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A Coupled Geodetic-Atmospheric-Physiological Model of Sustainable Cycling Performance at Altitude

Este estudio presenta un modelo geodético-atmosférico-fisiológico acoplado que demuestra que, mientras que la velocidad de ciclismo sostenible en ascensos disminuye consistentemente con la altitud, el ciclismo en llano exhibe un óptimo dependiente de la elevación (alrededor de 2,0–2,5 km) impulsado por la compleja interacción entre la reducción de la densidad del aire, las variaciones gravitatorias y las limitaciones fisiológicas.

Autores originales: Carlos Alberto Gomez Tarazona, Carlos E. Guerra-Londoño, Daniel R. Izquierdo

Publicado 2026-09-16

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CC BY 4.0

Autores originales: Carlos Alberto Gomez Tarazona, Carlos E. Guerra-Londoño, Daniel R. Izquierdo

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

El ciclismo a grandes altitudes presenta un rompecabezas físico único donde dos fuerzas opuestas luchan por el dominio. Por un lado, el aire tenue que se encuentra en la altitud ofrece una ventaja mecánica: al haber menos moléculas de aire contra las cuales empujar, un ciclista encuentra menos resistencia al viento, lo que facilita mantener la velocidad. Por otro lado, ese mismo aire tenue crea una desventaja fisiológica: debido a que hay menos oxígeno disponible para respirar, el cuerpo humano no puede generar tanta potencia. Durante décadas, atletas y científicos han debatido dónde reside el equilibrio. ¿Supera el beneficio del aire tenue al costo de la falta de oxígeno, o la falta de oxígeno siempre gana? La respuesta depende en gran medida de lo que el ciclista esté haciendo realmente, específicamente si está rodando en terreno llano o subiendo una colina empinada, y dónde en el globo esté rodando.

Un equipo de investigadores de Colombia y Estados Unidos ha construido un modelo computacional detallado para resolver esta cuestión, yendo más allá de las simples reglas generales para dar cuenta de la compleja realidad de la Tierra y la atmósfera. En lugar de tratar la altitud como un número único, crearon un sistema que vincula la forma de la Tierra, el estado cambiante de la atmósfera y la biología del ciclista. Tuvieron en cuenta cómo la gravedad cambia ligeramente dependiendo de qué tan al norte o al sur se encuentre el ciclista, y cómo la densidad del aire varía según la época del año, la hora del día y la actividad solar. Al combinar estos factores ambientales precisos con una comprensión moderna de cómo los pulmones y los músculos humanos responden al bajo oxígeno, simularon velocidades de ciclismo sostenibles a través de un rango de elevaciones desde el nivel del mar hasta los 4.000 metros.

Los resultados revelan que la idea de una única altitud "perfecta" para el ciclismo es un mito. El modelo confirma que para un ciclista que sube una colina, la respuesta es sencilla: cuanto más bajo, mejor. Cuando la carretera se inclina hacia arriba, el esfuerzo requerido para luchar contra la gravedad se convierte en el desafío principal. En este escenario, la pequeña ganancia del aire tenue no puede compensar la pérdida de potencia causada por el bajo oxígeno. Los investigadores encontraron que en una pendiente del 6 por ciento, que es una subida empinada común, la velocidad máxima sostenible se encuentra siempre al nivel del mar. A medida que el ciclista asciende, su velocidad disminuye continuamente, sin que exista un punto donde el aire tenue lo haga repentinamente más rápido. La penalización fisiológica de la altitud simplemente abruma el beneficio mecánico.

Sin embargo, la historia cambia completamente cuando la carretera es llana. En el ciclismo de nivel, donde la resistencia al viento es el principal enemigo, el modelo predice un punto óptimo distintivo. Aquí, la reducción en la densidad del aire sí proporciona la ventaja suficiente para compensar la pérdida de potencia por el oxígeno, pero solo hasta cierto punto. La simulación muestra que, para un recorrido llano, la altitud ideal no es al nivel del mar, ni en el pico más alto posible. En su lugar, existe un óptimo interior, una altura específica donde el ciclista puede ir más rápido. Dependiendo de la latitud y de las condiciones atmosféricas, este rendimiento máximo ocurre entre los 2.000 y los 2.500 metros. Por debajo de esta altura, el aire es todavía demasiado denso para explotar plenamente la ganancia aerodinámica. Por encima de ella, la falta de oxígeno se vuelve demasiado severa y el ciclista reduce su velocidad.

