Racing Helmets: Spiuk road vs. aero (I)

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As you already may know I like to investigate as much as possible in everything I do, may be because I am an engineer. So this time what I am going to do is an aerodynamic test with two types of bicycle helmets which are designed to be used in cycling and triathlon.

Some months ago I went to Unibike cycling trade fair and I wrote to entries in my blog, one of them specifically devoted to two Spanish brands: Spiuk and Catlike. Now that we have sunny days and a good weather for cycling I have decided to try two Spiuk new racing helmets: the time trial Aizea and the road Dharma.

This new entry doesn’t intend to be a general view of the helmets as there are many webs and magazines that have already done that, you just have to google a bit and you will find much more information and much better quality pictures of them. The idea is to write 3 entries, one of them describing my first thoughts and how I am going to test them, the second one a velodrome test and the third one an open road test.

What results do we expect?

As this picture shows, the Aizea fits lower than the Dharma (4cm) and there is an obvious difference in the total frontal area of the cyclist: 0.3491 m² vs. 0.3580 m², that means a difference of 2.5% in the total area. As you may also see the Dharma is much more ventilated, with those two issues we expect that the Dharma is less aerodynamic than the Aizea.

There are also some details in the next picture, because the sudden change in the back of the road helmet creates a turbulence zone and a low pressure behind the head that is great for head cooling but it increases the air resistance. Even more, the windshield of the Aizea helps to avoid the transition between the forehead and the helmet reducing the drag.

Therefore we expect that the Cd (drag coefficient) and the CdA (area x drag coefficient) are greater in the road helmet than the Aizea. However, to give a general idea of the benefits of the Dharma helmet in the future I will compare the Dharma against my old road helmet, with and without the winter protection.

According to the MIT http://dspace.mit.edu/handle/1721.1/40486  and with the some further analysis by Diego Calderón y Alejandro Martínez ( https://wallace78tria.wordpress.com/ y http://www.amtriathlon.com/2006/11/cascos-aerodinmicos-john-cobb-es-uno.html ) an aero helmet with its tail perfectly attached has a drag a 25% vs a road helmet, if the tail is horizontal it is a 40-45% and completely vertical tail is more or less the same as a road helmet. This means an approximate reduction of 10-14W in the first case and a 8-12W in the horizontal case at 36 km/h.

Unboxing the Dharma:

When you open the box that contains the Dharma with a textile bag you have no doubt that its look is astonishing. It is even lighter than it claims (220 grams), with a small descending tail that helps the cooling effect.

It has 20 ventilation holes that guide the air through the helmet but not hitting the head; they are also cleverly positioned to avoid direct sunlight over the head. The rear fitting system is really small and very comfortable but a bit tricky to use, you must press the wheel against your head to adjust the length of the straps.

It also comes with the typical solar shield for MTB, extra cushioning pads, an optional bug stopper net and an aerodynamic wind shield very useful in winter. This wind shield is very clever because only covers the entrance holes but not the exit ones, therefore it can cool your head when you are going uphill but it won’t chill your head when going downhill.

This helmet is the one that I used in the Titan Desert 2015 where having a cool head it’s very important, but avoiding to sunburn my head. 

http://www.spiuk.com/cas/site/producto-ficha.asp?id=769

Unboxing the Aizea:

It is said that first impressions are the 95% of the sales and with this new aero helmet Spiuk has improved a lot from the old Kronos. Now is an in-mould helmet instead of a helmet with a soft aero shell as the old Giro or the BBB. This helmet covers your ears, has a removable windshield, two tails to choose and you can choose your inclination by adjusting the straps. The final weight with the most aerodynamic options is 470 grams, 10 grams lower than is said on the web.

Is a helmet made to be used with the windshield, the ventilation closed and the long tail option to increase the aerodynamic benefit. However as in long distance triathlon is very difficult to ride on a very extreme position some riders will prefer to choose a bit more comfortable option.

The optional short tail helps those riders who tend to look downwards while riding, for example when keeping an eye on the gps or for those who usually suffer from a sore neck after the swim. What it does is to reduce the frontal area when looking to the ground but keeping a good aerodynamic surface as it hasn’t many surface transitions or ventilation openings. Therefore it is still better than a road helmet.

The front screen attached with magnets can be easily removed if we want to use our glasses or if we want to increase the ventilation. However it doesn’t provide a great vision as having a rounded shape makes it a bit difficult to have a really true image deforming sometimes what you see. Even though I rather prefer to use it that not using it as this issue is not too problematic. May be in a very hot and hilly Ironman like Lanzarote or Enbrunman where you have many kilometers riding in a very low speed I would prefer not to use the windshield.

Like the Dharma, the possibility to change the whole helmet inclination by changing the straps fitting helps to adopt a better helmet position when you ride on the bars. However if we are riding an UCI time trial legal bike with the bars very close to the knees we can have a very bent back and we may hit our back, therefore we can readjust the straps to avoid that issue.

Another last thing that I think that must be improved is tail replacement system, I think it isn’t a good idea to be done that way. You feel as you are breaking the helmet. 

http://www.spiuk.com/cas/site/producto-ficha.asp?id=773

Test description

My intention is to try both helmets to show a time difference with the same power. I will also evaluate the temperature evolution against the outside temperature under the helmet in one of the ventilation channels.

