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Los potenciómetros para ciclismo: qué miden y cómo hacen las mediciones

En Capitán Nugget creado una aplicación para el móvil (iOS y Android) orientadas al deporte y al entrenamiento. Y en este caso orientada a medición de la potencia en el ciclismo

Haciendo unos cálculos de potencia para otra aplicación, barruntamos que con un algoritmo sencillo, a partir de los datos del altímetro y del GPS del móvil, podíamos obtener un cálculo de la potencia en la bici bastante fiable. De ahí surgió el proyecto Fitif Power!

En este artículo, queremos contaros qué estamos investigando y desarrollando ahora, qué esperamos incluir en Fitif Power! en los próximos meses y cómo podéis ayudarnos.

Sin embargo, antes de comentar en qué estamos trabajando, vamos a incluir un poco de teoría de la potencia y comentar cómo funcionan los potenciómetros. En realidad más que teoría vamos a contaros lo que hemos aprendido o lo que hemos asimilado sobre la potencia y los sensores de potencia.

¿De qué hablamos cuando nos referimos a potencia en el ciclismo?

La potencia es la cantidad de trabajo efectuado por unidad de tiempo. En el sistema internacional, la potencia se mide en vatios. Un vatio es un trabajo de un julio por segundo. Un motor que es capaz de desarrollar un trabajo de un julio cada segundo, tiene una potencia de un vatio.

El otro concepto teórico que necesitamos es el rendimiento o eficiencia de una máquina, que es el cociente de la energía producida y la energía suministrada por la máquina.

Seguro que todos habéis escuchado que Induráin o Amstrong o Contador mejoraron su eficiencia de pedaleo hasta el 25%. Cuando nuestros músculos se contraen realizan un trabajo para impulsar la bicicleta, que es más o menos un 20% de la energía que el cuerpo está consumiendo. El otro 80% se pierde en forma de calor, deformando piezas de la bicicleta o con movimientos que no inciden en el desplazamiento. Por tanto, desaprovechamos un 80% de la energía que nuestro cuerpo consume.

La primera pregunta que tenemos que resolver para medir la potencia es qué potencia queremos medir: ¿la potencia que nuestros músculos desarrollan o la potencia efectiva que genera impulso y movimiento en nuestra bicicleta?

Es una pregunta más complicada de lo que parece. Si quiero el potenciómetro para saber qué nivel de potencia soy capaz de mantener durante 30 minutos o una hora, la respuesta será la potencia que desarrollan los músculos, que es lo que me produce cansancio. Pero si quiero batir mi récord en una hora, me interesa mantener un nivel de potencia efectiva constante, por lo que me interesa el segundo valor, el de la potencia efectiva. Por último, si estoy interesado en conocer la eficiencia del pedaleo, entonces necesito los dos valores.

La potencia que desarrollan mis músculos en el ciclismo

Empecemos por el primer tipo de potencia, el de la potencia que desarrollan mis músculos. La única forma que conocemos de medirla con fiabilidad es a través de un sistema analizador de gases expirados como el que se utiliza en una prueba de esfuerzo. El sistema mide, a través de una máscara, el aire y el oxígeno que inspiramos y el CO2 y resto de oxígeno que expiramos. Con esto el sistema sabe cuánto oxígeno estamos convirtiendo en CO2 en nuestras células musculares, e identificando la reacción química, cuántas calorías estamos quemando… dividiéndolo por el tiempo tenemos una idea de potencia.

Cuando hacemos test montamos al menos 2 sensores de potencia para poder hacer comparaciones.

En nuestro laboratorio privado disponemos de muchos tipos de sensores de potencia: de biela, de doble pedal, de buje, varios tipos de rodillos, bicicletas estáticas, cicloergómetros… Cuando hacemos un test montamos al menos 2 sensores de potencia para poder hacer comparaciones.

Hacemos un test con la máquina de gases y un potenciómetro de buje y extraemos medias en periodos de 30 segundos. Pasando a un ejemplo concreto y real, en los primeros 30 segundos, el medidor de gases indica 324 vatios y el de buje 101 vatios. Si dividimos 101 entre 324, el resultado es 31,1%. Wow… ¡mejor que el de Induráin, Amstrong y todos los ganadores del Tour!

