Principales Resultados del Proyecto
La aerodinámica es un factor clave en el rendimiento de cualquier dispositivo móvil. El coeficiente de roce y la superficie frontal, son los principales factores que influyen en la fuerza de arrastre producida por el fluido sobre un cuerpo en movimiento. El copeficiente de arrastre, por su parte, depende principalmente de dos factores: el roce del material con el fluido y el efecto de separación producido por la forma del dispositivo. Por lo tanto, modificando la forma y el material del dispositivo, es posible mejorar el coeficiente de resistencia y disminuir así la fuerza de arrastre.
En cuanto a las restricciones de diseño, las características generales de lo que se nos encargó realizar eran las siguientes:
Según lo establecido, lo que quisiéramos construir, no dependía de restricciones de tamaño, sino que sólo debíamos fijarnos en que alcanzara el material para el diseño que propusimos. De hecho, a pesar que el prototipo que planteamos es de dimensiones bastante grandes, nos alanzo súper bien el plumavit. Al principio no teníamos idea como trabajar con ese material, como cortarlo, moldearlo, pegarlo, etc. Fue un verdadero dolor de cabeza, ya que si cometíamos algún error, no contábamos con otro volumen de plumavit para poder usar en reemplazo. Primero investigamos en la web, y descubrimos que hay máquinas que gracias a programas computacionales a los que se ingresan las medidas deseadas hacen cortes perfectos en el poliestireno, de hecho se usa mucho para lo que es publicidad con volúmenes gigantes, letreros, etc., pero era demasiado costoso, y nuestros recursos no daban para esa opción. Lo otro que habíamos escuchado, es lo típico, cortar plumavit con un cuchillo caliente. Pero un día en una feria de la capital, una de nuestras integrantes encontró un señor que vendía unas maquinitas artesanales que precisamente eran para cortar plumavit, y consistía en un alambre amarrado a una especie de cautín. Entonces nosotros aprovechando la idea, fabricamos una caja en la que pusimos un fierro doblado en forma de L invertida, y desde el extremo amarramos un alambre, el que a su vez conectamos a un motor eléctrico, entonces al calentarse logramos el mismo efecto que el del cautín con el alambre, pero mucho más fácil de usar, ya que el volumen que nosotros teníamos que manipular era mayor al de las muestras del artesano.
Finalmente dibujamos sobre el plumavit y lo trozamos, haciendo las partes para conseguir el dispositivo. Pegar las piezas fue otra hazaña, que espero podamos explicar en la exposición, ya que aquí van aspectos más técnicos.
La forma del prototipo que construimos cumple con ser desmontable de la bicicleta, y cabe perfectamente una persona en su interior, por lo que el desplazamiento se realiza en forma correcta. Ahora bien, la visibilidad que obtuvimos no es lo que teníamos pensado, pero dentro de las posibilidades es lo que mejor se logró.
La meta del proyecto era mejorar la aerodinámica de una bicicleta, insertándole el dispositivo realizado. La idea es mejorar la aerodinámica de tal forma que el ciclista pueda alcanzar las mismas velocidades con menor esfuerzo o lo que es lo mismo que alcanzar mayores velocidades con el mismo esfuerzo. Esto no lo logramos, ya que, alcanzar la forma aerodinámica que teníamos pensado resultó muy difícil. Quizás si lo hubiéramos enviado a cortar computacionalmente, estaría perfecto, pero al hacerlo nosotros (que no somos máquinas y era la primera vez que trabajamos con algo parecido), tuvimos errores de cálculos e imprecisiones al montar las piezas.
Mediciones del Rendimiento del Dispositivo
Dado que el objetivo del dispositivo es mejorar la aerodinamica, se utilizó la fuerza de arrastre como medida del rendimiento del dispositivo, comparando la fuerza de arrastre con y sin el dispositivo.
Como se vió en el punto 1.5 la fuerza de arrastre se puede calcular como:
Dado que el coeficiente de resistencia no es medible de manera trivial, sino que se requiere de análisis más avanzados en túneles de viento, se optó por hacer los cálculos de manera aproximada.
Para calcular la fuerza de arrastre de la bicicleta y el ciclista sin el dispositivo se utilizó el mismo análisis realizado en 1.5.
Para medir el impacto del dispositivo en la fuerza de arrastre se midió la superficie frontal de este y se realizaron pruebas con humo para visualizar si el efecto de separación era mayor o menor y así estimar el Cx con el dispositivo.
Para realizar estas pruebas se utilizó un motor a petroleo, el cual desprendía humo de color grisaseo. Este motor se puso en la maleta de un auto. Luego, se anduvo en la bicicleta tras el auto con el motor en la maleta abierta, a una velocidad pequeña, de tal forma de apreciar el movimiento del humo al atravesar el dispositivo.