With those data I will help you to choose the best option to race and the advantages and disadvantages of them. I will also try to test the temperature evolution and the aerodynamic drag in the Dharma wearing or not the windshield.

I will do two different tests, one in an open velodrome and other in a road to simulate race conditions. At the velodrome I won’t use a gps for tracking the speed because its precision is very low under this type of track, therefore I will use the wheel circumference and a speedometer.  However in the other test, with 8.5km in each way of the road using the wheel I will.

My tools will be my time trial bike with a powertap wheel to measure the power directly in the hub, because if I use another device I won’t be able to see the chain power losses. My computer will be a Garmin Edge 1000 and for temperature control I will use a kit made by Arduino with some temperature gauges with a precision of 0.1ºC. One of them will be placed under the horizontal tube of the bike and the other one under the helmet.

My calibration process will be:

-        -   For the Powertap I will check once the torque precision by putting a loose weight in the crank with 20 kg, I expect to have a torque of 34.3 Nm because of the length of the crank.  Then I will do a “set to zero” before data recording.

-         -  To calibrate the speed in the velodrome I will do a mark on the ground and then travel as straight as possible for 5 complete wheel turns, then I will measure the length and divide it by 5.  I will do it at least two times to check the precision.

-        

        - To calibrate the temperature I will use the Garmin Edge 1000 to check the temperature in a room and in a fridge.

Model and simplifications

The test will be valid for me in riding on my time trial bike non UCI standard (the seat tube angle is 80º and UCI allows a maximum of 72º). However this doesn’t mean that the results aren’t valid, this means that other exact values will be obtained for another rider.

As it is very difficult to measure the power at a constant speed I will try to do it in a small range of speeds, therefore I will have to discard some tests that the speed varies a lot.

Note: if you would like to see more information with the equations related to the forces and power involved in bike riding you can check: http://lustaufzukunft.de/pivit/aero/formulas.html

The equations that evaluate the power related to speed in a bike are:

Power in the hub = Prolling + Paero + Pslope + Pacceleration

Power = V x F

V = velocity = speed

F = force or drag

As I am going to test it at a mostly constant speed, the initial speed is going to be the same as the final speed and the time interval used to do the test will be big enough to reduce the total acceleration and braking I can assume that the Power lost in acceleration is 0. Even more, as the test will always be done in a circular track there won’t be any height variation, so I can assume that the power lost in changing the potential energy will be also 0. This is my new power equation:

Power in the hub = Prolling + Paero

As I am not going to have a puncture in my test, vary my weight, change my position, have significant changes in air density (constant temperature, humidity and pressure), I can assume that:

Power in the hub = A x V + B x Vwind² x V

Where A is a constant = m x crr x g = (total mass: rider + bike + equipment) x rolling coefficient x gravity acceleration

Where B is a constant = 0.5 x rho x Cd x Area ; rho is the air density, Cd is the drag resistance coefficient and Area is the frontal area opposed to the movement. Cd x A is usually known as CdA directly.

Where Vwind = wind speed perceived by the rider = Vreal + V = real wind speed in the riding axis + bike speed related to the ground.

Even more, if the wind is lower than 4 km/h at 1.5m over the ground we can assume that the wind is zero with an error lower than a 0.5% and if it is lower than 2 km/h the error is less than a 0.1%. For the velodrome test we can directly assume that the wind speed will be 0.

Therefore, for the velodrome we can have this equation:

Power in the hub = Avelodrome x V + B x V³.

Where Avelodrome is related to a rolling coefficient at the velodrome.

With all these equations we can now test the Dharma and the Aizea and obtain the differences in both of them. It is important to note that the A coefficient will be mostly constant when swapping helmets and the B coefficient is the one that is going to change. Knowing those two coefficients will allow me to know the Crr (depends also on the riding surface) and the CdA of both helmets.

Why are so important these curves?

The power to speed curve allows me to know the benefits in using one or the other helmet. Knowing these curves will help me to obtain the power that I need to ride at an exact speed.

This means that we can know how fast we can ride and therefore we can predict our finishing times on many races. Basically we can compare the time reduction thanks to using one helmet.

To help it to be a bit clearer I will calculate the predicted times for half ironman, ironman and Olympic distance triathlons.

Test method: mainlines

The idea is to do some series of turns in the velodrome, which will last at least 3 minutes per speed.  I won’t change the gear through the test or the position, I will try to maintain a constant cadence and I will start and end at the same speed.  To avoid changes in the CdA I will ride at all the speeds without stopping or drinking water, because if I stop it will be difficult to achieve the exact same riding position.

I will check with an anemometer the wind speed in three parts of the road to correct the equations. If we have a wind over 4 km/h in the center of the velodrome I will have to cancel the test because I will have many parts of the track with changing winds, resulting in a wrong testing procedure.

At least I will do the test for each helmet at 3 different speeds, 30, 35 and 38 km/h, as the power changes with the power of 3. All the tests will be run the same day to avoid changes in weather conditions.

