[Nota: este es el número 1 de una serie de 4 artículos sobre rodamientos]
Ocultos en recovecos grasientos y arenosos, los rodamientos tienen el poder de transformar el rendimiento de una bicicleta. No es de extrañar que los ingenieros les presten atención. Nada afecta tanto a las ruedas y a nuestro afán por fabricar ruedas de calidad como los rodamientos. La fabricación de ruedas es más rápida y con más información cuanto más se sabe sobre rodamientos. En nuestra búsqueda de la máxima precisión y la menor resistencia a la rodadura, el diseño, la función y el ajuste de los rodamientos se convierten en un factor fundamental.
Ignorados durante décadas, los rodamientos son una de las partes más simples, pero a la vez más importantes, de la bicicleta. Transfieren potencia, absorben cargas laterales molestas, reducen la fricción y contribuyen al equilibrio de una máquina que de otro modo sería inestable; todo ello con poco peso, coste y reconocimiento. Estos elementos dinámicos han existido desde la creación de la rueda y han desempeñado un papel fundamental en algunos de los mayores logros de la humanidad.
RAÍCES DE LA EDAD DE PIEDRA
Cuando los neandertales hilaban palos sobre un punto de contacto central, generando suficiente calor para encender un fuego, habían dominado el concepto de rotación sobre un centro fijo. Esa combinación de carga y movimiento conduciría al desarrollo de la rueda. También explica por qué el centro de la rueda experimenta un desgaste concentrado. Para reducirlo, el hombre utilizaba maderas duras y grasa animal. Esos cojinetes eran rudimentarios, pero aun así, la carga se había descargado sobre nuestras espaldas y se había trasladado al carro.
Al finalizar la Edad de Piedra, se disponía de materiales con menor fricción y mayor resistencia al desgaste. La metalurgia ofrecía opciones con menor fricción que la madera y una mayor vida útil, pero fue solo el perfeccionamiento de los elementos rodantes lo que redujo la fricción de los rodamientos a niveles insignificantes. Esta creación tuvo que esperar hasta el siglo XIX, y con ella llegó el desarrollo meteórico de la bicicleta.
Los elementos rodantes (inicialmente bolas) deben ser extremadamente redondos, lisos y de tamaño uniforme. Su fabricación es una maravilla mecánica y requirió la mayoría de los avances de la revolución industrial. El eje principal eran materiales duros. La aleación de hierro con carbono creó un acero lo suficientemente duro como para soportar la concentración de carga en un pequeño rodamiento. Este descubrimiento y posteriores mejoras hacen posibles los rodamientos de bolas. Para un vistazo a estos deslumbrantes procesos, consulte aquí . Observe, en particular, después de 2 minutos, la fabricación de las bolas.
ADIÓS, ADIÓS FRICCIÓN
La reducción de la fricción es milagrosa. Archibald Sharp, en su obra maestra de 1896, "Bicicletas y triciclos" , afirmó que la fricción de rodadura de los rodamientos de bolas es de 1/1000 del peso del ciclista. En otras palabras, gracias a los rodamientos de bolas, se necesita mil veces más fuerza para elevar el cuerpo que para impulsarlo hacia adelante (la misma distancia). Según esta medida, menos del 1 % de la energía de la bicicleta es absorbida por la fricción de los rodamientos.
El uno por ciento es una cifra bastante buena considerando el tamaño de los motores humanos. Se dice que los grandes competidores mantienen 500 vatios de potencia durante 40 minutos. Impresionante, pero no es nada personal: eso es menos de 3/4 de caballo de fuerza. Una cortadora de césped bastante débil. Yo, probablemente genero menos energía que un exprimidor de frutas. Necesitamos rodamientos de bolas.
¿Por qué se los suele pasar por alto? Porque son diminutos y su fricción se ha considerado insignificante durante más de un siglo. Se presentaron más patentes relacionadas con rodamientos de bolas para bicicletas que para cualquier otro propósito. Hoy en día, la proliferación de motores eléctricos impulsa una industria que fabrica rodamientos de bolas de baja fricción que se adaptan perfectamente a las bicicletas. La industria de la bicicleta se centra en la comodidad, el coste, el peso y la eficiencia. Los rodamientos están disponibles comercialmente y la fricción sigue siendo insignificante.
¿Por qué son tan eficientes los rodamientos? Sencillo: concentran las cargas en diminutos puntos de contacto con materiales muy duros. Todo el peso de la bicicleta y del ciclista se transfiere al suelo a través del mecanismo del rodamiento. Dentro del rodamiento, cada bola descansa sobre una pista de acero en un punto microscópico. Con metales superduros (indeformables) en ambas superficies, la fricción también es microscópica.
TODAS LAS FORMAS Y TAMAÑOS
Existen varios tipos de rodamientos en las bicicletas. Primero, están los rodamientos con elementos rodantes, que ya hemos mencionado. Segundo, están los cojinetes lisos, que consisten en superficies lisas y ajustadas. Los bujes son cojinetes lisos. Los bujes utilizan rodamientos con bolas diminutas. Las poleas de cambio, los pivotes de freno y las bieletas de la suspensión trasera suelen utilizar bujes.
Los rodamientos se pueden clasificar en al menos dos categorías principales: la forma del elemento rodante y el ángulo de contacto. El elemento rodante puede ser una esfera (bola), un cilindro o una forma similar a un cono o barril (toroidal). Los rodamientos con bolas ofrecen la menor fricción debido a su pequeño punto de contacto, pero aquellos con otras formas pueden soportar cargas mayores gracias a su mayor área de contacto. Dado que las bicicletas soportan cargas relativamente bajas en comparación con muchas otras máquinas, existe poca necesidad de elementos rodantes sin bolas.
Gracias a su diseño de vía única, las bicicletas y sus rodamientos experimentan pocas fuerzas laterales. Por vía única, me refiero a una rueda que sigue a la otra. Al tomar una curva, la bicicleta y el ciclista se inclinan hacia ella. Las fuerzas G generadas por la curva se encuentran en el plano del cuadro, hasta el punto de contacto entre el neumático y el suelo. Desde el punto de vista de la rueda, estas son cargas radiales. Por lo tanto, los rodamientos de bolas de contacto radial (anulares) son ideales para esta tarea.
Un área donde existen cargas no radiales es la dirección. En un juego de dirección, las cargas son enormes y se desplazan lateralmente hacia el rodamiento. Pero, al mismo tiempo, un vehículo de una sola vía requiere baja fricción en la dirección. ¿Por qué? ¿Cómo?
Aquí es donde exploraremos los rodamientos en la segunda de cuatro entregas de Secretos Sucios. Nuestro objetivo: que los constructores de ruedas conozcan los rodamientos para construir ruedas mejores y más rápidas, comprendiendo su función al centrar el buje en la llanta con una tensión alta y uniforme. De lo contrario, ¡podrían pensar que la rueda interfiere con su construcción!
Los comentarios se aprobarán antes de mostrarse.
Tom Wray
noviembre 02, 2021
Forces are not absorbed but resisted. Also, friction only exists when there is relative motion between two surfaces. Although ball bearings do slide a bit when in contact with the races and create friction, mostly there is rolling contact between the two surfaces with no relative motion and therefore no friction. It’s the deformations of the materials in contact that create opposing torques that oppose motion – the same idea as a wheel rolling on a surface, there’s no friction unless the tire slips on the road.