Para los siguientes periodos de 30 segundos, los resultados de eficiencia obtenidos son, respectivamente, 22,9%, 18,4%, 17,3%, 16,8%, 17,9%, 16%, 15,6%, 15,4% y 15,6%. De media, en los 5 minutos de prueba, un 18,7%. Así que, adiós al Tour que pensábamos ganar tras los 30 primeros segundos de prueba.

Da la impresión de que mis músculos funcionan al principio sin necesidad de oxígeno y el cuerpo tarda un poco en adaptarse a la nueva situación de esfuerzo continuo. La prueba anterior se realiza desarrollando una potencia media de unos 100 vatios. La misma prueba con 150 vatios, arroja una eficiencia promedio de 20,3%. Y con 200 vatios, de 21,6%. Siempre haciendo el test en períodos de 5 minutos y manteniendo una cadencia de pedaleo entre 70 y 80 rpm.

Si hacemos el test en períodos de tiempo más largos, bajan las medias. Si aumentamos la frecuencia de pedaleo, desciende la eficiencia. Si aumentamos mucho la cadencia de pedaleo, a 130 rpm, caso concreto de uno de nuestros test, cae mucho la eficiencia. Si desciende la temperatura, aumenta la eficiencia de pedaleo. Todo más o menos lógico, a excepción de que al incrementar la potencia, mejore la eficiencia… ¿Cómo es esto posible? Pensando un poco en ello nos damos cuenta de que de todo el oxígeno que consumimos, una parte lo utiliza nuestro cuerpo para mantener las funciones vitales. Es lo que se denomina metabolismo basal.

Por tanto, para calcular el consumo de energía independiente de la potencia de pedaleo desarrollada, hacemos pruebas con el ciclista tumbado y en reposo. El medidor de gases muestra unos valores que van de los 73 a los 97 vatios. Si el ciclista está encima de la bici sin dar pedales sube a entre 95 y 140 vatios… ¿Qué es lo que ocurre? Bueno, que la horquilla es demasiado amplía. Así que tomamos un valor intermedio (97 vatios) y rehacemos los cálculos, suponiendo que 97 vatios son usados para el consumo vital y el resto para mover los pedales. Ahora nos quedan medias de eficiencia de pedaleo de 23,3% con 100 vatios, 23,3% con 150 vatios y 24,2% con 200 vatios. Parece que el modelo tiene más sentido aunque sigue incrementándose con la potencia. Siguiendo con la progresión anterior, a 300 vatios se superaría el 25% de eficiencia. Probamos con otros ciclistas de diferentes sexos, edad y condición física, y los resultados son similares.

Como la eficiencia de pedaleo debe ser un valor bastante estable, la única explicación posible es que los equipos que estamos utilizando introducen una fuerte desviación. Un 26% respecto a un 15% significa un 70% de desviación, y un 32% respecto a un 9% supone más de un 300%. Si miramos las instrucciones de los equipos indican errores máximos de 1,5% y 3%.

¿A dónde queremos ir a parar con esta retahíla de valores y pruebas? La conclusión principal y clara es que hay mucha variabilidad. Hay una horquilla de valores en medias de 30 segundos que van desde el 15% hasta el 26%, y con valores instantáneos, que oscilan del 9% al 32%, dependiendo de la potencia, la cadencia de pedaleo o la temperatura. Como la eficiencia de pedaleo debe ser un valor bastante estable, la única explicación posible es que los equipos que estamos utilizando introducen una fuerte desviación. Un 26% respecto a un 15% significa un 70% de desviación, y un 32% respecto a un 9% supone más de un 300%. Si miramos las instrucciones de los equipos indican errores máximos de 1,5% y 3%.