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Una de cascos (II)

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El pasado sábado 9 de mayo estuve haciendo la primera parte de la batería de pruebas proyectada para los dos modelos de Spiuk, el Aizea y el Dharma. Digo la primera parte de la batería de pruebas ya que sólo pude hacer las pruebas de velódromo debido a que me llevó desde las 9 de la mañana hasta las 5 de la tarde.

Para que nos hagamos una idea os dejo un pequeño extracto del vídeo de la prueba. 

Quiero destacar algo que me ha parecido muy interesante a no a tanto a nivel aerodinámico como a nivel de confort en el Aizea. Cuando se usa el visor parte del aire se conduce hacia la cara y no se queda parado en la frente haciendo que la sensación de fresco sea mayor con visor que sin él. De hecho da la sensación de que el Aizea con visor es más fresco que el Dharma con carcasa.

Resultados del velódromo

Finalmente y debido a los problemas del tipo de prueba, tras más de 8 horas en el velódromo sólo he podido analizar de forma exhaustiva tres configuraciones: Aizea con todo el kit aerodinámico salvo la ventilación, Dharma abierto y Dharma cerrado. Para el que esté interesado abajo expongo en el apartado “Notas del test” todos los condicionantes que han llevado a tan sólo centrarnos en 3 tipos de configuración.

Básicamente se observa una ventaja del casco Aizea frente al Dharma cerrado y abierto de un 7.4% y un 8.3% más o menos en la potencia aerodinámica. Lo que a 36 km/h suponen hasta 13 W de diferencia, a 38 km/h 15 W y a 42 son 21 W.

En cuanto a los dos valores que íbamos a querer calcular para todas las pruebas como comenté en la entrada anterior, el CdA y el Crr (coeficiente aerodinámico y el de rodadura) aproximadamente son para cada caso:

Modelo de casco	CdA (m2)	Crr
Aizea	0,2437	0,00585
Dharma con carcasa	0,2633	0,00585
Dharma sin carcasa	0,2656	0,00585

Con estos resultados y la ecuación de la potencia puedo obtener las tres curvas o la potencia para cada velocidad. (he puesto algunos valores medidos en el potenciómetro del Dharma y del Aizea mediante cruces)

Pongo dos ejemplos:

Con el casco de ruta sin carcasa a 36 km/h estaríamos consumiendo 209 W, con la carcasa bajaríamos aproximadamente 1-1.5W y con el Aizea estaríamos en 196 W, es decir, 13 W menos.

Visto de otra forma, veamos cuánto tiempo podríamos ganar en las diferentes distancias típicas de 

competición a 200 W:

Modelo de casco	Velocidad a 200 W	Olímpico sin draf.	Half	Ironman
Aizea	36.3	1:06:07	2:28:46	4:57:31
Dharma con carcasa	35.5	1:07:36	2:32:07	5:04:14
Dharma sin carcasa	35.4	1:07:48	2:32:33	5:05:05

Como se puede ver, en un Ironman la diferencia de tiempo es de 7 minutos y medio para el mismo grado de esfuerzo.

Además, por si alguno tiene alguna duda, mi perfil de Strava (https://www.strava.com/athletes/2462117 ) está abierto, con lo cual se puede revisar los datos del test del 9 de mayo, con las potencias incluidas aunque me gustaría exponer una muestra de los mismos, en el entorno de los 38 km/h los resultados medidos son los siguientes:

Modelo de casco	Velocidad media	Potencia medida
Aizea	38.6	233
Dharma con carcasa	38.2	240
Dharma sin carcasa	38.0	239

Para que nos hagamos una idea, para que pudiéramos comparar a la misma velocidad ambos cascos pasar de 38.2 a 38.6 km/h suponen 8 W extra, así que la diferencia sería de 233 a 248 W, los 15 W obtenidos mediante las curvas calculadas.

Notas del test:

1. Configuración inicial.

2. Influencia del viento, la temperatura, humedad y presión.

3. Importancia de la velocidad inicial, final y variación de la media.

4. Problemas por la posición del casco y la velocidad constante.

5. Problemas en las pruebas de diferentes configuraciones del casco Aizea.

6. Errores derivados de las bajas velocidades.

7. El estado del firme, la variación del Crr.

8. Medición de la ventilación bajo el casco.

9. Método de cálculo mediante análisis de Chung o de altura virtual.

1. Configuración inicial

Para el test finalmente he optado por una bicicleta de triatlón sin drafting tipo “open mould” talla 57 con el guiado de cables interior modificado con Plato de 53 dientes y piñones 12-25 con 10 velocidades. Portabidón en el cuadro sin bidón. El peso del conjunto bicicleta, ciclista, ropa y casco antes de las pruebas definitivas fue de 91.0 kg tanto con las pruebas con el Aizea como con el Dharma, ya que se corrigió la diferencia bebiendo agua.

Las ruedas son de perfil alto, 88 mm de alto y 19.5mm de garganta, tubulares con un powertap SL+ en el buje trasero. La delantera de 20 radios sin cruzar y la trasera de 28 radios a tres cruces. Tubular delantero Vittoria corsa evo cx II 700x21 pegado con triple capa de pegamento para Vittoria, alargador de válvula de vittoria, unos 1000 km; tubular trasero Continental Competition con mismas características que el vittoria.

