En esta entrada voy a lanzar una hipótesis sobre la pérdida de potencia en el pedaleo reclinado y, por supuesto, buscar y analizar literatura científica relacionada que nos sirva para apoyar o desecharla.

El origen de la cuestión está en mi paso al mundo del ciclismo reclinado a finales de octubre de 2016 -decisión con la que estoy encantado-, y la pérdida de potencia en mi pedaleo que constaté desde el primer momento. Creo que demostré más o menos bien, matemáticamente hablando, la existencia de mi pérdida de potencia en un artículo anterior. Y también he mostrado una amplia recopilación de estudios tanto de otros aficionados como, más importante, de estudios en laboratorio. Como de ellos no se puede concluir razón alguna para dicha pérdida, nada nos impide jugar a detectives para intentar arrojar luz sobre el fenómeno.

La hipótesis que vamos a analizar aquí es si el peso de la pierna puede estar ayudando al pedaleo vertical en la fase de empuje, ayuda que no existiría en el pedaleo reclinado.

En principio podríamos pensar que, en el pedaleo en una bicicleta vertical, el peso de la pierna que baja se compensa exactamente con el peso de la pierna que sube, anulando el efecto propuesto. Eso sería así, efectivamente, si la pierna que asciende permanece inactiva muscularmente, de modo que todo el trabajo (pedaleo descendente + levantar la pierna contraria) lo hiciera la pierna que desciende (pues ambas bielas giran solidariamente). Pero si la pierna que asciende lo hace gracias al trabajo muscular y, además, estos músculos no interfieren negativamente con los músculos implicados en el pedaleo descendente, entonces sí podría haber el efecto que buscamos.

Lo primero que vamos a descubrir es que la física del pedaleo es algo complicada. En palabras de Kautz y Hull (1), “la fuerza aplicada sobre el pedal es una fuerza de interacción interna que evoluciona dentro del sistema biomecánico compuesto por el ciclista y la bicicleta. Las fuerzas musculares aceleran las piernas, mientras que la conexión del pedal con el pie limita el movimiento resultante, de modo que el pie sigue una trayectoria circular alrededor del eje de las bielas. En consecuencia, las fuerzas sobre el pedal no solo reflejan la actividad muscular, sino que también dependen del peso y de las fuerzas de inercia.” Los músculos trabajan para acelerar los segmentos de la pierna, y cuando los segmentos se desaceleran, los músculos transfieren la energía asociada a la biela para realizar un trabajo externo (2).

Es lógico, por tanto, que nos preguntemos si la posición del ciclista, o más bien la inclinación de las piernas respecto a la vertical, influye en esas fuerzas inerciales aplicadas durante el pedaleo. En el pedaleo vertical los músculos de la pierna, durante la fase de bajada, trabajan en la misma dirección que la atracción gravitatoria. En un pedaleo horizontal, sin embargo, y como mostraremos, esta ayuda gravitatoria no existe. Y, por razonas obvias, tampoco existe esta componente en el pedaleo vertical con las piernas sumergidas en el agua.

En un trabajo ya con solera, Meiz et al. (3) no encontraron diferencias significativas en las fuerzas o momentos articulares en su comparación de la posición estándar con la reclinada. En el estudio utilizaron cámaras de cine de alta velocidad, pero no usaron sensores en los pedales ni aparatos para medir la fuerza, por lo que no podemos saber si las diferencias en el rendimiento entre ambas posiciones se deben a  una diferente contribución del peso de las piernas.

El estudioso de la influencia de la posición del ciclista, Dani Too (4) dice lo siguiente: “en una bicicleta vertical el peso de la pierna contribuye a la fuerza total en los pedales durante la fase de empuje. Sin embargo, un ciclista reclinado ha de trabajar no solo superando la resistencia de los pedales, sino también superando el peso de las extremidades inferiores al pedalear contra la gravedad, resultando en menos fuerza total aplicada a los pedales durante la fase de empuje. Esto explicaría por qué las bicicletas reclinadas son menos efectivas en pendientes fuertes en comparación con la bicicleta vertical.”

Más recientemente, en un trabajo de Scott et al (5) se comenta de pasada que “la contribución de la gravedad tirando hacia abajo de las extremidades también podría provocar una reducción de la potencia en la posición reclinada”.