Esta altura óptima no es un número fijo que se aplique en todas partes; cambia según dónde estés y cuándo ruedes. Los investigadores descubrieron que la época del año importa significamente, pero solo en ciertas latitudes. Cerca del ecuador, la diferencia de rendimiento entre estaciones es insignificante y la altitud ideal permanece constante. Pero a medida que te mueves hacia las latitudes medias y altas, las estaciones comienzan a separar la altitud óptima y la velocidad máxima. En estas regiones, la densidad atmosférica cambia lo suficiente a lo largo del año como para que un ciclista pueda notar una diferencia de casi un 1 por ciento en su velocidad máxima sostenible dependiendo de la fecha. Esto significa que el mejor lugar para rodar no es solo una cuestión de elevación, sino una combinación específica de geografía, estación y la pendiente de la carretera.

El estudio también aclara por qué las observaciones pasadas sobre los récords de altitud pueden parecer contradictorias. Algunos datos históricos sugieren que los récords de ciclismo se rompen en grandes altitudes, mientras que otros datos sugieren que no es así. El modelo explica que ambas son ciertas, pero por razones distintas. Los récords que se benefician de la altitud son casi exclusivamente aquellos establecidos en terreno llano, donde la ventaja aerodinámica es el factor decisivo. Los récords que sufren en la altitud son aquellos que implican subidas sostenidas, donde el costo fisiológico es demasiado alto. Al separar la demanda mecánica de la carretera del límite biológico del ciclista, los investigadores han demostrado que la "mejor" altitud no es una verdad universal, sino una propiedad emergente de las condiciones específicas del recorrido.

En última instancia, este trabajo demuestra que el rendimiento humano en el ciclismo es una negociación delicada entre el entorno y el cuerpo. El aire tenue de las montañas ofrece el regalo de una resistencia reducida, pero exige un impuesto en forma de potencia reducida. Si ese regalo vale el impuesto depende enteramente de la tarea en cuestión. Si la carretera sube, el impuesto es demasiado alto y el ciclista es mejor quedarse abajo. Si la carretera es llana, el regalo es valioso y hay una altura específica donde el equilibrio es perfecto. Los hallazgos sugieren que para cualquiera que planee una ruta, la pregunta de "¿qué tan alto es demasiado alto?" no puede responderse sin preguntar primero "¿qué tan empinada es la carretera?" y "¿dónde en el mapa estamos?". La respuesta no reside en un solo número, sino en la compleja interacción de la gravedad, el aire y la biología humana.

Resumen Técnico: Un Modelo Acoplado Geodésico–Atmosférico–Fisiológico del Rendimiento de Ciclismo Sostenible en Altitud

Planteamiento del Problema
El rendimiento en ciclismo en altitud está gobernado por una compleja competencia entre la reducción de la resistencia mecánica (debido a la menor densidad del aire) y el deterioro fisiológico inducido por la altitud (debido a la hipoxia). Los enfoques previos han tratado a menudo estos mecanismos por separado o se han basado en descripciones ambientales simplificadas, como la Atmósfera Estándar Internacional (ISA), la cual no logra capturar la dependencia explícita de la densidad atmosférica respecto a la latitud geográfica, la estación, la hora universal y la actividad solar/geomagnética. Además, la variación de la gravedad efectiva con la latitud y la altitud suele ser omitida, a pesar de su influencia en las fuerzas gravitatorias y de resistencia a la rodadura. Este estudio aborda la necesidad de un marco unificado que contabilice simultáneamente los factores geodésicos, atmosféricos y fisiológicos para determinar la velocidad de ciclismo sostenible e identificar posibles altitudes óptimas.

Metodología
Los autores desarrollaron un modelo acoplado que distingue entre la potencia mecánica requerida por el sistema ciclista-bicicleta ( $P_{req}$ ) y la potencia mecánica fisiológicamente disponible ( $P_{avail}$ ).

Componente Geodésico: El modelo utiliza el elipsoide de referencia WGS84 para calcular la gravedad normal, $g(h, \phi)$ , como una función de la altitud geométrica ( $h$ ) y la latitud geodésica ( $\phi$ ). Esto tiene en cuenta la oblicuidad y la rotación de la Tierra, proporcionando una corrección sistemática dependiente de la latitud para las fuerzas gravitatorias y de resistencia a la rodadura.
Componente Atmosférico: En lugar de la ISA estándar, el estudio emplea el modelo atmosférico empírico NRLMSIS 2.0. Este modelo proporciona la densidad de masa atmosférica neutra ( $\rho_{atm}$ ) y la temperatura basándose en la altitud, la ubicación geográfica (latitud y longitud), la hora del día, el día del año y los índices de actividad solar/geomagnética ( $F_{10.7}$ , $Ap$ ). También se derivó una atmósfera estándar modificada (ISA-m) de forma analítica para aislar la contribución geodésica de la latitud.
Componente Fisiológico: La reducción de la capacidad aeróbica máxima ( $\dot{V}O_2max$ ) con la altitud se modela mediante una metarregresión corregida por MacInnis et al., que tiene en cuenta la capacidad aeróbica basal y la exposición hipóxica aguda. Este factor de escala fisiológica, $F_{MI}(h, V_0)$ , se aplica a la potencia sostenible al nivel del mar ( $P_0$ ) para determinar la potencia disponible en altitud. Se mantuvieron las formulaciones históricas (Howley-Bassett) para la comparación de sensibilidad, pero no se utilizaron como el modelo principal.
Acoplamiento Mecánico: La velocidad de ciclismo sostenible ( $v_{sus}$ ) se determina resolviendo la ecuación de equilibrio de potencia donde $P_{req} = P_{avail}$ . $P_{req}$ incluye la resistencia aerodinámica (dependiente de $\rho_{atm}$ ), la resistencia gravitatoria (dependiente de $g(h, \phi)$ y la pendiente de la carretera $\theta$ ) y la resistencia a la rodadura. El modelo se resolvió numéricamente sobre un rango de altitud de 0–4000 m para diversas latitudes (0°, 45°, 71°) y pendientes de carretera (0%, 3%, 6%, 9%).

