Por Prof. David Swain
Originalmente publicado no Sportscience.
Reproduzido sob permissão do autor.

O ciclismo é um esporte complexo, no qual os competidores precisam enfrentar uma variedade de estratégias empregadas pelos oponentes e ainda vários fatores da natureza. Entre os últimos, destacam-se as elevações do terreno. A performance em colinas é um dos principais fatores determinantes de sucesso nos principais competições ciclísticas internacionais. Neste artigo, apresento uma revisão do atual conhecimento científico relacionado ao ciclismo de subida e de descida, e descrevo o que os atletas podem fazer para melhorar sua performance em colinas.

Competições de Ciclismo

Eventos competitivos em ciclismo incluem provas de estrada, contra-relógio e criteriums. Cada um deles apresenta diferentes desafios aos atletas.

Provas de estrada são caracterizadas pela largada em massa. Todos os atletas começam juntos como parte do pelotão, embora os indivíduos sejam na realidade membros de equipes separadas. As principais preocupações que afetam a performance em provas de estrada são a tática de equipe e o vácuo. Visto que os ciclistas permanecem agrupados no pelotão, apenas os poucos que estão na frente, em um dado momento da corrida, enfrentam os efeitos totais da resistência do vento (McCole et al., 1990), enquanto os outros podem manter-se facilmente no ritmo do pelotão através do vácuo. Normalmente, ciclistas somente conseguem escapar e distanciar-se do pelotão quando a dinâmica complexa do apoio de equipe o permite. A maior exceção a esta regra, como discutiremos mais adiante, ocorre quando o pelotão encontra uma colina.

Contra-relógios apresentam problemas diferentes. Ciclistas individuais enfrentam o vento e o relógio por conta própria. Potência e resistência individual, em última análise, determinam a performance. Por esta razão, o contra-relógio recebeu o apelido de "race of truth"(prova da verdade). Provas de nível profissional, como o Tour de France, utilizam etapas de contra-relógio para separar na classificação geral os ciclistas que realmente estão na disputa dos ciclistas de apoio (i.e. "domestiques"), assim como vencedores dos que disputam. Triatletas estão, essencialmente, realizando um contra-relógio durante a etapa de bicicleta em suas competições.

As provas de criterium são eventos com largada em massa realizadas em um circuito curto e fechado. Ciclistas realizam múltiplas voltas no circuito, com curvas abruptas de alta velocidade. A performance é baseada principalmente na técnica de manejo da bicicleta e na velocidade de sprint.

Das três formas básicas de provas ciclísticas, a prova de estrada é a mais notável pelo uso de terreno com elevações. A discussão que se segue, relativa aos fatores que influenciam a performance em colinas, assume, de forma geral, que uma prova de estrada está envolvida.

Subidas

Conforme indicado na seguinte equação (DiPrampero et al., 1979), existem três forças primárias a serem enfrentadas no ciclismo: resistência de rolamento (atrito), resistência do ar e gravidade.

W = k_rMs + k_aAsv² + giMs

onde W é potência, k_r é o coeficiente de resistência de rolamento, M é a massa combinada do ciclista e da bicicleta, s é a velocidade frontal da bicicleta, k_a  é o coeficiente de resistência do ar, A é a área frontal combinada do ciclista e da bicicleta, v é a velocidade da bicicleta através do ar (ie. a velocidade frontal mais/menos a velocidade do vento), g é a constante de aceleração gravitacional e i é a inclinação da estrada (grau; entretanto isto é apenas uma aproximação, uma vez que tecnicamente deveria ser usado o seno do ângulo da estrada em relação ao plano horizontal).

Nas bicicletas modernas, com pneus estreitos de alta pressão, a resistência de rolamento é insignificante. Uma vez que a potência requerida para enfrentar a resistência do ar é proporcional ao cubo da velocidade da bicicleta (se não houver vento, e s = v), um aumento exponencial na potência é necessário na medida em que o ciclista tenta aumentar a velocidade.

Pedalar em subida adiciona a gravidade como uma das forças a serem enfrentadas. Uma vez que o ciclista tem uma fonte finita de potência, ele precisa necessariamente reduzir a velocidade na proporção da inclinação da colina, se quiser manter estável o nível de metabolismo aeróbico. Enquanto este efeito das colinas é óbvio, efeitos mais sutis desta alteração de forças têm um efeito dramático na competição.