Primero realicé la medición de la circunferencia de la rueda trasera a la presión de trabajo de 11kg, 2117 mm, tras ello la puesta a cero del powertap con pilas nuevas y la comprobación del calibrado del par en la biela con un peso de 50 kg. Con ello eliminamos el factor de inseguridad del gps y obtenemos la velocidad de forma mucho más precisa. Se hizo el test con la configuración de la rueda a 2100 y luego se corrigió en el programa de cálculo la diferencia de velocidad.

El velódromo abierto cuenta con curvas peraltadas, una cuerda de 363 m aunque la trazada por comodidad ha estado en la línea azul, resultando en vueltas de aproximadamente 400 m y una pista sobre la que circular con un firme relativamente rizado resultando un Crr más elevado del esperado, al contrario que en ocasiones anteriores. Tras las primeras vueltas de comprobación de la mecánica, seguridad y giros en ambos sentidos comencé las primeras pruebas de las diversas configuraciones para el soporte del ordenador de a bordo, optando por colocarlo junto a las manetas al estar lo más alejado posible.

2. Influencia del viento, la temperatura, humedad y presión.

Realmente salvo la influencia del viento, que complicaría las ecuaciones y la toma de datos, la humedad, temperatura y presión ambiental no juegan un papel fundamental a la hora de evaluar los resultados ya que sólo influyen linealmente en la densidad del aire.

El viento medido con anemómetro en diferentes puntos del trazado y en el centro de la pista arroja datos bastante bajos, con un punto a 1 km/h en la contrarrecta en dirección de circulación y menos de 1 km/h en la recta principal. Por lo tanto lo considero como “no significativo” como ya demostré en la entrada anterior.

En cuanto a la medición de temperatura, humedad y presión se mantuvo estable durante el periodo principal de la prueba (de 15:00 a 17:00) con 28º C en la temperatura y una densidad del aire de unos 1.18 kg/m³.

3. Importancia de la velocidad inicial, final y variación de la media.

Uno de los principales problemas del cálculo del CdA mediante este método está las variaciones de velocidad durante la prueba y la diferencia entre la velocidad inicial y la final.

Si hay variaciones de velocidad grandes durante el tiempo de la prueba respecto a la media, por ejemplo: velocidad media = 38.0 km/h, pero con variaciones de +-3 km/h y frecuentes lo que ocurre es que el valor de potencia nos va a dar más alto. ¿Por qué? Porque la potencia aerodinámica depende del cubo de la velocidad, por lo tanto para evitar que la potencia quede desvirtuada debemos de conseguir que las variaciones sean mínimas. Por ejemplo:

Paero (38 km/h) = 224 W

Paero (41) = 272 W

Paero (35) = 183 W

Con ello si el total del tiempo fuéramos a 38 km/h la potencia media sería 224 W pero si fuéramos la mitad a 41 y la otra a 35 la media saldría a 227.5 W, es decir, 3.5 W más.

Otro aspecto importante es la velocidad inicial y la final en las pruebas, hay que tratar de conseguir que sean lo más parecidas posibles y para que la aceleración o deceleración en el intervalo sea la mínima. Para eliminar dicha influencia el truco está en aumentar el intervalo de medición, cada vez que lo duplicamos limitamos dicho problema a la mitad. Por ejemplo, si comienzo el test a 36 y termino a 40 km/h en un periodo de 2 minutos estaré sufriendo una aceleración de 0.00925 m/s2, lo que teniendo en cuenta una velocidad media de 38 km/h y un peso del conjunto bicicleta + ciclista de 91 kg, suponen una potencia necesaria para acelerar en el periodo de 8.9 W. Si aumentásemos el intervalo a una hora bajaríamos a 0.29 W en acelerar y si la velocidad inicial respecto a la final fuera de 0.4 km/h la diferencia sería de 0.89 W.

Por eso mismo he tenido que ir descartando pruebas al ser demasiado grande la diferencia de velocidades durante la prueba o entre la inicial y la final.

4. Problemas por la posición del casco y la velocidad constante.

Sin embargo, todo lo dicho anteriormente tiene como principal inconveniente que es muy complicado hacerlo sin ir mirando constantemente la pantalla del ordenador de a bordo. Ese continuo mirar hace que la cabeza tienda a bajarse en vez de mirar con los ojos, con lo cual la posición del casco aerodinámico no es óptima. Seguramente si las pruebas se hubieran hecho con algún tipo de dispositivo que avisase por pitidos el resultado habría sido mejor.

5. Problemas en las pruebas de diferentes configuraciones del casco Aizea.

Otro de los objetivos de esta batería de pruebas era comprobar la influencia de la ventilación, el visor o los dos modelos de cola del casco Aizea.

Por desgracia es muy complicado comprobar la diferencia de efectividad entre las diversas configuraciones ya que al tener que estar controlando todo el tiempo la velocidad hay veces que bajas la cabeza más que otras, por lo tanto pueden salir resultados incoherentes.

¿Cuánto puede influir la ventilación? A la luz de los resultados observados en el Dharma, la influencia de la ventilación no será mayor de 0.5% y en tal caso es el usuario quien tiene que valorar las ventajas.

