Algunas personas nos han preguntado, comprensiblemente, “¿Cómo pueden tres nerds hacer una bicicleta de carretera más rápida que el resto de la industria?”. Y lo entendemos: las afirmaciones extraordinarias requieren una justificación extraordinaria. Hoy quiero hablar sobre el lado aerodinámico de la respuesta a esa pregunta (en parte porque, debido a mi ignorancia, Stephen podría -o debería- juzgarme si intento hablar de las otras cosas).
¿Qué hacemos diferente? La aerodinámica no es una ciencia nueva; algunas personas mucho más inteligentes que yo publicaron las ecuaciones que usamos para la mayoría de las simulaciones aerodinámicas a mediados del siglo XIX, cuando las máquinas de vapor eran lo más novedoso. La CFD se inventó cuando la palabra “computadora” se refería a personas que eran buenas en matemáticas. Así que no estamos haciendo nada descabellado aquí. En pocas palabras, hacemos dos cosas, y las hacemos bien:
- Usamos las herramientas adecuadas para cada tarea.
- Seguimos la ciencia: el diseño es resultado de los datos; no de los sentimientos, los presupuestos, los plazos o el marketing.
Entonces (en detalle) ¿qué significa eso exactamente?
Usando la herramienta adecuada para cada tarea
Pregúntale a cualquier ingeniero aeroespacial cómo diseñan un avión, y ni uno solo te dirá que empiezan con CFD (dinámica de fluidos computacional) a gran escala, como lo hace parte de la industria de la bicicleta. ¿Por qué no? Porque la experiencia ha demostrado que hay herramientas mucho mejores para empezar.
Así como no empezarías un trabajo de carpintería con papel de lija de grano 3000, no deberías empezar el diseño aerodinámico con CFD completo de Navier-Stokes. Empiezas con una sierra o una lima gruesa, te acercas al resultado final, y luego pasas a métodos cada vez más lentos a medida que te acercas más y más a tu resultado deseado. Es lo mismo con la aerodinámica.
Entonces, ¿cuál es la herramienta rudimentaria para la aerodinámica? Hay muchas opciones. En el nivel más básico, está la estimación a ojo. Si quiero reducir la resistencia de la bicicleta en X, ¿qué CdA necesito lograr, y qué combinación de coeficiente de arrastre (Cd) y/o área (A) necesitaría para llegar allí? Cosas simples como estas pueden decirnos, como ingenieros, qué tan agresivos necesitamos ser para lograr lo que queremos, así es como decidimos, por ejemplo, que la RAKTT podría usar un método de fijación de potencia menos propietario que la competencia y aun así superarlos en rendimiento.
Luego vienen las simulaciones por computadora basadas en la física. Las ecuaciones de Navier-Stokes (lo que muchos usan) son excelentes, pero son costosas. Hay muchos conjuntos simplificados de ecuaciones que cubren parte de la física de la aerodinámica, y con experiencia y una comprensión cuidadosa de sus limitaciones, se puede hacer un diseño inicial realmente sólido usándolos. No me voy a poner demasiado técnico aquí, pero si están interesados, algunos de los conjuntos de ecuaciones más útiles para el flujo de fluidos relevante para bicicletas incluyen (en orden de costo aproximadamente creciente) celosía de vórtices, potencial, potencial completo, Euler, Navier-Stokes promediado por Reynolds (RANS, lo que la mayoría usa), RANS inestable, RANS-LES híbrido (simulación de grandes remolinos), LES y DNS (simulación numérica directa). Todos menos el último hacen ciertas suposiciones sobre la naturaleza de la física del flujo, sacrificando parte de la física del mundo real para reducir costos, todo ello mientras proporcionan información útil. Ningún modelo es perfecto, pero algunos son útiles.
Hasta ahora, hemos estado trabajando con computadoras cada vez más potentes. El siguiente paso en complejidad viene de hacer la mejor simulación de flujo de fluidos del mundo: dejar que los fluidos reales hagan la simulación por nosotros. Aquí también hay varios niveles de complejidad. La mayoría de los túneles de viento para ciclismo son de bajo costo, pero la desventaja es que tienen niveles de turbulencia muy altos, y por lo tanto se parecen menos a los fluidos del mundo real. Para lograr baja turbulencia, un túnel de viento usa pantallas delante de la sección de prueba para suavizar el aire, pero esas pantallas también ralentizan el aire y, como resultado, cuestan más energía. Un túnel más pequeño y de alta turbulencia puede funcionar con cientos de dólares de energía por hora, mientras que los túneles más grandes y de muy baja turbulencia pueden costar cientos de miles. A veces, los niveles de turbulencia importan, y a veces no. La magia está en saber cuándo y cuánto importan los niveles de turbulencia para poder aplicar los resultados de un túnel determinado de manera adecuada. Como un dato interesante, los niveles de turbulencia importan MUCHO para la ropa de ciclismo, y nuestro uso de túneles de alta turbulencia en la industria del ciclismo es la razón por la que creo que tenemos un largo camino por recorrer hasta alcanzar la aerodinámica máxima de la ropa.