Considere os efeitos de gradualmente aumentar-se a inclinação da estrada acima de zero, enquanto a potência é mantida constante. Uma vez que a componente de resistência do ar é proporcional ao cubo da velocidade, de início um pequeno decréscimo na velocidade é o bastante para compensar o aumento da inclinação. À medida que a inclinação continua a aumentar, decréscimos proporcionalmente maiores da velocidade precisam ocorrem, dada a natureza curvilínea da relação velocidade ao cubo. Assim, é necessária uma subida íngreme para reduzir significativamente a velocidade de um ciclista competitivo. O grau percentual preciso que tem um impacto relevante não pode ser especificado, entretanto, uma vez que isto depende do nível sustentável de potência de cada ciclista individual.

Uma vez alcançado um determinado nível de inclinação, ocorre uma grande mudança na dinâmica de prova. Na medida que a gravidade toma o lugar da resistência do ar como a principal força a ser enfrentada, o vácuo torna-se um instrumento relativamente menos útil na competição. A velocidades muito baixas (da ordem de 16 km/h ou menos), a resistência do ar é desprezível, e o vácuo torna-se quase que insignificante.

Esta mudança de forças induz o pelotão de uma prova de estrada a se quebrar, na medida que os ciclistas que têm maior capacidade aeróbica conseguem distanciar-se daqueles menos aeróbicos, que agora estão privados do apoio advindo do vácuo. Um aspecto interessante desta mudança é notar que ciclistas menores geralmente tem melhor desempenho em subidas, enquanto ciclistas maiores geralmente são melhores em esforços solo no plano. Como consequência da geometria escalar, (Astrand and Rodahl, 1986; Schmidt-Nielsen, 1984), a massa aumenta com o cubo da altura, enquanto a área frontal aumenta apenas com o quadrado da altura. Isto significa que, embora ciclistas maiores tenham uma área frontal maior para deslocar contra o ar do que ciclistas menores, sua vantagem em massa (e capacidade de geração de potência) é ainda maior. Como consequência, a razão potência : área frontal dos ciclistas maiores é maior que a dos ciclistas menores, dando aos primeiros uma vantagem ao enfrentar a resistência do ar (Swain et al., 1987), conforme observado em contra-relógios. Não é surpresa que Miguel Indurain, o prominente especialista em contra-relógio dos anos 90 era maior que a maior parte de seus rivais.

Entretanto, como a resistência do ar é insignificante em subidas a baixas velocidades, todos os ciclistas encontram-se sob um custo de energia similar, relativo a seus respectivos pesos. Ciclistas menores são melhores em subidas porque eles geralmente tem maior capacidade aeróbica relativa (VO2max em ml-min-kg) do que ciclistas maiores. Isto é também consequência da geometria escalar: relativamente a massa corporal, organismos menores têm maior área alveolar e capilar nos pulmões, maior área capilar nos músculos e maior área seccional nas artérias para conduzir o sangue. Exames em atletas de elite de uma variedade de esportes de resistência, incluindo ciclismo, revelaram que VO₂max é proporcional a massa elevada a 2/3; isto é, se um atleta de elite de 60kg tem um VO₂max de 80 ml/min.kg, então um atleta de elite de 100kg com nível de condicionamento comparável supostamente teria um VO₂max de somente 68 ml/min.kg (Astrand and Rodahl, 1986; Swain, 1994). Então, no nível de elite, deveríamos esperar uma performance superior por parte de atletas menores, naqueles eventos aeróbicos em que os requerimentos de potência são aproximadamente proporcionais à massa corporal - como corrida de longa distância e ciclismo de subida (tecnicamente, o requerimento de potência acompanha mais proporcionalmente a massa,i.e. M^0.76-M^0.79 do que a geração de potência, M^0.67). Não é surpresa que o prominente especialista em subida dos anos 90, Marco Pantani, fosse um dos menores homens no pelotão, com 55kg. Qualquer coisa que possa ser feita para reduzir o peso do ciclista e da bicicleta, sem comprometer a capacidade aeróbica do ciclista, melhorará sua performance em subida.

