La invención de la rueda
Probablemente la rueda sea uno de los inventos más importantes de la historia. Prácticamente cualquier máquina construida desde el comienzo de la revolución industrial pose en mayor o menor medida la presencia de la rueda, por lo que es difícil imaginar un sistema mecanizado sin la presencia de la rueda o un componente simétrico moviéndose de forma circular alrededor de un eje.
Basados en diagramas de antiguas tablillas de arcilla, la primera rueda de la que se tiene constancia fue usada en Ur, Mesopotamia en torno al 3.500 a.C. Pero pese a que no existan evidencias arqueológicas, se cree que las primeras ruedas pudieron aparecer en Sumeria en torno al año 8.000 a.C., siendo su invención el resultado de una lenta evolución de la combinación del rodillo y el trineo.
La rueda es una pieza mecánica circular que gira alrededor de un eje. Puede ser considerada una máquina simple, y forma parte del conjunto denominado elementos de máquinas.
Es uno de los inventos fundamentales en la Historia de la humanidad, por su gran utilidad en la elaboración de alfarería, en el transporte terrestre, y como componente fundamental de diversas máquinas. El conocimiento de su origen se pierde en el tiempo, y sus múltiples usos han sido esenciales en el desarrollo del progreso humano
Historia de la rueda
La invención de la rueda corresponde a la época final del neolítico, y puede ser visto en relación con los demás avances tecnológicos que dieron lugar a inicio de la Edad de Bronce. Los estudios estiman que fue inventada en el quinto milenio a. C. en Mesopotamia, durante el período de El Obeid, en la antigua región conocida como Creciente Fértil, inicialmente, con la función de rueda de alfarero.
Posteriormente se empleó en la construcción de carros; se difundió por el Viejo Mundo junto con los carros y los animales de tiro. La rueda llegó a Europa y Asia occidental en el cuarto milenio a. C., y al Valle del Indo hacia el tercer milenio a. C. Barbieri-Baja (2000) aboga por la existencia de vehículos chinos de ruedas alrededor de 2000 a. C., aunque su referencia más antigua data de alrededor del 1200 a. C.
Entre las culturas americanas no prosperó, probablemente por la ausencia de grandes bestias que pudieran tirar de los vehículos, y porque las civilizaciones más avanzadas ocupaban terrenos escarpados. Han sido encontradas ruedas en objetos olmecas identificados como juguetes que datan de alrededor del 1500 a. C.
Evolución de la rueda de transporte
El Estandarte de Ur, hallado en una tumba datada entre los siglos XXVII y XXV, en el período Dinástico Arcaico. Representa diversas escenas de la vida cotidiana y de guerra.
Las primeras ruedas eran simples discos de madera con un agujero central para insertarlas en un eje. La posterior invención de la rueda con radios permitió la construcción de vehículos más rápidos y ligeros y surgió durante la cultura de Andronovo (2000 - 1200 a. C.), al norte de Asia Central.
La inclusión de llantas de hierro alrededor de las ruedas de los carros surgió en el primer siglo antes de Cristo, en los pueblos celtas, además, fueron los primeros que usaron un tipo rodamiento rudimentario en el eje consistente de unos discos de madera muy dura. Posteriormente, los romanos utilizaron anillos de bronce como rodamiento, a modo de buje. Por esa época, constructores daneses también probaron con éxito un sistema de cojinetes con rodillos de madera, que hacían girar la rueda con menor fricción.
Partes de la rueda
Una típica rueda moderna tiene un eje de metal, radios bajo tensión, un aro de metal o fibra de carbono cuál tiene un neumático de goma y un buje
Buje
Un buje es la parte central de una rueda de bicicleta. Se compone de un eje, los rulemanes y el cubo del buje. El cubo del buje típicamente tiene 2 pestañas metálicas a las que se puede enlazar los radios (rayos). Los bujes pueden ser de una sola pieza con cartucho de prensa o cojinetes libres o, en el caso de diseños más antiguos, las pestañas pueden ser colocadas por separado en un centro de buje. En Latinoamérica, el buje también es conocido como "maza".
Frenos de buje:
Algunos bujes tienen acoplamientos para frenos de disco o forma parte integrante de los frenos de tambor.
- Frenos de disco - un freno de disco consta de un plato circular o disco unido al eje que se aprieta entre las pastillas de freno montada en calibradores que se fija a un lado de la horquilla de la rueda. El disco de freno se puede unir en una variedad de formas mediante tornillos o un anillo de cierre centralizado.
- Frenos de tambor - un freno de tambor tiene dos zapatas de freno que se expanden hacia el interior de la cubo del buje. El montaje de freno de tambor traseros se utilizan a menudo en bicicletas tándem para complementar el freno de la llanta trasera y dar potencia de frenado adicional.
- Frenos de contrapedal - los frenos de contrapedal son un tipo particular de freno de tambor, que es accionado con presión aplicada a los pedales hacia atrás. El mecanismo se encuentra dentro de la carcasa del buje de la rueda.