Competencias y Habilidades Desarrolladas
El desarrollo de un trabajo grupal siempre tiene tanto cosas a favor como en contra, podemos considerar que trabajar en equipo aliviana la carga de una sola persona en el desarrollo de una tarea, pero a la vez lo complica, porque poder reunirse aunque suene exagerado, es difícil porque todos tenemos distintos horarios, ramos, pruebas y responsabilidades varias. Pero con organización pudimos lograr buscar el ajuste que más nos acomodara para poder sacar a flote el proyecto. Por otro lado, el trabajo grupal es una experiencia muy enriquecedora, porque siempre se termina por aprender algo nuevo, a conocer a las personas, a tener tolerancia, y saber apoyarse, todo para lograr la causa común. Además mientras aquellos días que nos reunimos siempre buscamos la forma de hacer entretenida la construcción del dispositivo.
Respecto al curso, la realización de este proyecto nos sirvió para poder por fin en algún ramo poner en práctica la teoría. En general nuestra sensación en la mayoría de los cursos es que lo que aprendemos no vale mucho si nunca lo trabajamos, es como aprender una receta de cocina, pero si nunca se hornea de verdad, no sabremos si queda rico o no (puede que se queme, quede salado, etc.), y sólo la experiencia de ejecutar la tarea nos hará pensar en lo que hicimos mal, y analizaremos de otra forma el proceso.
Los conocimientos de mecánica de fluidos que hemos puesto en práctica son bastante cotidianos y más bien centrados en entender cosas que siempre estuvieron ahí, pero que no sabíamos a qué se debían, como por ejemplo el efecto de separación y la fuerza de arrastre, además entendimos el porqué de las formas aerodinámicas y su estrecha relación con las líneas de corriente. Y no podemos dejar de nombrar la actividad extraordinaria que llevamos a cabo en el curso, nos referimos a la visita a las represas de Colbún. En ella aprendimos cosas que para un experto no pasan de ser cultura general, pero que para nosotros, que no seguimos la especialidad de hidráulica igual nos dejó bastante claras las cosas. Primeramente, lo que tienen que ver con el encause de las aguas del río Maule, y el impacto ambiental que llevó consigo. El aprovechamiento de la potencia del agua en diversos puntos, donde se instalaron las centrales que proveen de electricidad al sistema interconectado central, etc. En fin, quizás nos desviamos un poco del foco de la pregunta, pero hay que señalar que ha sido un curso completamente distinto a lo que esperamos cuando lo inscribimos y que ha dejado de lado nuestras expectativas.
Boceto de una cicicleta, Leonardo Da Vinci 1490.Cicletada MFC (Movimiento de Ciclistas Furiosos)
1.2 Comportamiento aerodinámico de un móvil que se desplaza en el aire
Cuando dos sólidos interactúan y convergen en un proceso mecánico, las fuerzas se transmiten de uno hacia el otro a través del punto de contacto cambiando las características de sus movimientos en un instante. En cambio, cuando un sólido esta inmerso en un fluido, no existe sólo un punto de contacto, si no que hay infinitos, los cuales están bordeando la superficie del cuerpo. En éste caso el fluido "fluye" alrededor del cuerpo, quienes establecen infinitos puntos de contacto, y es en éstos puntos donde ocurre la transmisión y aplicación de las fuerzas, las cuales, a su vez, ocurren por la de la presión del fluido sobre el sólido.
En donde P y A denotan Presión y Área respectivamente.
Si el fluido esta en reposo y por lo tanto la presión es constante, y además ésta es ejercida en todo el cuerpo sólido en cuestión, la resultante de la fuerza es igual a cero, ya que para todo vector normal existe uno de igual magnitud y sentido contrario que al sumarlos anula su efecto.
Para un fluido en movimiento, la velocidad tiene distintas magnitudes a medida que recorremos el sólido. La presión esta relacionada con la velocidad en cada punto, por esta razón la presión también cambia dependiendo del punto de análisis, lo que resume en decir, que en este caso, la fuerza neta es distinta de cero.
Para dejar determinados la fuerza neta en función de las direcciones de la corriente, definiremos dos conceptos 1) Sustentación o Lift, correspondiente al componente de la fuerza neta normal al flujo, que es el que mantiene a un cuerpo pegado al suelo o bien que lo levanta (dependiendo del signo). 2) Arrastre o Drag que corresponde al componente de la fuerza neta que va en la misma dirección que el flujo, es decir, la resistencia del fluido al móvil. Éstos dos conceptos se describen más en detalle en una futura sección de este blog.
Lift, drag y Ley de Bernoulli
En la imagen anterior esta representado el principio básico de la aerodinámica, denominada Ley de Bernoulli, ésta plantea que el aire circula por la parte superior del ala a una velocidad superior que por la parte inferior de ésta. La diferencia de presiones crea una fuerza de sustentación positiva hacia arriba, permitiendo que el cuerpo pueda elevarse.