1. La componente gravitatoria en el pedaleo en la bici vertical versus la reclinada. Comparativa cualitativa.

Lo primero que haremos es comparar la ayuda que supone el peso de la pierna en el pedaleo vertical y reclinado de una forma cualitativa. Mientras pedaleamos la pierna empuja durante medio giro y tira durante el siguiente medio giro. Los estudios de laboratorio confirman lo que todo ciclista ya sabe: que la mayor potencia se realiza en la fase de empuje. En esta fase se alcanzan 40 Nm de fuerza de torsión en contraposición a los 10 Nm de la fase de tirar del pedal (6). Hay estudios sobre la diferente efectividad del pedaleo, ya sea centrado en empujar, redondo (tratando de empujar el pedal en todo su recorrido) o centrado en tirar. Parece que el más efectivo es el centrado en empujar. De hecho la mayor parte de músculos implicados en el pedaleo se activan durante esta fase.

Pues bien, en la bici vertical la fase de empuje coincide con la fase de ayuda gravitatoria, como podemos ver en el siguiente gráfico:

pierna-bici-vertical
Fases del pedaleo vertical, en el que la fase de empuje coincide con la fase a favor de la gravedad.

En la bici reclinada la fase de empuje comienza con el pedal horizontal en su posición más cercana al cuerpo (o casi; en mi caso el empuje a pierna parada -sin inercia- comienza a los 20º) y finaliza con la pierna en su máxima extensión (180º). La fase a favor de la gravedad se encuentra en las mimas posiciones que en la bici vertical (allí donde un peso colgando verticalmente del pedal gira los pedales en el sentido de avance de la bici).

fuerzas-pierna-03
Fases del pedaleo reclinado, en el que la fase de empuje coincide solo parcialmente con la fase de ayuda gravitatoria.

Primera conclusión interesante: en la bici vertical la fase de empuje coincide con la fase de ayuda gravitatoria, mientras que en la reclinada solo coinciden parcialmente.

2. Cálculo de la componente gravitatoria en la bici vertical

A falta de literatura científica que resuelva la cuestión vamos a intentar abordarla de una manera aproximada y utilizando algo de física y matemáticas. Primero hemos de resolver las fuerzas verticales que genera una pierna debido a su peso. Desde el punto de vista de la física, una pierna es un sistema de tres segmentos de diferente masa unidos entre sí por articulaciones, con el primer segmento (el muslo) unido a su vez a un sólido (tu cuerpo) mediante otra articulación.

Lo más fácil de entender es que si la pierna cuelga flácida, sin tocar el suelo (gráfica siguiente, izquierda), todo su peso se aplica sobre la articulación superior (la cabeza del fémur). Si nos sentamos en una silla (gráfica siguiente, derecha) y apoyamos el pie en el suelo el sistema cambia. Ahora el pie y la pierna se apoyan sobre el suelo, transmitiendo todo su peso en él. Sin embargo el muslo se apoya tanto en la silla como en la rodilla, por lo que la mitad del peso descansa en la silla y la otra mitad en el suelo (a través de la pierna y el pie).

piernas-fuerzas
Fuerzas debidas al peso de las tres partes de la pierna. Izquierda: la pierna cuelga de la articulación superior (cadera). Derecha: posición de sentado en una silla.

La similitud de la posición sentada sobre una silla con la que tomamos en la bicicleta es evidente. Además es obvio que la inclinación del muslo no afecta al reparto de cargas, siendo siempre la mitad en la cabeza del fémur y la mitad sobre la rodilla. Solo se podría complicar este esquema si hacemos libre la articulación del tobillo, por lo que vamos a suponer que no lo es y el reparto de cargas es el mostrado en la posición de sentado.

El muslo supone el 10,5% del peso corporal en hombres y el 11,75% en mujeres. Para un promedio de 75 kg de peso corporal eso significa 7,87 kg en hombres.

La pierna es el 4,75 % del peso corporal en hombres y el 5,35% en mujeres. Pesaría 3,56 kg en nuestro hombre promedio.

El pie es el 1,43% del peso corporal en hombres y el 1,33% en mujeres. El pie de nuestro hombre promedio pesaría 1,07 kg.

Por tanto el peso total que ejerce la pierna del ciclista promedio sobre el pedal es de ½ peso muslo + peso pierna + peso pie = 8,56 kg. El empuje que supone esa masa (m × a) es:

F (peso pierna) = m × a = 8,56  × 9,8 = 83,9 N

Vamos a suponer que la pierna ejerce su peso contra el pedal de forma vertical durante toda la pedalada, para simplificar. Necesitamos calcular la componente tangencial a la biela (F1):

plato-fuerzas
Descomposición de la fuerza debida al peso, aplicada verticalmente en el pedal. La componente tangencial a la biela (F1) es la que la hace girar y mueve la bicicleta.