Economia de Subida

Enquanto as necessidades de potência no ciclismo de subida podem ser facilmente descritas, existem vários fatores que afetam a capacidade do ciclista de aplicar economicamente esta potência. Ter uma capacidade aeróbica altamente sustentável não irá se traduzir em velocidade superior a não ser que efetivamente possa ser convertida em movimento.

Um fator que influencia a economia no ciclismo é a cadência. Vários estudos tem demonstrado que cadências entre 80 e 90 rpm permitem o uso mais econômico do metabolismo aeróbico quando se está pedalando no plano a altos níveis de potência. Apesar disto, ciclistas competitivos são frequentemente observados subindo colinas com cadência substancialmente menor.

As razões que alguns ciclistas parecem preferir cadências menores durante subidas não são claras. Entretanto, uma explicação mecânica simples é evidente. A adição do componente gravitacional às forças que se opõem ao ciclistas tornam necessária uma redução marcante na velocidade. A não ser que o ciclista possua uma relação de marchas proporcionalmente mais baixas, a cadência irá diminuir. Ciclistas de estrada frequentemente não possuem relações de marchas suficientemente baixas em suas bicicletas, ao contrário de competidores do esporte off-road de mountain biking.

Talvez por causa da baixa cadência durante subidas, ciclistas de estrada frequentemente são observados pedalando de pé. Esta estratégia efetivamente desloca seu peso corporal para a frente e para além dos pedais, o que pode proporcionar maior produção de força para as revoluções a alta força, baixa velocidade.

Enquanto estes benefícios potenciais devam ser examinados, um teste de subida em laboratório demonstrou que uma alta cadência (80-90 rpm) provocou o mais baixo consumo de oxigênio (Swain and Wilcox, 1992), exatamente como previamente demonstrado para o ciclismo no plano. Da evidência científica disponível, parece que o uso de relações de marchas mais baixas em subidas pode melhorar a performance.

Descidas

Durante descidas, a inclinação negativa da colina na equação de potência reflete a adição da energia potencial gravitacional à potência gerada pelo ciclista. Em uma descida passiva (roda livre), a velocidade do ciclista será determinada pela diferença entre a força de resistência do ar e da força gravitacional. À medida que o ciclista acelera, sv² aumenta. Quando k_aAsv² (mais o termo desprezível de potência associado a resistência de rolamento) aumenta para equilibrar giMs, o ciclista irá alcançar a velocidade terminal. Qualquer aumento subsequente na velocidade só pode ser atingida pela adição de energia através de pedaladas. Entretanto, em colinas íngremes, velocidades terminais podem atingir 70 km/h. A valores de sv² de tal magnitude, até mesmo a aplicação de VO₂max resultaria em apenas um incremento mínimo na velocidade.

A velocidade terminal pode ser resolvida na equação do ciclismo acima estabelecendo-se a potência como 0. Se assumirmos que o termo da resistência de rolamento também é 0, e que não há vento (v = s), então a equação passa a ser:

k_aAs³ = -giMs
ou s = (-giM/k_aA)^1/2

Assim, a velocidade terminal é aproximadamente proporcional à raiz quadrada da razão M/A. A geometria escalar revela que ciclistas maiores têm uma maior razão massa : área frontal . Eles então descem colinas mais rápido puramente como consequência da física e não de leis fisiológicas. Uma vez que os ciclistas maiores têm maior massa, a gravidade atua sobre eles com maior força do que sobre os ciclistas menores (nota: uma concepção errônea muito comum é notar a aceleração igual entre dois objetos de tamanhos diferentes em queda livre no vácuo, e assumir que a força de gravidade é a mesma para os dois. A força no objeto com maior massa é maior, sendo exatamente proporcional à massa - daí porque o objeto de maior massa é acelerado à mesma razão que o objeto de menor massa). Embora o ciclista maior tenha também uma área frontal maior do que a do ciclista menor, a diferença não é tão grande quanto a diferença de suas massas. Assim, o ciclista maior atingirá uma s³ maior antes que o equilíbrio de forças resulte em uma velocidade terminal.