Para obtener información sobre otros tipos de frenos de bicicleta ver el artículo completo sobre los sistemas de freno de la bicicleta.
RADIO
Un radio o rayo de una rueda es cada una de las barras que une rígidamente la zona central con la perimetral. El centro conecta con un eje. La disposición del enlazado de los radios puede ser radial, cruzada o mixta:
Rueda trasera de competición con entrelazado trillizo de radios Campagnolo "G3". Hay 18 radios tangenciales en el lado derecho, pero sólo el 9 radiales en la izquierda..
Dos tipos de enlazado de radios.
- Radial: Los radios radiales (rectos) atraviesan la distancia mas corta posible entre el buje y la llanta, reduciendo así el peso, pero no transmiten bien el esfuerzo de torsión que se produce al frenar y acelerar. Las ruedas con radios radiales suelen utilizarse en bicicletas ultraligeras para pruebas contrareloj.
- Cruzado: Los radios cruzados presentan tangentes al buje, creando así una palanca que permite al radio transmitir la torsión con menor esfuerzo que un radio radial.
Llanta
Las llantas metálicas de bicicletas son normalmente de aleación de aluminio, aunque hasta la década de 1980 la mayoría de llantas de bicicleta - con la excepción de las utilizadas en las bicicletas de carreras - estaban hechos de acero y termoplástico. Sobre la llanta se asienta un neumático.
Tipos de llantas:
- Llanta tipo Sprint para neumáticos tubulares, generalmente usados en bicicletas de pista.
- Llanta tipo Endrick, como instaladas en las bicicletas deportivas de los años 1930-40-50, precursor de las modernas llantas con borde para freno de hoy en día.
- Llanta tipo Westwood que incorporan las clásicas bicicletas con frenos de varilla, hoy en día se utilizan en bicicletas contemporáneas tradicionales con freno de tambor y contrapedal.
Un neumático, también denominado «cubierta» en algunas regiones, es una pieza toroidal de caucho que se coloca en las ruedas de diversos vehículos y máquinas. Su función principal es permitir un contacto adecuado por adherencia y fricción con el pavimento, posibilitando el arranque, el frenado y el manejo. Hoy en día son cada vez más común neumáticos con la carcasa de la cubierta de Kevlar, cual aumenta la resistencia a los cortes y pinchazos.
Cámara de aire
Los neumáticos vienen «con cámara» y «sin cámara». Los «sin cámara» presentan un caucho especial en la parte interna, denominada forro (liner), que garantiza la retención del aire. Deben montarse en llantas apropiadas, utilizando válvulas especiales.
Tamaños
En bicicletas de adulto, los dos tamaños más corrientes son las ruedas de 26 pulgadas (559 mm), típicas de las bicicletas de montaña, y las de 700C (622 mm), de mayor diámetro, que se usan en las bicicleta de carreras y en muchas bicicletas urbanas. Caso aparte lo constituyen las bicicletas plegables, que suelen usar ruedas de 16 ó 20 pulgadas, para conseguir que queden más compactas, o las reclinadas, en las que, al menos la rueda delantera es pequeña (20 ó 24 pulgadas).
En bicicletas infantiles, las más pequeñas, para niños a partir de 3 años y siempre con «ruedines» de apoyo suelen llevar ruedas de 14 pulgadas, según van creciendo los niños pueden ir pasando por las de 16, 20 y 24 pulgadas.
En Latinoamérica el tamaño «grande» estándar para bicicletas de paseo o de campo no es de 700C (622 mm) (que sólo se usa para bicicletas de carrera) sino el 700B (635 mm) de 28 pulgadas, aparentemente parecido pero no exactamente igual (es algo más grande).
La rueda comúnmente conocido como 26 pulgadas (559 mm) con denominación de ancho decimal de neumático, (ejem. 26 x 2.00, 26 x 2.125 ...) es el tamaño utilizado en mountain bike, bicicletas urbanas y bicicleta playeras.
Otros tamaños 26":
La típica rueda de 26 pulgadas (~650 mm) de diámetro exterior aproximado tiene una llanta de 559 mm (22.0").
No se trata, no obstante, las únicas opciones. Hay 4 «650» que miden 26 pulgadas, desde los neumáticos estrechos a los más anchos, todos miden el mismo diámetro]
- 26 x 1 ¼ (597 mm)
- 26 x 1 ⅜ (590 mm)
- 26 x 1 ½ (584 mm)
- 26 x 1 ¾ (571 mm)
Desarrollan modelo de estabilidad para la bicicleta
Por cerca de 150 años los físicos han estado intrigados por el problema de la estabilidad de la bicicleta. ¿Cómo es posible que una bicicleta en movimiento sea estable? Los modelos matemáticos que habían desarrollado hasta esta fecha no eran muy buenos, ahora parece ser que unos investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft junto con colegas de Cornell University y University of Nottingham han encontrado el modelo computacional teórico “definitivo” de bicicleta que predice la estabilidad de un diseño dado.