¿Cuánto influye el visor? La experiencia nos dice que un casco con visor es mejor que uno sin él a nivel aerodinámico. Sin embargo, quiero destacar de nuevo que el hecho de que el visor conduzca parte del flujo hacia la parte de la cara hace que sea más agradable ir con visor que sin él.

¿Cuánto influye la ausencia de cola? Es una tendencia actual la de recortar la cola de los cascos incluso de hacer cascos tipo “orinal” dado que la mayoría de los triatletas tienen la tendencia a fijar la vista en el suelo y no en el horizonte y así teóricamente se reducen la pérdidas. En este caso depende exclusivamente del gusto del triatleta o ciclista.

5. Errores derivados de las bajas velocidades.

Cuando se circula a bajas velocidades para hacer la prueba los errores van a ser muy grandes ya que hay problemas en cuanto a la medición de potencia ya que por lo general cuando la cadencia es menor de 30 ó 45 rpm los potenciómetros o dejan de medir o dan valores anómalos según los casos. Además para mantener esas bajas velocidades en un velódromo hay que tener cuidado con los peraltes  ya que al pasar a la zona horizontal se produce una inevitable aceleración subiendo mucho la velocidad, tanto como pasar de 21 a 24 en un corto espacio.

Sin embargo, a pesar de todo ello, los resultados obtenidos con la corrección de velocidades iniciales y finales se aproxima mucho a la curva prevista. Por ejemplo en el caso del casco Aizea el resultado es de 66 W a 22.6 km/h y la predicción es de 68 W.

6. El estado del firme, la variación del Crr.

Debido al estado del firme, de cemento pintado, que ha sufrido bastantes daños desde hace dos años, he observado que el Crr se ha visto aumentado. Por eso mismo a pesar de lo que me esperaba cuando llegué allí lo vi claro y supuse que iba a subir el Crr como así se prueba en los resultados.

7. Medición de la ventilación bajo el casco.

En un principio y según la entrada anterior estaba previsto analizar la evolución de la temperatura interior bajo el casco en este experimento del velódromo, pero una avería en el cuadro de la bicicleta obligándome a desmontarla entera y rehacer el cableado interno dañó el cableado de los sensores. Debido al daño del cableado se quemó la centralita de medición y estoy a la espera de una nueva.

8. Método de cálculo mediante análisis de Chung o de altura virtual.

Como comprobación a los cálculos de velocidades medias y de formulación me gusta usar un método analítico desarrollado Robert Chung basado en una “altura virtual”. Se trata de un método que es muy visual combinado con el software “shareware” que suelo utilizar, el Golden Cheetah.

La explicación que da el señor Chung en su última revisión (http://anonymous.coward.free.fr/wattage/cda/indirect-cda.pdf ) de cómo calcularlo es mediante el método de regresión polinomial (cúbica). Sin embargo esta opción trae los problemas mencionados en puntos anteriores, por lo tanto la mejor solución es mediante el método gráfico y una altura virtual. Cuando ambas alturas coinciden en un intervalo entonces obtenemos la combinación del CdA y el Crr. Si, además, tenemos varios intervalos podemos aproximar ambos para asegurarnos de que cumplen.

En mi caso, tras obtener los resultados analíticos expuestos al principio de esta entrada, los compruebo en el Golden Cheetah con la aplicación desarrollada para el método de Chung. Con ello observo si hay alguna incongruencia, que en este caso no la hay.

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Una de Cascos (I)

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Como ya sabéis me gusta investigar todo lo posible en todo aquello que hago así que no iba a ser menos para los cascos de bicicleta, que sirven tanto para triatlón como para ciclismo.

Hace unos meses estuve en Unibike y escribí dos entradas de lo que vi, una orientada a lo que había en general y otra más específica de dos de nuestros principales baluartes en equipamiento ciclista: Spiuk y Catlike. Así que ahora que llega el buen tiempo me he lanzado a probar desde un punto de vista técnico dos de las novedades de Spiuk que me causaron una grata impresión: el casco Aizea y el Dharma.

En esta primera entrada redactaré mis primeras impresiones y cómo quiero hacer el ensayo de efectividad aerodinámica entre ambos.

Esta entrada no pretende ser una comparativa estética o de comodidad de uso ya que para eso hay otras entradas en diferentes revistas, como en http://www.triatlonweb.es/bike/material-ciclismo/articulo/spiuk-aizea-vs-dharma Por ello los ligeros apuntes que hago abajo son sólo como breve introducción.

¿Qué esperamos obtener?

Como muestra esta imagen frontal con líneas de referencia, el casco Aizea claramente queda más bajo que el Dharma (4 cm) y además el área total es de 0.3491 m2 con el Aizea frente a 0.3580 m2. Por lo tanto simplemente debido a la mejora en el área frontal tenemos una reducción de la resistencia aerodinámica de un 2.5%. Como también muestra dicha imagen, el casco Dharma tiene una forma mucho más comprometida a nivel aerodinámico, con numerosos orificios de ventilación, aristas y con un tamaño alejado del cuerpo bastante grande, lo que hace que se pierda capacidad aerodinámica.