Contribuciones Clave

Marco Integrado: El artículo presenta el primer modelo acoplado que separa explícitamente las dependencias geodésicas (gravedad WGS84), atmosféricas (densidad NRLMSIS 2.0) y fisiológicas (escalado de MacInnis) para predecir el rendimiento de ciclismo sostenible.
Óptimos Dependientes de la Pendiente: El estudio demuestra que la existencia de una altitud de ciclismo óptima no es una función universal de la elevación por sí sola, sino una propiedad emergente de la interacción entre la pendiente de la carretera, la resistencia aerodinámica y la capacidad fisiológica.
Sensibilidad Atmosférica: Al utilizar NRLMSIS 2.0, el modelo revela que los efectos atmosféricos sobre el rendimiento no dependen únicamente de la altitud, sino que varían significativamente con la latitud y el día del año, particularmente en latitudes medias y altas.

Resultados

Compromiso Mecánico vs. Fisiológico: Mientras que la potencia mecánica requerida para mantener una velocidad fija disminuye monótonamente con la altitud (debido a la menor densidad del aire y una gravedad ligeramente menor), esto no garantiza un mejor rendimiento sostenible.
Condiciones de Ascenso: Bajo una pendiente de ascenso de referencia del 6%, el deterioro fisiológico predomina sobre los beneficios mecánicos. En consecuencia, la velocidad sostenible disminuye monótónicamente desde el nivel del mar hasta los 4000 m, sin predecir un óptimo interior; la altitud óptima es efectivamente el nivel del mar.
Ciclismo en Llano: En contraste, el ciclismo en llano (pendiente del 0%) produce un óptimo interior donde la reducción de la resistencia aerodinámica supera inicialmente la penalización fisiológica. Este óptimo ocurre aproximadamente a 2.0–2.5 km, dependiendo de la latitud y el estado atmosférico.
Latitud y Estacionalidad: Las variaciones estacionales en la densidad atmosférica tienen un impacto mínimo en el rendimiento en el Ecuador, pero resultan en diferencias progresivamente mayores en latitudes medias y altas. En las latitudes 45° y 71°, los cambios estacionales pueden alterar la velocidad máxima sostenible en hasta un ~1% y desplazar la altitud óptima varios cientos de metros.
Sensibilidad: La ubicación del óptimo interior es altamente sensible a la pendiente de la carretera; a medida que la pendiente aumenta, el óptimo se desplaza hacia altitudes menores y, eventualmente, desaparece.

Significación y Reivindicaciones
El artículo sostiene que la altitud óptima de ciclismo debe considerarse una cantidad multivariable que emerge del equilibrio específico entre la resistencia aerodinámica, la demanda gravitatoria y el deterioro fisiológico, en lugar de una elevación universal. El estudio reconcilia hallazgos aparentemente contradictorios en la literatura (por ejemplo, los beneficios en récords de una hora frente a las penalizaciones en ascensos) al mostrar que el régimen mecánico (llano vs. ascenso) dicta si existe una ventaja de altitud.

Los autores enfatizan que su marco es un "marco teórico controlado" más que un predictor específico de rutas. Expresan explícitamente sus limitaciones, incluyendo el uso de modelos de hipoxia aguda (MacInnis), que no tienen en cuenta la aclimatación, la exclusión del viento y las pendientes transitorias, y la suposición de que la potencia sostenible escala directamente con el $\dot{V}O_2max$ . La importancia del trabajo radica en demostrar que los modelos atmosféricos estándar son insuficientes para un modelado preciso del rendimiento y que las variaciones geográficas y temporales de la atmósfera deben considerarse explícitamente al analizar pequeñas diferencias de rendimiento en altitud.

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