La potencia efectiva que genera fuerza en la bicicleta y movimiento

La otra potencia que podemos medir es la potencia efectiva que produce fuerza en la bicicleta y, derivada de esta, movimiento. Esa potencia efectiva es la que intentamos medir nosotros con el móvil y otros fabricantes con sensores de biela, de pedal, de buje o con un sensor en el rodillo. Nuestro algoritmo utiliza los sensores del móvil (altímetro, GPS y acelerómetro) para calcular la potencia efectiva que es necesario aplicar a la bicicleta para mover el peso de la bicicleta, del ciclista y de todos los accesorios, a la velocidad indicada por el GPS y superando una altitud determinada.

Nuestro mayor hándicap y fuente de error es el GPS. A veces la señal no es buena y no podemos pedir los datos GPS con la frecuencia y calidad máxima porque la batería se agotaría en menos de una hora. El error del GPS en cuanto a posición es de 10-15 metros, lo cual es muchísimo. Por eso necesitamos utilizar promedios más o menos amplios. La ventaja de nuestro método es que es muy consistente, no depende de la temperatura o calibraciones, y que va a ir mejorando a medida que los fabricantes de teléfonos móviles ofrezcan sistemas GPS de más calidad y baterías más potentes.

El modelo de basarse en parámetros de movimiento es la forma más precisa de calcular la potencia efectiva porque lo que calculas es directamente la potencia efectiva. Los medidores de potencia de biela o de doble pedal, por ejemplo, estiman la potencia efectiva que desarrollará la bicicleta ante una determinada fuerza que se está aplicando en la biela o el pedal.

Hay una forma muy fácil de comprobar esto. Supongamos que vamos en la bicicleta subiendo un puerto con la máscara medidora de gases para saber la potencia muscular que estamos desarrollando, un potenciómetro de biela, otro de pedal, otro de buje y Fitif Power! Vamos a un ritmo estable. El medidor de gases indica 900 vatios, el de biela 200 vatios, el de pedal 200 vatios, el de buje 200 vatios y Fitif Power! 200 vatios. Imaginemos que mantenemos el ritmo y el esfuerzo y simulamos una considerable pérdida de eficiencia apretando el freno. Ocurrirá entonces que se mantiene el esfuerzo, pero al llevar el freno pulsado, la velocidad se reduce a la mitad. En esta nueva situación, ¿qué valor mostrará cada dispositivo…? El medidor de gases seguirá marcando 900, el de pedal y el de biela continuarán mostrando 200, mientras que el de buje y Fitif Power indicarán 100 vatios!

Potencia en vatios tras la pérdida de eficiencia. Sólo el Potenciómetro de buje y Fitif Power! son capaces de reflejar la pérdida de eficiencia

El modelo de basarse en parámetros de movimiento es la forma más precisa de calcular la potencia efectiva porque lo que calculas directamente es la potencia efectiva.
Por tanto, los únicos medidores que se basan en el movimiento de la rueda o la velocidad reflejan la pérdida de potencia que se está produciendo debido al uso del freno. ¿Significa esto que solo son válidos el de buje y Fitif Power!? Por supuesto que no. Pero tenemos que saber qué es exactamente lo que mide cada uno para poder sacar el máximo partido al medidor.

El medidor de potencia en la biela y en el pedal realmente miden el esfuerzo realizado por los músculos (la fuerza que se imprime en el pedal o en la biela) pero lo traducen y expresan en términos de potencia efectiva, que no es precisamente la potencia que miden. Sin embargo es indudable que son los idóneos en caso de saber que, por poner un ejemplo, yo aguanto 20 minutos a 400 vatios y quiero hacer un final de etapa al límite de mis posibilidades musculares.

Por el contrario, el de buje y Fitif Power! no son precisamente los dispositivos óptimos para medir y controlar el esfuerzo muscular que se puede desarrollar.
Es una opinión que nos hemos formado tras muchos test y pruebas y que incluso puede dar lugar a un debate muy interesante.

Fiabilidad y consistencia de los potenciómetros de ciclismo
Otro asunto en el que también hemos hecho muchas pruebas es en comprobar la fiabilidad de los diferentes medidores de potencia y en la consistencia de los datos. Como ya hemos comentado, todos los medidores estiman o calculan la potencia a partir de las mediciones de uno o más sensores. Así, estiman la potencia muscular o la efectiva y, a veces, incluso miden una y la expresan en términos de la otra.