Si nos fijamos en la fotografía siguiente, que aun no teniendo la misma posición en ambas en cuanto a la cabeza, podemos apreciar que los bordes de salida en el Dharma son afilados y con un cambio abrupto en su sección, creando una zona de turbulencia que puede venir muy bien para refrigerar pero mal a efectos aerodinámicos; situación típica de un casco de ruta. Además el Aizea al llevar un visor evita el saliente que forma el casco con la frente atacando el aire de forma más “dulce”.

Es importante que no nos lleven a engaño las fotografías ya que están realizadas en estático salvo la última, la posición de la cabeza siempre va a ser la misma ya que la batería de pruebas al ser tan larga sólo es posible realizarse con una posición natural y no una forzada. Es decir, la de la última fotografía.

Es por eso, que en principio esperamos que el CDA con el casco de ruta Dharma sea de hasta un 10% mayor que el CDA con el Aizea, debido a que no sólo se trata de una mejora en la forma aerodinámica sino en una reducción del área frontal de resistencia. Sin embargo, para dar una idea de las bondades del Dharma intentaré probar con mi antiguo casco de ruta y con el Dharma con carcasa, donde espero ver diferencias sustanciales.

  

Según el MIT http://dspace.mit.edu/handle/1721.1/40486  y por cortesía de Diego Calderón y Alejandro Martínez ( https://wallace78tria.wordpress.com/2013/11/26/datos-independientes-de-cascos-aerodinamicos/ y http://www.amtriathlon.com/2006/11/cascos-aerodinmicos-john-cobb-es-uno.html ) en la posición “pegado al cuerpo” la resistencia es sólo del 25% frente al tradicional y en la posición “cola horizontal” la resistencia es de 40-45% frente al tradicional. Esto que puede parecer mucho viene a significar una reducción de unos 10-14W en la posición “pegado al cuerpo” y 8-12W en la “cola horizontal” a 36 km/h.

Unboxing del Dharma:

Cuando sacas el casco Dharma de la caja y de su funda como si fuera un casco de moto es innegable que su presentación es impresionante, la cola del casco ligeramente ascendente para ayudar a refrigerar la nuca le da un aspecto aún mejor. El peso, al ser un casco in-mold multicarcasa es muy contenido, de hecho al subirlo a la báscula arroja 220 gramos frente a los teóricos 250 de la talla grande. Para los que no estamos habituados a cascos ligeros, ya que el mío pesa unos 450 gramos es una pasada.

Los canales y tomas de ventilación son grandes, contando con 20 tomas que recorren longitudinalmente el casco. Dada la forma de las mismas permiten pasar el aire sin tener una incidencia solar directa sobre la cabeza, algo que se agradece cuando se pasan muchas horas sobre la bici, así evitaremos quemaduras solares. El sistema de sujeción trasero del casco con la típica ruleta es algo complicado si no te has leído las instrucciones o si quieres agrandarlo por primera vez para ponértelo, ya que tienes que hacer presión contra la cabeza. Una vez que te haces a él es mucho mejor y más seguro que otros cascos.

Por último trae la visera para MTB y un acolchado de repuesto y dispone de una red antimosquitos opcional además de una carcasa que habréis podido ver en el pelotón ciclista. Esta carcasa en invierno nos va a proteger del frío en los descensos de los puertos pero ventilando por la nuca donde el viento no afecta.

Este casco será el que lleve en la Titán Desert donde sin duda la ventilación va a jugar un papel muy importante.  Además será el casco contra el que probaré el Aizea, tanto en versión cerrada como abierta.

http://www.spiuk.com/cas/site/producto-ficha.asp?id=769

Unboxing del Aizea:

Sacar el Aizea de su caja y verlo ahí metido en su funda hace que la presentación sea innegablemente buena. Ha mejorado muchísimos enteros desde el Spiuk Kronos que te daba la sensación de ser una carcasa de plástico blando parecido al Giro. Este casco, con orejeras, visor, ventilación, dos colas para escoger e inclinación regulable tiene muy buena pinta. El peso en su configuración “con todo” de nuevo es más contenido que lo que aparece en la web. 470 vs 480.

Es un casco hecho para ir con todas sus mejoras, el visor y la cola larga para así sacar el mejor rendimiento posible. Sin embargo, como la larga distancia en bicicleta se puede hacer pesada muchos no llevan todo el tiempo la postura óptima, así que se han buscado algunas soluciones de compromiso.

La cola corta opcional ayuda a aquellos que tienen la tendencia a mirar hacia abajo, lo que hace es reducir el área frontal del casco en esas situaciones sin comprometer la mejora aerodinámica que supone llevar una cola cuando vamos bien situados. La cola elimina la zona de remanso tras la nuca mejorando el coeficiente de penetración en el aire. Al ser un casco aerodinámico toda su superficie es prácticamente lisa, sin oquedades, por lo tanto mejora la resistencia aerodinámica frente a un casco de ruta.