Uno de los muchos túneles de viento que ojalá pudiéramos permitirnos en el ciclismo - mira el pequeño coche a la derecha. Crédito de la imagen Oleg Alexandrov, bajo la licencia Creative Commons Atribución-Compartir Igual 3.0 Unported.
Finalmente, como era de esperar, hay pruebas reales en el mundo. A menudo son costosas, porque se necesita una bicicleta funcional e instrumentación específica, y luego, debido a que el mundo real es caótico e impredecible, a menudo hay que realizar muchas pruebas para descartar variables como la variación del viento, los cambios de elevación, la posición del ciclista, etc. Aquí estamos hablando de métodos que van más allá del método Chung. Eso es excelente para obtener un CdA general, pero con la instrumentación adecuada y el tipo de pruebas de las que hablo, se puede caracterizar el flujo sobre toda la bicicleta y literalmente ver la aerodinámica en el mundo real, lo cual es más desafiante pero también mucho más valioso. Que yo sepa, Stromm es la única empresa en la industria de la bicicleta que lo ha hecho.
Siguiendo la ciencia
En Stromm, utilizamos la mayoría de estos métodos. Empezamos con las herramientas rudimentarias, refinamos un poco nuestros diseños, aumentamos la complejidad y luego refinamos un poco más, subiendo y bajando en complejidad según sea necesario hasta que obtenemos un diseño que queremos construir y pilotar. Hacemos tantos ciclos de esto como sea necesario para obtener la bicicleta que queremos. Si una bicicleta no rinde como queremos, lo intentamos de nuevo hasta que lo haga. Los plazos no rigen nuestro proceso de diseño, solo los resultados. Pero quizás lo más importante es que aprendemos a medida que avanzamos. Cada vez que aumentamos la complejidad de nuestras herramientas, aprendemos un poco sobre dónde funcionaron bien las herramientas más simples y dónde no, y volvemos y aplicamos ese aprendizaje para usar mejor las herramientas más simples la próxima vez. La RAKTT es nuestra primera bicicleta de carretera pública, pero en realidad es la cuarta bicicleta de carretera que hemos construido hasta convertirla en una máquina manejable, y cada una de esas tres bicicletas anteriores nos permitió perfeccionar el uso de nuestras herramientas hasta que fue lo suficientemente bueno como para tener mucha, MUCHA confianza. Podemos obtener una mayor precisión de nuestras herramientas de menor fidelidad de la que muchos pueden lograr usando simulaciones de Navier-Stokes mucho más caras.
En la mayoría de esas bicicletas, realizamos pruebas aerodinámicas en carretera. Cada una nos ayudó a determinar exactamente dónde en la bicicleta, y en qué entornos de viento, nuestro túnel de viento y el modelado por computadora nos daban la respuesta correcta (o no), y en qué medida. Que yo sepa, no hay otras compañías de ciclismo que hagan esto, pero es increíblemente útil porque nos ayuda a verificar nuestro trabajo. Nos permite ajustar todos nuestros modelos donde sea necesario para obtener las mejores predicciones de precisión al menor costo posible. Y este proceso de aprendizaje iterativo es cómo podemos tener una confianza de nivel aeroespacial en nuestras afirmaciones de rendimiento.
Notarán que no mencioné mucho los presupuestos, el marketing o los plazos aquí. Nos llevó una década completa hacer una bicicleta de carretera con la que estuviéramos lo suficientemente contentos como para venderla. No he contado el número de iteraciones de diseño para cada tubo, o el número de simulaciones que hemos realizado, pero son MUCHAS. Hemos descartado muchos diseños que pensamos que eran realmente geniales y revolucionarios, porque a pesar de parecer impresionantes, simplemente no funcionaban tan bien. ¿Habrían diseños que se vieran radicalmente diferentes hecho el marketing más fácil? Tal vez, pero la bicicleta habría sido más lenta o menos utilizable. Y aunque no usamos herramientas innecesariamente costosas, no rehuimos gastar lo que sea necesario para hacer el trabajo. La mayoría de los gastos de nuestra empresa se destinan a I+D de algún tipo. La ciencia es lo primero, y luego descubrimos cómo hacer que la logística funcione una vez que estamos contentos de tener un gran diseño que nosotros mismos querríamos usar.
