. El modelo de marcha del panel inferior usa solo velocidad constante: deja fuera la aceleración, la fricción de los rodamientos y los cambios de densidad del aire, y sus cifras de masa, rodadura y transmisión son valores redondeados. La bicicleta se inclina con la pendiente para que veas la cuesta, pero la cadena y el cambio no varían con ella.

De dónde vienen los desviadores

El Tour de Francia solo permitió los desviadores en 1937, y a finales de los años 1930 el Champion du Monde de Simplex fue el primero que no obligaba al ciclista a pedalear hacia atrás para cambiar. El Gran Sport de Campagnolo, construido por primera vez hacia 1949 y 1950, fue un diseño refinado de paralelogramo accionado por cable. El paralelogramo inclinado que usa el cambio de este modelo procede de una patente de SunTour con fecha de prioridad de 1964, y a mediados de los años 1980 (las fuentes dan 1984 o 1985) el cambio indexado de Shimano hizo que cada clic del mando moviera la cadena exactamente un piñón. Desde entonces, el número de piñones no ha dejado de crecer. El casete de carretera Dura-Ace R9200 de Shimano tiene doce, de 11 a 30 o 34 dientes, y los casetes de montaña Eagle de SRAM llegan a 50 y 52 dientes detrás de un solo plato.