Pero los sensores tienen variaciones de funcionamiento en función de parámetros físicos como la temperatura o de parámetros relacionados con el trabajo que se está realizando (como la potencia, la cadencia o la eficiencia) o con parámetros configurables por el usuario como es la longitud de las bielas en los de pedal, en los que influye el tiempo de funcionamiento, el cual genera una cierta degeneración, y necesitan recalibración o con pequeños defectos de fabricación que ocasionan diferencias entre unos medidores y otros de la misma marca y modelo.

Todos los medidores estiman o calculan la potencia a partir de las mediciones de uno o más sensores. Así, estiman la potencia muscular o la efectiva y, a veces, incluso miden una y la expresan en términos de la otra.

Para medir la fiabilidad y consistencia de los diferentes medidores, hacemos una prueba de 5 minutos desarrollando potencias entre 0 y 400 vatios. Tomamos muestras cada segundo, es decir, 300 muestras en total de dos o más medidores, y las comparamos. La comparación de las dos series de muestras la hacemos teniendo en cuenta la desviación relativa del promedio de una serie de muestras respecto a las otras. Es decir, si una serie tiene un promedio de 100 vatios y otra de 102 vatios, la desviación del promedio es un 2%. Por otro lado la dispersión de los valores la hacemos considerando el promedio del cuadrado de la diferencia de las muestras. Si la primera muestra de una de las series es 100 y la otra es 102, la dispersión es 4. Como todos los medidores son estimadores no tenemos un medidor de referencia sobre el que comparar. Así que decidimos comparar unos con otros y, en conclusión, nos generan más confianza los que ofrecen menos dispersión.

Antes de ofrecer los datos de nuestros test, es importante realizar varias consideraciones.

Únicamente disponemos de una unidad de casi todos los medidores, por lo que no sabemos la bondad de la unidad que tenemos y podría ser una con mayor desviación o incluso defectuosa.

En los test y comparativas, no siempre respetamos que las condiciones sean idénticas, es decir, mismo ciclista, misma dispersión de potencias, misma cadencia de pedaleo, misma temperatura, todos los medidores recién calibrados, etc.

Por último, en algunas comparativas utilizamos un medidor intermedio. No podemos comparar un medidor de biela con otro medidor de biela porque es imposible poner dos bielas izquierdas a la vez en la bicicleta. Comparamos cada medidor de biela por separado con otro tipo de medidor y después relacionamos los resultados, pero el medidor intermedio puede introducir un error.

Como evitar errores de configuración en los test con potenciómetros de ciclismo
Los dos medidores que más confianza nos inspiran son uno de doble pedal y otro que está montado sobre una bicicleta estática de spinning de alta gama. La desviación promedio es un 2,5% y la dispersión 265, la más baja de todas nuestras comparativas. Muy consistente ante cambios de ciclista (la prueba es con tres ciclistas y el balance medio de piernas de los tres es de un 51,6% hacia la pierna derecha), cadencia (en la prueba entre 67 y 94 rpm) o temperatura (hemos probado entre 5 y 30 grados centígrados de temperatura). Aún así, en una ocasión, en una de las pruebas entre estos dos medidores, tuvimos una desviación de casi el 30%. Como era una diferencia muy alta calibramos los dos medidores y al hacer de nuevo la prueba, el resultado volvió a entornos del 2%. Desde entonces intentamos calibrar y actualizar el firmware siempre antes de las pruebas, para evitar errores de configuración. Los datos anteriores son los promedios, pero hay mucha irregularidad en función de la potencia.

Si analizamos el gráfico por tramos, por debajo de 150 vatios la desviación promedio es un 9,5% y la dispersión 280. Entre 150 y 250 vatios tiene el mejor comportamiento, con una desviación promedio de 0,4% y 160 de dispersión. Entre 250 y 400 vatios, la desviación promedio es del -3,8% y la dispersión 585. En esta prueba de estos dos medidores, la desviación entre ciclistas, diferentes cadencias o temperatura es inferior al 2,5%, lo cual nos da mucha confianza en cuanto a consistencia y fiabilidad de ambos medidores. Otra cosa que nos gusta es que son dos medidores con sensores y algoritmos diferentes: uno opera en función de la fuerza que haces en los pedales y el otro en función de la fuerza que se transmite a un volante de inercia. Dos medidores que utilicen el mismo modelo de sensor y algoritmo es más normal que coincidan.