El visor puede retirarse si queremos una ventilación extra en la cara o si queremos usar nuestras gafas. La calidad de visión del visor es limitada ya que al ser un policarbonato curvo deforma ligeramente la imagen sin llegar a ser un factor limitante. Por mi parte y a falta de pruebas concluyentes prefiero el visor a no llevarlo. Sin embargo, en un Ironman como el que se planea en Madrid, en Lanzarote o el Enbrunman donde hay un gran desnivel y tramos a baja velocidad probablemente la mejor solución sea sin visor.

La capacidad de regulación de la inclinación del casco permite buscar que la cola se acerque más a la espalda. Esto tiene su punto de interés si nuestra capacidad de “acoplarnos” es limitada ya que buscaremos que sea lo más efectivo posible. Sin embargo si vamos muy horizontales podemos relajar esa inclinación para evitar que nos golpee en la espalda.

Para mi gusto el sistema de intercambio de la cola no está muy conseguido ya que tienes la sensación de que se va a romper, pero realmente no vas a estar cambiando de cola todos los días, con lo cual cuanto más difícil más robusto.

http://www.spiuk.com/cas/site/producto-ficha.asp?id=773

El modelo de la batería de pruebas

Mi intención es probar ambos cascos para establecer una diferencia en tiempos para la misma potencia. Además evaluaré la temperatura obtenida bajo el casco, en uno de los canales de ventilación frente a la temperatura ambiental.

Con estos dos datos pretendo ayudar a escoger nuestra mejor opción a la hora de competir y las ventajas e inconvenientes de los diferentes modelos. También quiero probar la diferencia entre llevar o no carcasa en el Dharma, tanto a nivel aerodinámico como de temperatura.

Para ello haré dos baterías de pruebas, una en velódromo abierto, de cuerda corta en la que iré siguiendo la línea en la medida de lo posible ya que no usaré GPS porque al ser un recorrido relativamente corto y cerrado el error va a ser muy grande. La segunda prueba será en un circuito de 8.5km de longitud en una carretera con poco tráfico, buen asfalto, sin grandes pendientes y una rotonda cómoda para hacer el giro de vuelta por el mismo tramo de carretera.

Como herramientas para el test contaré con mi bicicleta de contrarreloj montada con ruedas de entrenamiento y powertap como método de medición. El ordenador de a bordo será un Garmin Edge 1000 y probablemente aprovecharé las pruebas para hacer un test a un prototipo de un nuevo sensor de potencia situado en los pedales controlado con un reloj Garmin 310xt y así obtener una segunda medición por si hubiera incoherencias en los resultados. Como método de control de temperatura usaré una unidad Arduino con dos resistencias para medir la temperatura con una precisión de décimas de grado. Una de ellas irá bajo el tubo horizontal del cuadro y la otra situada en el canal principal de ventilación del casco.

A efectos de calibración:

-          Para el powertap se harán una comprobación de precisión del par bloqueando la rueda trasera y cargando la biela derecha situada en horizontal hacia adelante con 20kg de peso. Se espera un resultado de par de 34.3 Nm dado que la biela es de 175mm. Además se hará una puesta a cero de la unidad en cada grabación de datos.

-          Para calibrar la velocidad se marcará la rueda a la presión del test y se le dará una vuelta completa para así saber la circunferencia correcta. Se introducirá dicho dato en las unidades de medición de Garmin.

-          Para calibrar la temperatura se hará un test de temperatura en una habitación sin incidencia del sol frente a la temperatura obtenida por el Garmin Edge 1000. Se hará tanto a temperatura ambiente de unos 20-25ºC como en una nevera para obtener la posible desviación de la curva. El cableado de la unidad Arduino estará soldado para evitar desconexiones que variarían la resistencia y por tanto la medición de temperatura.

-          Al ser un prototipo la otra unidad de potencia se hará el mismo test que en el powertap pero no se usarán los datos salvo para contrastar posibles errores.

Simplificaciones del modelo y ecuación matemática

El modelo se va a basar en el consumo de potencia en un ciclista sobre una bicicleta de contrarreloj no UCI pero sí válida para triatlón de larga distancia. Esto se debe principalmente a que el ángulo de la tija del sillín respecto a la horizontal y al eje del pedalier es de unos 80º, superior lo permitido por la UCI.

Sin embargo esto no resta validez a la posible extrapolación a una bicicleta de contrarreloj legal, siendo simplemente un poco peor el resultado de la resistencia aerodinámica del conjunto bicicleta-ciclista.

Como resulta algo complicado medir la potencia respecto a la velocidad a una velocidad constante e igual para toda la batería de pruebas vamos a hacerlo en una horquilla de velocidades lo más parecida posible. Con estos datos obtendremos la curva de potencia para todas las posibles configuraciones y así podremos comparar con más precisión.

Nota: si queréis ver más datos sobre la potencia en la bicicleta aquí hay más información http://lustaufzukunft.de/pivit/aero/formulas.html y en mi entrada sobre el modelo matemático también.

La ecuación que regula la potencia necesaria para desplazarse a una velocidad determinada es:

Potencia en el buje = Prodadura + Paerodinámica + Pascensión + Paceleración

Y

Potencia en el buje = Fuerza x Velocidad de movimiento

Como quiera que el recorrido va a ser de ida y vuelta (velódromo o recorrido de carretera entre rotondas) y voy a trabajar a velocidad constante, la potencia de ascensión y la de aceleración es nula. Además, al ser la velocidad estable podemos suponer que la velocidad instantánea es igual a la media y por lo tanto vamos a trabajar con potencias promedio y no instantáneas (simplificación 1).