Aplicando trigonometría básica vemos que F1 = F(peso) × seno (α). La fuerza que hace girar la biela (F1) varía desde 0, cuando la biela está en la parte más alta (ángulo=0), al máximo alcanzado con la biela en posición horizontal (ángulo= 90º y F1=Fpeso) y de nuevo a 0 cuando la biela llega a la posición inferior:

fpeso
Valor de F1 (componente tangencial a la biela) del peso de la pierna, durante el ciclo de bajada (línea continua) y promedio (línea discontinua).

La línea punteada es el promedio (52 N), que nos servirá para compararlo con la fuerza promedio necesaria para mover la bicicleta a diferentes intensidades de esfuerzo. Hay que tener en cuenta que esta fuerza debida al peso de la pierna solo existe durante medio giro, por lo que a efectos matemáticos y para poder compararla con otra fuerza aplicada durante un giro completo, es como si su valor fuera la mitad (26 N).

Vamos a comparar la fuerza del peso de la pierna con la fuerza total necesaria para mover la biela a cuatro potencias y una cadencia de pedaleo fija de 90 pedaladas/minuto. A una misma potencia, la frecuencia de pedaleo está relacionada inversamente con la fuerza, como todo ciclista sabe. La fórmula para calcular la fuerza es la siguiente:

F1 = potencia / (cadencia/60 × circunferencia)

Siendo:

  • potencia: la ejercida por una sola pierna (la mitad de la potencia total)
  • cadencia: la cadencia en pedaladas por minuto
  • circunferencia: la que dibujaría el eje del pedal (es decir, una circunferencia con radio = 170 mm).

Los resultados son los siguientes:

F1 (N) % del peso respecto a la F total
F (peso) 26
F(75 W) 46,8 55%
F(100 W) 62,4 42%
F(125 W) 78,0 33%
F(150 W) 93,6 28%

Vemos, por tanto, que el peso de la pierna es una parte significativa de la fuerza en el pedaleo en la bicicleta vertical, más cuanto menor sea la potencia de pedaleo, con valores estimados del 28 al 55%.

3. Cálculo de la componente gravitatoria en la bici reclinada

Igual que hemos hecho con la vertical, vamos ahora a intentar calcular la fuerza tangencial a la biela (F1) debida a la ayuda gravitatoria, durante el pedaleo horizontal. Para facilitar los cálculos, vamos a suponer que los tres segmentos de la pierna están soldados, pero mantienen sus masas propias. Nuestra pierna se convierte en una barra sólida de densidad variable apoyada en dos extremos. O, más fácil de entender, se convierte en una barra sin masa que soporta tres masas diferentes en tres puntos. Podríamos afinar más los cálculos sabiendo las distancias de los centros de masas del muslo y la pierna, que no están en el centro, pero no creo necesario unos cálculos tan finos para nuestros propósitos.

pesos-pierna-reclinada-04
Fuerzas debidas al peso en la posición de la pierna en la bici reclinada. Sobre el pedal descansarían 5,4 kg de la pierna, mientras los otros 7,2 caen sobre la cadera.

Aplicando la ley de la palanca a las tres masas, suponiéndolas situadas en el centro de cada segmento, obtenemos un total de 7,2 kg soportados en la cadera y 5,4 kg en el pedal.

El empuje que supone esa masa (m × a) es:

F (peso pierna sobre el pedal) = m × a = 5,4  × 9,8 = 53 N

La componente horizontal de esta fuerza vertical, calculada del mismo modo que en el caso de la bici vertical, supone 33,3 N de fuerza tangencial (F1) aplicados desde 90 a 180º del giro de la biela. En la bici vertical esta fuerza era de 52 N.

Vamos a compararla con la fuerza promedio necesaria para mover la bicicleta a diferentes intensidades de esfuerzo. En la reclinada la fuerza debida al peso de la pierna solo es efectiva durante un cuarto de giro, por lo que a efectos matemáticos y para poder compararla con otra fuerza aplicada durante un giro completo, es como si su valor fuera un cuarto (8,3 N). He aquí los resultados:

F1 % del peso respecto a la F total
F (peso) 8,3
F(75 W) 46,8 18%
F(100 W) 62,4 13%
F(125 W) 78,0 11%
F(150 W) 93,6 9%

Vemos, por tanto, que en la reclinada la ayuda que supone el peso de la pierna respecto a la fuerza total aplicada es una parte mucho menor que en la bicicleta vertical (un 32% menor que en la vertical).