Com ciclistas mais leves sendo mais rápidos em subidas devido a seu VO₂max relativamente maior, e ciclistas mais pesados sendo mais rápidos em descida devido a seu maior índice M/A, poderia-se assumir que performances semelhantes deveriam ocorrer em provas envolvendo distâncias iguais de trechos em subida e em descida. Entretanto, subidas tomam mais tempo que descidas, então uma vantagem de velocidade obtida por um ciclista menor em uma subida produz uma vantagem de tempo maior do que um ciclista maior obtém em uma descida. Por esta razão, ciclistas menores são geralmente competidores superiores em provas com terrenos com elevações.

Ritmo

Em descidas muito íngremes, o ciclista precisa pedalar apenas para auxiliar a gravidade a obter velocidade terminal, i.e. durante a aceleração inicial no início da descida e quando saindo de curvas. Durante a maior parte da descida, o ciclista permanece com roda livre. Conclui-se então que o ciclista pode despender um esforço exaustivo na subida, uma vez que ele pode descansar na descida.

Em colinas de grau mais modesto, deveria o ciclista manter um esforço mais constante na subida e na descida? Em uma estrada plana, a aplicação de uma potência constante resulta no tempo mais rápido para uma dada distância. Variar potência resulta em variações de velocidade que adicionam tempo à performance geral. Em colinas, as subidas e descidas criam variações na velocidade mesmo quando o ciclista mantém um esforço constante. Uma vez que mais tempo é adicionado durante a subida do que pode ser recuperado na descida, seria competitivamente vantajoso aplicar maior esforço durante a subida, de forma a minimizar o tempo adicionado. É claro que as fontes de energia são finitas, e o ciclista precisa compensar reduzindo o esforço na descida, como uma forma de recuperação. Esta estratégia de potência variável reduziria a magnitude das variações de velocidade ao subir e descer, trazendo o ciclista ligeiramente mais próximo do estado ideal de manutenção de uma velocidade constante. Uma simulação de computador demonstrou que esta estratégia resulta no tempo mais rápido ao subir e descer colinas de qualquer inclinação; quanto maior o grau de inclinação, mais efetiva torna-se a estratégia (Swain, 1997). A variação de potência necessária para eliminar completamente as flutuações de velocidade seriam fisiologicamente impossíveis. Entretanto, a simulação de computador demonstrou que mesmo um aumento modesto da potência (tal como 5% acima do tipicamente usado no plano) durante a fase de subida reduziria significativamente reduzir o tempo total em uma prova com segmentos iguais de subida e de descida. Quanto maior a variação de potência que o ciclista é capaz de suportar, maior a vantagem no tempo. Em subidas que são seguidas por descidas íngremes, o ciclista deveria aplicar a maior potência que ele é capaz de sustentar durante a duração da subida. Conforme notado no ínicio desta seção, a descida em roda livre permite quase que completo descanso. Deveria também ser notado que a simulação de computador demonstrou que a estratégia de potência variável é também efetiva em contrabalançar os efeitos de condições de vento variáveis.

O Dr. David Swain é diretor do Instituto e Centro de Pesquisa do Bem-Estar da Universidade Old Dominion, Norfolk, EUA.
E-mail: dswain@odu.edu

Referências:

Astrand PO, Rodahl K (1986). Texbook of Work Physiology (pp. 391-411). New york, NY: McGraw Hill.
DiPrampero PE, Cortili P, Mognoni P, Saibene F (1979). Equation of motion of a cyclist. Journal of Applied Physiology 47, 201-206
McCole SD, Claney K, Conte JC, Anderson R, Hagberg JM (1990). Energy expenditure during bicycling. Journal of Applied Physiology 68, 748-753
Schmidt-Nielsen K (1984). Scaling: Why is animal size so important? Cambridge, England: Cambridge University Press
Swain DP (1997). A model for optimizing cycling performance by varying power on hills and in wind. Medicine & Science in Sports & Exercise 29, 1104-1108
Swain DP, Coast JR, Clifford PS, Milliken MC, Stray-Gundersen J (1987). The influence of body size on oxygen consumption during bicycling. Journal of Applied Physiology 62, 668-672
Swain DP, Wilcox JP (1992). Effect of cadence on the economy of uphill cycling. Medicine & Science in Sports & Exercise 24, 1123-1127
Swain DP (1994) The influence of body mass on endurance cycling performance. Medicine & Science in Sports & Exercise 26, 58-63