Partamos de la definición más básica para ir aclarando conceptos.
La rigidez es la resistencia de un material a deformarse ante una fuerza; un objeto es más rígido cuanto más difícil es deformarlo. Quizá el ejemplo más sencillo sea un muelle: si a dos muelles le aplicamos la misma fuerza será más rígido el que más se deforme y se deformarán más cuanta más fuerza usemos. Por eso la rigidez es depende del material, de su orientación y de su geometría. Así decimos que el acero es más rígido que una goma elástica, que un tronco de madera aguanta mejor contra la veta o que un triángulo es más rígido que un cuadrado.
Ojo, no hay que confundir la rigidez con la resistencia a la rotura, así el vidrio o el hormigón son muy rígidos pero rompen con poca deformación.
La rigidez de un material también depende de si es homogéneo como un metal o si es un material compuesto por fibras. Los metales sin tratamientos mecánicos o superficiales son igual de rígidos sin importar su orientación, pero la madera o la fibra de carbono es muy importante la orientación.
Esta rigidez desde el punto de vista exclusivo de los materiales no es la única de la que se habla en la ingeniería, también está la rigidez debida a la forma. Es decir, cómo construimos un objeto para que sea más rígido sin usar más material. El ejemplo típico puede ser el de un puente formado por arcos o una torre eléctrica, el peso y cantidad de material necesarios para hacer lo mismo macizo sería enorme.
Obviamente estos son conceptos muy generales, pero nos permiten hacernos una idea de qué materiales y de qué forma podemos optimizar la construcción.
¿Por qué y para qué es importante la rigidez?
La mayor rigidez en el ciclismo tiene tres beneficios básicos:
- Nos permite una mayor precisión y manejabilidad, si vamos inclinados en una curva la bicicleta sufrirá menos deformaciones haciendo que la trazada sea la que queremos.
- Nos ayuda a transmitir mejor nuestros esfuerzos, si parte de nuestra pedalada se pierde en deformar el cuadro, los pedales o los zapatos seremos menos efectivos. Esto se hace especialmente crítico cuando pedaleamos de pie, por eso mismo las suspensiones tienen una posición de bloqueo.
- Una mayor rigidez hace que la bici sea más “reactiva”, al ser más rígido todo el conjunto hace que se transmita directamente el esfuerzo al asfalto sin estar amortiguado todo ese esfuerzo. No sólo es que malgastemos menos energía sino que hacemos uso de ella justo cuando queremos y como queremos.
Sin embargo, ¿es siempre beneficioso?
Una mayor rigidez supone el uso de una mayor cantidad de material, obviamente te hundes menos con tu peso soportado por dos muelles que con uno. También supone una pérdida aerodinámica, al tener que emplear tubos redondos más grandes en vez de aplanados con forma de gota de agua seremos más lentos a altas velocidades.
Además, no siempre una mayor rigidez es mejor, puede que una mayor rigidez lateral de un cuadro permita que responda mejor cuando pedaleamos de pie, pero una mayor rigidez vertical hará que cuando pasemos sobre un pequeño bache lo notemos en exceso, haciendo que rodar por un asfalto en mal estado sea un suplicio. Por ello mismo se suelen hacer cuadros con un ligero “sloping”, se consigue una mayor rigidez en los triángulos pero a la vez se deja que la tija del sillín quede liberada de carga, haciendo un cuadro más rígido para el pedaleo pero menos verticalmente, todo ello reduciendo el peso en general al necesitar menos material.
En otros casos, como en un casco de protección, hace falta que la rigidez no sea extrema ya que sino el impacto será como no llevar dicho elemento. Por ello lo que es bueno para fabricar un cuadro de bicicleta o una suela de zapato hace que sea negativo para protegernos si no está acompañado por una zona de deformación controlada como pueden ser espumas de poliuretano o poliestireno expandido.
Los ciclos de histéresis o la amortiguación
Si el ejemplo simple de una deformación debida a una carga es un muelle, el ciclo de histéresis puede ser el de un amortiguador. En un mundo ideal, si comprimimos un muelle y lo soltamos éste rebotará indefinidamente, pero sabemos por experiencia que esto no ocurre. ¿Por qué?
De forma muy simplificada es como si existiera un rozamiento interno entre los elementos que componen un material. Por lo tanto es como si cogiéramos ese muelle, lo estirásemos, le amarrásemos una taco de goma que hiciera rozamiento con el suelo y lo soltásemos.
Como podemos intuir, el muelle rebotará cada vez menos. Eso mismo ocurre al deformar un material, al dejar de ejercer la fuerza parte de la energía acumulada se pierde en forma de calor y, además, volverá a su posición original de forma más lenta.
Este efecto es especialmente crítico en materiales compuestos donde la deformación hace que “rocen” las diferentes capas de material. Por ello, cuanto más rígida sea cada capa mejor, liberará menos calor y actuará con una respuesta más inmediata, esto hace que sea mejor usar fibra de carbono en vez de fibra de vidrio para la suela de un zapato.
El traslado al mundo real
¿Cómo podemos sacar partido de todo esto? Vayamos a un caso sencillo:.
Antiguamente se usaban grandes pedales metálicos con enganches llamados rastrales, el objetivo era poder aplicar el máximo de fuerza al pedal y que se repartiera de la mejor forma posible. Al no existir los materiales actuales se usaban suelas de cuero por su gran rigidez y peso contenido.
Con la aparición de los pedales “automáticos” se buscaba incrementar la transmisión del esfuerzo a los pedales, consiguiendo un pedaleo más “redondo” y que forzase menos las articulaciones. Sin embargo, al ser pedales más pequeños se hizo necesaria una mayor rigidez de la suela para no actuar sobre un solo punto.
Actualmente los fabricantes usan materiales compuestos para transmitir mejor el esfuerzo, rigidizan la zona de contacto del zapato con el pedal y distribuyen la fuerza a toda la suela. Este reparto hace que no haya una carga puntual en el pie evitando lesiones en el punto de apoyo o fascitis plantares por tener que hacer fuerza con la planta del pie. Esta rigidez permite que el pie pueda estar más relajado haciendo que el esfuerzo lo soporten los grandes músculos como los gemelos y los cuádriceps aumentando la potencia máxima que somos capaces de aplicar en los pedales.
Además, al rigidizar toda la suela usando
un material ligero acompañado de pequeños pedales hay menos “carga muerta”
tanto sobre la bici como en movimiento, favoreciendo las aceleraciones y
aligerando el peso completo de la bici y ciclista..
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