En general, usar las herramientas adecuadas para el trabajo y seguir la ciencia nos permite obtener más rendimiento de nuestro proceso de I+D. Dedicamos mucho tiempo y esfuerzo a refinar este proceso, pero la mejor manera de hacer la bicicleta de carretera más rápida del mundo es asegurarnos primero de tener las herramientas y el proceso de diseño más efectivos.
Entonces, ¿qué hay de RAKTT?
Esperemos que esos detalles sean tan geniales e interesantes para ustedes como lo son para nosotros, pero ¿qué hay de los detalles de cómo se aplicó todo eso a nuestra bicicleta de carretera RAKTT?
Para el RAKTT, utilizamos nuestras herramientas de menor fidelidad para crear varios conceptos prometedores. Cada concepto tenía un diseño de tubos marcadamente diferente, y todos eran modulares para permitirnos probar diferentes combinaciones. Una vez que estuvimos satisfechos con cada uno dentro de la precisión que nuestras herramientas de baja fidelidad podían indicarnos, realizamos verificaciones puntuales con herramientas de mayor fidelidad cuando fue necesario para asegurarnos de que estábamos en el camino correcto. Terminamos llevando todos esos conceptos al túnel de viento, lo que hacemos al principio del proceso de diseño para tener tiempo de aplicar lo que aprendemos en el túnel. Luego, renovamos los conceptos ganadores para mejorarlos donde fuera posible y combinarlos en un diseño de cuadro cohesivo.
En general, quedamos muy satisfechos con el proceso. Logramos una precisión de nivel aeroespacial al comparar nuestras herramientas de baja fidelidad con el túnel de viento. Ese es un gran logro, incluso para los principales contratistas de defensa, mucho menos para tres nerds en un garaje, así que, por favor, discúlpenos por alardear un poco. Otro dato interesante: la combinación de conceptos que pensamos que sería la más rápida no lo fue. Era un poco más propia, pero no ofrecía ahorros de resistencia significativos. Eso nos sorprendió un poco, pero son buenas noticias: con gusto fabricaremos una bicicleta menos propia que sea tan rápida como nuestras ideas más locas.
Nuestro proceso de diseño de baja fidelidad es increíblemente propio, es la salsa secreta que nos permite competir con los grandes del mercado de bicicletas aerodinámicas de carretera. No puedo compartir mucho, pero aquí es donde invertimos la mayor parte de nuestro esfuerzo de diseño. Como ejemplo, invertimos un gran esfuerzo en más de 70 formas de tubos solo para la horquilla, que surgieron de cientos de candidatos menores y miles de opciones anteriores. Y, de nuevo, tenemos nuestras correcciones de baja fidelidad a la realidad lo suficientemente bien ajustadas como para que lo que predecimos siempre estuviera dentro del 5% del mundo real, y a menudo más cerca de entre el 1 y el 2%.
Solo algunas de las miles de formas de tubos probadas con el fin de ir más rápido.
Nuestro proceso de diseño de alta fidelidad es mucho más común. Utilizamos el solucionador CFD de código abierto OpenFOAM y su ecosistema. Si estamos tan seguros de nuestra baja fidelidad, podría preguntarse, ¿por qué necesitamos esto? Bueno, nuestra baja fidelidad solo puede ser tan precisa como lo sea a través de la calibración con el mundo real. Este CFD de mayor fidelidad nos da señales de advertencia tempranas de cuándo podríamos estar saliendo del espacio de diseño donde estamos seguros de esa calibración, lo que puede ayudar a ahorrar tiempo en el túnel de viento y decirnos dónde debemos invertir mejor ese tiempo en el túnel de viento. El tiempo en el túnel está muy cerca de la verdad absoluta, pero es caro. El CFD de alta fidelidad nos dice dónde necesitamos ese mayor coste para calibrar nuestras otras herramientas.
Para las pruebas en el túnel de viento, realizamos varios tipos de pruebas:
- Comparaciones de pequeños cambios: aquí buscamos diferencias de 0.5 vatios en la forma. Solo probamos la bicicleta en sí para obtener la baja incertidumbre que necesitamos para realizar los cambios de forma más pequeños. Los cambios más grandes se realizan intercambiando secciones de la bicicleta impresas en 3D, mientras que los cambios más pequeños se realizan mediante adiciones de arcilla moldeada por calor personalizadas en tiempo real. ¿Alguna vez te preguntaste cómo nuestra bicicleta puede obtener una gran interacción rueda-cuadro sin estar tan espaciada como otras? ¡Los pequeños cambios de arcilla en el túnel de viento son la clave!