1.3 Fuerza de arrastre y fenómeno de separación
Fuerza de arrastre:
La fuerza de arrastre es la fricción que ejerce un objeto sólido (en este caso la bicicleta) y el fluido o corriente por el que se mueve (en este caso aire). Esta fricción es la suma de todas las fuerzas aerodinámicas y se proyecta en la dirección del flujo del fluido externo (aire), es decir, opuesto al movimiento de la bicicleta.
Para calcular la fuerza de arrastre necesitamos medir el área y la velocidad del fluido sobre el área. Además, se requiere conocer el coeficiente aerodinámico de resistencia.
las variables que participan son:
F = Fuerza de arrastre
ρ = densidad del fluido
V = velocidad en metros/segundo
S = superficie
C = coeficiente aerodinamico de resistencia
Fenómeno de separación:
En el flujo alrededor de un sólido, se forma una capa límite junto a la superficie. La presion en la capa límite se determina por el flujo potencial fuera de la capa.
En las proximas figuras se observa un corte transversal de la rueda de la bicicleta, vista desde arriba.
La capa limite tiene un gradiente de presión entre A y B negativo, es decir las fuerzas de presión se presentan en el sentido del flujo. pero entre B y C el gradiente de presión es positivo, y las fuerzas de presión se encuentran con sentido contrario al flujo.
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En el punto (a) la capa límite se separa de la superficie del cilindro. En (b) la capa límite ya está separada y entre ésta y la superficie del cilindro existe un flujo secundario en sentido contrario al flujo principal. En el punto de separación existe la siguiente condición: 
1.4 Aerodinámica en distintos sistemas móviles reales
En cuanto a la estabilidad del vehículo, es muy importante que el centro de presiones (punto donde se concentran todas las fuerzas aerodinámicas) quede lo más cerca posible del centro de gravedad del vehículo, pero resulta difícil de conseguir porque a velocidades elevadas el flujo de aire cambia por completo. Para solucionar esto, algunos autos muy sofisticados cuentan con sistemas de aerodinámica activa, con alerones y spoilers que se despliegan en determinadas situaciones (frenada, al sobrepasar cierta velocidad, etc). 
Penetrar, es conseguir que el piloto se integre en el carenado de la moto y que la corriente se desprenda tarde, por tanto la resistencia aerodinámica sea lo menor posible; son motos tipo circuitos, deportivas, de velocidad pura. Acá no hay miramientos con el piloto, y el acompañante prácticamente no existe, se busca el menor coeficiente de fricción, la menor estela posible, la menor superficie frontal, hay que tumbarse y que el cuerpo sea una calcomanía más de la moto. Además, mientras más pequeño y delgado sea el conductor, mejor, de modo que pueda confundirse con la moto y así la resistencia será la mínima que los diseñadores pensaron se podía tener.
1.5 Aerodinámica de la Bicicleta
Es por lo tanto muy importante tener en cuenta la trascendencia de la resistencia aerodinámica en el rendimiento físico a la hora del posicionamiento del ciclista sobre la bicicleta, ya que pequeños cambios en la posición pueden variar significativamente la resistencia aerodinámica que depende de la superficie frontal (ciclista-bicicleta) y del coeficiente de penetración (asociado a la forma) y ambos pueden ser modificados mediante la posición del ciclista.
Una mejora de la resistencia aerodinámica traería consigo que desarrollando la misma potencia (trabajo por unidad de tiempo) el ciclista irá a mayor velocidad, o por el contrario para ir a la misma velocidad disminuirá la potencia que tenga que desarrollar, con lo que será capaz de mantener esa velocidad durante más tiempo antes de llegar a la fatiga y al agotamiento.
El rendimiento de una bicicleta se ve afectado por dos clases de resistencia aerodinámica: la resistencia de fricción y la resistencia de presión. La primera se debe a la viscosidad del aire. La segunda se produce cuando el flujo de aire no logra adaptarse al contorno del objeto que se mueve. Como se vio anteriormente, la separación del aire hace que la distribución de presión varíe sobre el objeto. Este fenómeno se produce en la parte de atrás de la bicicleta, haciendo que la presión del aire allí sea menor que en la superficie delantera, lo que produce resistencia. Las formas romas, tales como cilindros, esferas, y otras formas habituales en una bicicleta, resultan ineficaces desde el punto de vista aerodinámico, por la razón de que el flujo de aire se separa de ellas, formándose zonas de baja presión detrás de estos objetos, produciendo una resistencia de presión centenares de veces mayor que la de fricción. Ocurriendo todo lo contrario en las formas aerodinámicas, donde el aire fluye suavemente, cerrándose detrás del objeto.