Durante un tiempo toda la Física conocida era Física Clásica, que describía por ejemplo las órbitas de los planetas o los cuerpos en movimiento. Pero a principios del siglo pasado se descubría la Relatividad y la Mecánica Cuántica y ya nuestra concepción del Universo nunca fue la misma. Casi todos los esfuerzos de investigación se volcaron en los nuevos campos de la Física Moderna y problemas de Física Clásica pasaron a un segundo plano, entre otras cosas por ser meramente académicos. O quizás algunos de ellos no eran tan académicos.
Los fabricantes de bicicletas no han sido capaces de explicar con precisión cómo funciona una bicicleta. Simplemente han conseguido ajustar las bicicletas a través de la experimentación directa, sin un modelo matemático que les ayudase a diseñar buenas bicicletas. El resto de nosotros tenemos fe, nos montamos encima y no nos caemos.
Desde que se inventó la bicicleta a pedales, allá por 1860, no se ha dado con una formula o conjunto de ecuaciones que describan un modelo preciso de bicicleta y que prediga bien las características dinámicas de la misma. En los modelos anteriores se tendía a simplificar las ecuaciones del movimiento eliminado varios parámetros, con lo que al final obtenían un modelo poco realista. En este caso se han tenido en cuenta muchos parámetros. Aunque estos investigadores no han aclarado exactamente cómo afecta a la estabilidad cada uno de esos parámetros, sí han podido mostrar cómo lo hacen los principales.
Arend Schwab es uno de los que han participado en el desarrollo del modelo computacional de bicicleta publicado recientemente en Proceedings of the Royal Society (Series A). Explica que su modelo tiene en cuenta veinticinco de los factores o parámetros de los que depende la estabilidad y maniobrabilidad de la bicicleta. El modelo explica además cómo la bicicleta reacciona a una velocidad específica.
Según las conclusiones del modelo, una bicicleta debe rodar entre 14 y 20 Km/h para que sea inherentemente estable. Si va más deprisa oscila menos, pero puede volcar si el ocupante se inclina de lado demasiado. Han podido comprobar que los datos experimentales coinciden con los obtenidos del modelo.
Uno de los factores de los que depende la estabilidad es el efecto giroscópico, cosa que se puede probar colocando plomo en el borde las ruedas. Pero este efecto no es el único, en el modelo una bicicleta con ruedas de masa nula sigue siendo estable. Tampoco es cierto que las bicicletas con ruedas pequeñas sean inestables.
Ahora, gracias al modelo, se sabe que se da una combinación de fuerzas que garantiza la estabilidad de la bicicleta. Por ejemplo, la inclinación y el cambio de dirección explican por qué cuando deseamos cambiar de dirección a la derecha tenemos que torcer primero un poco a la izquierda.
Durante un tiempo toda la Física conocida era Física Clásica, que describía por ejemplo las órbitas de los planetas o los cuerpos en movimiento. Pero a principios del siglo pasado se descubría la Relatividad y la Mecánica Cuántica y ya nuestra concepción del Universo nunca fue la misma. Casi todos los esfuerzos de investigación se volcaron en los nuevos campos de la Física Moderna y problemas de Física Clásica pasaron a un segundo plano, entre otras cosas por ser meramente académicos. O quizás algunos de ellos no eran tan académicos.
Los fabricantes de bicicletas no han sido capaces de explicar con precisión cómo funciona una bicicleta. Simplemente han conseguido ajustar las bicicletas a través de la experimentación directa, sin un modelo matemático que les ayudase a diseñar buenas bicicletas. El resto de nosotros tenemos fe, nos montamos encima y no nos caemos.
Desde que se inventó la bicicleta a pedales, allá por 1860, no se ha dado con una formula o conjunto de ecuaciones que describan un modelo preciso de bicicleta y que prediga bien las características dinámicas de la misma.
Arend Schwab es uno de los que han participado en el desarrollo del modelo computacional de bicicleta publicado recientemente en Proceedings of the Royal Society (Series A). Explica que su modelo tiene en cuenta veinticinco de los factores o parámetros de los que depende la estabilidad y maniobrabilidad de la bicicleta. El modelo explica además cómo la bicicleta reacciona a una velocidad específica.
Según las conclusiones del modelo, una bicicleta debe rodar entre 14 y 20 Km/h para que sea inherentemente estable. Si va más deprisa oscila menos, pero puede volcar si el ocupante se inclina de lado demasiado. Han podido comprobar que los datos experimentales coinciden con los obtenidos del modelo.
Uno de los factores de los que depende la estabilidad es el efecto giroscópico, cosa que se puede probar colocando plomo en el borde las ruedas. Pero este efecto no es el único, en el modelo una bicicleta con ruedas de masa nula sigue siendo estable. Tampoco es cierto que las bicicletas con ruedas pequeñas sean inestables.
Ahora, gracias al modelo, se sabe que se da una combinación de fuerzas que garantiza la estabilidad de la bicicleta. Por ejemplo, la inclinación y el cambio de dirección explican por qué cuando deseamos cambiar de dirección a la derecha tenemos que torcer primero un poco a la izquierda.
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