En esta prueba de estos dos medidores, la desviación entre ciclistas, diferentes cadencias o temperatura es inferior al 2,5%, lo cual nos da mucha confianza en cuanto a consistencia y fiabilidad de ambos medidores.

Respecto a los diferentes medidores, los que son sencillos (una única biela o un único pedal) tienen el inconveniente de que asumen un balance de la pedalada de las piernas del 50%. En nuestras pruebas observamos que en la mayor parte de estas el balance es a favor de la pierna derecha. La horquilla es 46%/53% (izquierda/derecha) como % de la potencia en la pierna izquierda, que es donde se sitúa la biela/pedal con sensor de potencia, sobre el total de potencia. Eso significa que si todos los ciclistas desarrollan 100 vatios, al de 46% le indicará 92 vatios, y al de 53% le indicará 106 vatios. Si el usuario conoce su balance de potencia de sus piernas y lo configura, puede funcionar muy bien.

A nosotros no nos sirve para las pruebas porque necesitamos testear a diferentes ciclistas con balances diferentes y ello implicaría incluir una fuente adicional de error a las muchas que ya tenemos. Las bielas de doble sensor (o dos bielas o biela y pedalier) van muy bien. Puede que sean las más fiables pero no las hemos podido testear contra diferentes medidores porque solo se pueden montar en el tipo de bicicleta para el que están diseñadas.

En cambio, los medidores de doble pedal nos han parecido igual de fiables que los de biela y los hemos podido montar en bicicletas de carretera, de montaña y estáticas. Los sensores de potencia que incorporan los rodillos son bastante heterógeneos. En nuestros tests, han funcionado mejor los de transmisión directa que los de rueda. Los de transmisión directa han mostrado errores medios entre el 4% y el 10%. Los de rueda son, en general, más baratos e incorporan sensores menos precisos. Los errores medios en nuestras pruebas se han situado entre el 5% y el 18%. Lo anterior son datos de errores medios. Por tramos de potencia, en general, el tramo 150 vatios-200 vatios es el de menor error o mejor calibración, mientras que el tramo 0-100 vatios es el de mayores diferencias.

Los proyectos de futuro de Capitán nugget
En Capitán Nugget, después de desarrollar un medidor básico de potencia efectiva a partir de los sensores del teléfono móvil, ahora estamos trabajando en varias líneas.

El proyecto más avanzado que tenemos es el de medir la cadencia con el móvil sin tener que instalar un sensor de cadencia tangible. Estudiamos el balanceo del móvil en el manillar o en el maillot para calcular la frecuencia de pedaleo. Se llama Fitif Revolution y ya lo hemos implementado en alguno de nuestros ciclojuegos, en concreto en Fitif Skywalk para iOS y Fitif Skywalk para Android. Medir la cadencia nos va a permitir conocer el tiempo que estamos empujando el pedal con cada pierna y poder separar la potencia desarrollada por pierna o balance.

El segundo proyecto más inmediato que tenemos se centra en calcular el impulso dado a la bicicleta y la resistencia ofrecida por el rozamiento, el viento o el rodillo que sujeta la bicicleta, a partir de la aceleración recogida por el móvil, colocado este sobre el manillar, mediante el acelerómetro. Eso nos va a permitir calcular la potencia desarrollada en una sesión de rodillo en interior y mejorar el algoritmo actual para sesiones de exterior.

Nuestro tercer proyecto más cercano es calcular o estimar la potencia muscular que estamos desarrollando a partir de la frecuencia cardiaca y sus variaciones. Eso nos permitiría ofrecer un valor instantáneo de eficiencia de pedaleo. En los próximos meses esperamos lanzar nuevas versiones de nuestros productos con alguna de estas novedades.

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