4. Comparativa final y conclusiones

Podemos ahora calcular la parte de la fuerza tangencial debida al trabajo muscular (fuerza total menos fuerza gravitatoria) para las cuatro intensidades de esfuerzo utilizadas anteriormente y comparar:

F1 (muscular) (N)
Vertical Reclinada R/V (%)
F(75 W) 20,8 38,5 185%
F(100 W) 36,4 54,1 148%
F(125 W) 52,1 69,7 134%
F(150 W) 67,7 85,3 126%

A bajas intensidades de esfuerzo (75 W con una pierna o 150 con ambas) el trabajo muscular es un 85% más intenso en la reclinada, y hay que subir a 300 w de potencia de pedaleo para que la penalización de la posición reclinada descienda a un 26%.

Curiosamente, vemos que a mayor potencia de pedaleo reclinado, menor pérdida de potencia debida a la componente gravitatoria. En mi post anterior analizando estudios de laboratorio podemos comprobar que la mayor parte de ellos se realizaron a intensidades máximas durante poco tiempo (cuando los ciclistas alcanzan 1000 W o más), y aún así en la mayor parte de ellos se observaron pequeñas pérdidas de potencia al comparar los datos con el pedaleo vertical. El único trabajo que hizo la comparativa a bajas intensidades (el de Alexander Scott) obtuvo una mayor pérdida y, además y en consonancia con esta curiosa relación, la pérdida de potencia fue mayor comparando los datos promedios (un 12% de pérdida de potencia) que cuando se compararon los máximos (un 6% de pérdida).

Así pues, he realizado unos pocos cálculos más de la pérdida de potencia pedaleando a 1000 W (500 W por pierna) para calcular la pérdida de potencia en la reclinada asociada a la gravedad: un 6%. ¿Casualidad?

Bibliografía:

(1) Kautz, S. A., & Hull, M. L. (1993). A theoretical basis for interpreting the force applied to the pedal in cycling. Journal of biomechanics, 26(2), 155-165.

(2) Kautz, S. A., & Neptune, R. R. (2002). Biomechanical determinants of pedaling energetics: internal and external work are not independent. Exercise and sport sciences reviews, 30(4), 159-165.

(3) Moeinzadeh, M. H., Metz, L. D., White, L. R., & Groppel, J. L. (1985). Biomechanical force analysis of the leg motion for the standard and supine recumbent bicycle pedalling. Journal of Biomechanics, 18(3), 237.

(4) Too, D., & Landwer, G. E. (2003). The biomechanics of force and power production in human powered vehicles. Human Power.

(5) Scott, A., Antonishen, K., Johnston, C., Pearce, T., Ryan, M., Sheel, A. W., & McKenzie, D. C. (2006). Effect of semirecumbent and upright body position on maximal and submaximal exercise testing. Measurement in Physical Education and Exercise Science, 10(1), 41-50.

(6) Korff, T., Romer, L. M., Mayhew, I. A. N., & Martin, J. C. (2007). Effect of pedaling technique on mechanical effectiveness and efficiency in cyclists. Medicine and science in sports and exercise, 39(6), 991.

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2 thoughts on “Pérdida de potencia en el pedaleo reclinado: sobre la componente gravitatoria

  1. Hola:
    Me gusto tu estudio. Como desconozco como es la bicicleta inclinada, mi preguta es : La espalda va apoyada en un respaldo fijo?
    De ser así, que influencia tiene en el pedaleo el tener un punto de apoyo opuesto a la resistencia a vencer?
    Siempre crei que con la espalda apoyada se podía imprimir mas fuerza.
    gracias

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    1. Hola, Alberto. Efectivamente la espalda va apoyada en un asiento ergonómico, desde el culo (con perdón) hasta casi las cervicales. El ángulo del asiento varía de unos modelos a otros, siendo más tumbado en las bicis más ligeras y rápidas (las pensadas para ciclistas de carretera) y más levantado en las otras (de paseo, ciudad o todoterreno). En las reclinadas de carretera, si aprietas mucho con la pierna que empuja, el cuerpo tiende a deslizarse un poco hacia arriba sobre el asiento, perdiendo efectividad en el pedaleo. Además es algo incómodo que el cuerpo vaya dando saltitos arriba y abajo. Para evitar esto hay que tirar con la pierna contraria, buscando un pedaleo más redondo (activo en todas las fases, no solo en la de empuje).
      En una bici vertical se puede ganar empuje añadiendo un tope a la parte trasera del sillín, pero desgraciadamente la UCI prohibió esta mejora hace unos años en las carreras. Los fabricantes, sabedores de que sus compradores buscan la misma bici que sus ídolos (los profesionales), no han incorporado esta mejora en sus modelos. ¡Qué triste!

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