Por lo tanto,

Potencia en el buje = Prodadura + Paerodinámica

Como la presión atmosférica y la temperatura más o menos no van a variar al hacerse el mismo día y más o menos a la misma hora la batería de pruebas, la presión de las ruedas es estable y se va a mantener, el área y la posición va a ser la misma para cada configuración, tenemos (simplificación 2):

Potencia en el buje = A x V + B x Vaparente² x V = Prodadura + Paerodinámica

Siendo Vaparente = Velocidad del viento (positivo si es en contra, negativo a favor) + Velocidad del ciclista (V).

Dado que la velocidad del viento es sólo la velocidad del viento que incide en contra (simplificación teórica 3) y se va a hacer en un terreno con vientos que no suelen encañonarse sino que se suele mitigar por la presencia de árboles, se medirá sólo el viento en la dirección del recorrido con un anemómetro de mano en 3 puntos diferentes.

Se podría hacer una 4 simplificación que consiste en suponer la Vaparente = V y el error cometido en la potencia aerodinámica sería de tan sólo un 0.5% con un viento de 4km/h. Esto directamente se puede aplicar en el caso del velódromo abierto donde los vientos rara vez superan los 2km/h, con un error del 0.1%.

Por lo tanto la ecuación para el velódromo es:

Potencia en el buje = Avelódromo x V + B x V³

Gracias a estos datos podremos proyectar la curva Potencia vs Velocidad para cada una de las configuraciones de cascos y así poder evaluar la mejora que supone el casco.

Esto se debe a que:

Avelódromo = m x crr)velódromo x g = masa (peso en la báscula) x coeficiente de rodadura en el velódromo x 9.81 es constante aunque cambiemos de casco (suponemos que la aerodinámica no ejerce fuerzas ascensionales).

B = rho x ca x Afrontal x V³ /2 = densidad del aire x coeficiente aerodinámico x área frontal x velocidad, al saber la B podemos saber el ca x Afrontal = CDA, con valores típicos de 0.3. Este punto sí que varía según la configuración de los cascos y es el dato que queremos obtener.

En cuanto al uso en carretera simplemente servirá para refrendar los datos obtenidos en el velódromo, donde el CDA obtenido en el velódromo será el mismo y la ecuación tomará la forma:

Potencia en el buje = Acarretera x V + B x Vaparente² x V que sólo podrá simplificarse si el viento es menor de 4 km/h en la dirección de la carretera

Con estos datos podremos sacar la curva en ambos casos (Dharma y Aizea) y con ello obtener las mejoras.

¿Por qué es tan importante la curva?

La curva de potencia respecto a la velocidad nos va a permitir cuantificar la mejora que supone el uso de cada tipo de casco. Una vez sacada la curva bastará poner una velocidad objetivo y obtener la potencia o poner una potencia objetivo y obtener la velocidad.

Dicho de otra forma, si nosotros sabemos qué potencia podemos obtener podemos saber qué mejora de tiempos podemos sacar al usar el Aizea frente al Dharma o frente a un casco de ruta menos evolucionado. Básicamente es saber qué supone de mejora un casco frente a otro en tiempo para una competición.

Para ello haré estimaciones objetivas en distancias de media distancia y larga distancia en triatlón. Además de la contrarreloj llana de 40km.

Método de medición

Sabiendo estos datos se puede hacer una batería de pruebas consistente en 5 vueltas lanzadas al velódromo por cada velocidad y configuración. Es importante que la vuelta sea lanzada para evitar la influencia de la aceleración, que la velocidad sea lo más estable posible y que cuanto mayor sea el número de vueltas menos influencias va a tener la posible variación de velocidad. Para ello se usarán desarrollos fijos en cada una de las velocidades y así trabajar con una cadencia que sea la más cómoda, en torno a 90 pedaladas por minuto en mi caso y así no ir forzado.

Se va a medir con un anemómetro en el centro de la pista la velocidad del viento, si superase 4km/h se suspende la prueba, ya que al ser un velódromo abierto habría mucho “ruido” debido a las turbulencias generadas en curvas y puntos singulares. Para evitar modificaciones en la postura se hará la batería de pruebas en velódromo de corrido sin parar para cada configuración.

En el caso de la prueba en ruta será sólo una vuelta por velocidad y configuración. Se tratará de mantener una velocidad lo más estable posible con un arranque de unos 300m para llegar a dicha velocidad. No se frenará hasta pasados unos 100m para evitar levantarnos antes de tiempo. Se anotará la velocidad del viento en 3 puntos del recorrido.

Al menos se tomarán tres velocidades como referencia, con un mínimo de 5km/h entre ellas para las dos pruebas.

La temperatura se anotará en una libreta tanto al final de todas las pruebas en cada casco para así dar tiempo a que se estabilice.

En ambos casos las pruebas se harán el mismo día y a la misma hora, para evitar las posibles interferencias en la temperatura.

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