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Benchmarking general: aquí vemos cómo nos comparamos con la competencia y con diseños anteriores. Aquí probamos varias variaciones:
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Comparación directa con la competencia: utilizamos los componentes más similares posible, incluso si eso significa poner en desventaja a nuestra bicicleta. Aunque podríamos reclamar los componentes más aerodinámicos con los que vendemos la bicicleta como una ventaja, no lo hacemos. ¿Por qué? Porque esas ventajas se deben a los componentes, no a RAKTT en sí. Hacemos estas pruebas sin ciclista para mayor precisión, y con un maniquí de la parte inferior del cuerpo con bielas horizontales y fijas (similar al utilizado por la revista Tour) para aplicabilidad en el mundo real. Se ha demostrado por investigadores más inteligentes que yo que las piernas estacionarias en esa posición son un excelente promedio del efecto total de las piernas en movimiento, sin toda la incertidumbre de datos añadida por ese movimiento.
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Elección de componentes: Probamos diferentes opciones de componentes para entender cómo afectan la evaluación comparativa anterior, y para asegurarnos de que cualquier afirmación pública que hagamos sobre nuestra bicicleta se mantenga bajo cualquier uso razonable. Algunos de nuestros clientes podrían querer llevar su RAKTT a terrenos más montañosos; ¿las ruedas menos profundas hacen que nuestra horquilla ya no sea tan aerodinámica? Queremos probar eso para poder diseñar en torno a ello. Algunos de nuestros clientes rodarán sin bidones, usarán bidones aerodinámicos o bidones redondos; ¿cómo afecta cada uno a nuestra ventaja sobre la competencia? Estas pruebas nos dan esa respuesta.
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De todas las pruebas en el túnel de viento que realizamos, los datos de prueba que publicamos son nuestro mejor intento para dar a la gente la respuesta más precisa y real de "¿qué rendimiento puedo esperar obtener sin importar de qué bicicleta venga y qué componentes use?". Aunque eso significa que hay muchas situaciones en las que la RAKTT será más de 10 vatios más rápida que otras, no queremos anunciar más de lo que podemos prometer con confianza. En general, eso significa que nuestros datos públicos se basan en una prueba sin bidones, con un maniquí de la parte inferior de la pierna estacionario, bielas de 170 mm y ruedas de 40 mm de profundidad, porque ese es nuestro peor escenario para la diferencia entre nuestra bicicleta y otras. ¿Normalmente llevas dos bidones redondos? ¡Genial, yo también! Ambos probablemente veremos un beneficio de rendimiento aún mayor con la RAKTT, porque nuestro escudo de bidones es excelente. ¿Tienes ruedas más profundas? Excelente elección, yo también; en el peor de los casos, no harán ninguna diferencia en esa diferencia de rendimiento de 10 vatios/40 km/h. ¿Vas a cambiar a las bielas más cortas que traerá la RAKTT de serie? Genial, obtendrás aún más rendimiento del que anunciamos.
No queremos que ningún cliente obtenga menos mejora de rendimiento de lo que le prometemos, por lo que esos son los datos que publicamos, incluso cuando hay datos que podrían hacernos lucir aún mejor.
¿Otros datos nos harían lucir mejor? Claro, pero ¿a quién le importa, si no te hace más rápido en el mundo real?
Por otro lado, queremos que los ciclistas sean más rápidos, no avergonzar a otros fabricantes que se esfuerzan por hacer bicicletas excelentes. Por eso no revelaremos contra qué bicicleta(s) hicimos las pruebas. Defenderemos con gusto nuestra afirmación de rendimiento contra cualquiera de las bicicletas más rápidas probadas por la revista Tour hasta ahora.
Finalmente, como siempre hacemos con nuestras bicicletas, realizaremos pruebas en carretera para aprender para la próxima vez. La forma en que hacemos esto también es muy propia, pero nos ayuda a calibrar esa diferencia final entre el túnel de viento y las condiciones del aire en el mundo real. Ya hemos aprendido todo lo que necesitábamos para diseñar la RAKTT, pero las pruebas en carretera con la RAKTT serán vitales para algunos proyectos futuros que tenemos en mente.
Espero que esto ayude a responder algunas preguntas que nos han surgido sobre nuestro proceso. ¡No dudes en seguir preguntando si hay algo más que te interese! No podemos compartirlo todo, porque entonces otros podrían hacer lo que hacemos (y nos gusta poder comprar comida), pero somos grandes defensores de la transparencia en la aerodinámica y queremos animar a nuestros clientes y a otras empresas a hacer y responder este tipo de preguntas. La verdad en la aerodinámica nos hace a todos más rápidos, y estamos aquí para ello.
¡Gracias por leernos!