El coeficiente de resistencia designa el rendimiento aerodinámico de un perfil. Un perfil ineficiente, como una esfera, tiene un coeficiente de 1,3, mientras que una forma aerodinámica, como la de una gota, tiene uno menor de 0,1. Como se vio en la sección 1.3, la fuerza de arrastre depende linealmente de este coeficiente, pero también de la superficie frontal. A la multiplicación de estos dos factores se le llama área frontal eficaz, la cual define la resistencia aerodinámica de un cuerpo.
Una bicicleta corriente, con su ciclista, tiene un área frontal eficaz entre 0,3 y
Como también se vio en 1.3, la fuerza de arrastre aerodinámico aumenta con el cuadrado de la velocidad. Por otro lado, la potencia es proporcional al producto de la fuerza de resistencia por la velocidad. Así, la potencia necesaria para conducir un objeto a través del aire aumenta con el cubo de la velocidad. Por lo tanto, un pequeño incremento de velocidad implica un gran aumento en la potencia. Por ejemplo, si un ciclista dobla repentinamente su potencia cuando va a
Por lo tanto, como hemos visto, el arrastre producido por el aire sobre la bicicleta y el ciclista, es el principal obstáculo que debe vencerse para una mayor eficiencia al andar en bicicleta sobre una superficie plana. Por lo tanto, debemos encontrar una forma práctica de medir este fenómeno sobre la bicicleta, si es que pretendemos disminuirlo.
Como se vio en el punto 1.3, la fuerza de arrastre corresponde a:
A partir de estudios en túneles de viento, donde es posible medir de forma precisa los efectos del aire sobre una superficie, se ha determinado que para una superficie plana, la fuerza de arrastre ejercida por el aire sobre ella es:
F = 0,0686 · v2 · S [N]
Es decir,
0,5ρCx = 0,0686
Para superficies cilíndricas, este valor disminuye a un 60%. El caso de una persona sobre una bicicleta, puede estudiarse de manera aproximada con la fórmula dada anteriormente, ya que la bicicleta está constituida principalmente por partes cilíndricas (o parecidas a cilindros) e incluso también el ciclista, ya que la cabeza, el cuello, los brazos, las piernas y el tronco tienen formas redondeadas asimilables a cilindros.
Sin embargo, al no ser la forma exactamente cilíndrica, la resistencia es algo mayor, de manera que la fuerza ejercida por el aire puede aproximarse a un 70% (en vez del 60% para las superficies cilíndricas) del valor dado por la fórmula anterior.
Por lo tanto, la resistencia del aire sobre el ciclista y su bicicleta puede calcularse de la siguiente forma:
F = 0,7 · 0,0686 · v2 · S = 0,048 · v2 · S [N]
En que
v = velocidad relativa del ciclista respecto del aire.
S = superficie del ciclista y de la bicicleta expuesta al aire.
Por ejemplo, si se toma que la superficie frontal S del ciclista y la bicicleta es
S =
F = 0,02 * v2
Calculando para algunas velocidades obtenemos la siguiente tabla:
Velocidad [km/h] | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 |
Fuerza [N] | 0,15 | 0,62 | 1,39 | 2,47 | 3,86 | 5,56 | 7,56 | 9,88 | 12,50 | 15,43 |
Como se puede ver en la tabla anterior, la fuerza de resistencia aumenta rápidamente con la velocidad.
De este análisis se desprende que para determinar la fuerza de arrastre en nuestra bicicleta debemos medir:
Para medir la velocidad de la bicicleta en forma instantánea, lo ideal sería utilizar un velocímetro electrónico. Sin embargo, estos son bastante caros (del orden de 40 USD) por lo que no es una opción viable, a menos que podamos conseguir alguno. Por lo tanto, lo más práctico es medir la velocidad promedio, midiendo el tiempo que se demora en recorrer una distancia determinada con un cronómetro.
Sin embargo, más que determinar la velocidad de la bicicleta, nos va a interesar conocer la velocidad del aire que está impactando contra la bicicleta. Para esto, existen instrumentos como el venturímetro y el tubo de pitot:
V^2 = 2gh ( GAMAm / GAMAaire - 1 ) / ( A1^2 / A2 - 1)
V^2 = 2gh
Si bien este último es más sencillo, no es práctico para medir la velocidad del aire, ya que al ser transparente la altura no sería visible y al ser tan poco denso, la altura sería demasiado grande. El venturímetro en cambio, al utilizar otro fluido para medir la altura, permite visualizar este cambio y además se puede utilizar fluidos con distintas densidades de tal forma de obtener rangos medibles de altura. Existen modificaciones al tubo de pitot que emplean otros fluidos para medir el cambio de presión, en forma similar al venturímetro, por lo que también podrían ser una posibilidad para realizar las mediciones.
En conclusión, para desarrollar nuestro dispositivo y mejorar la aerodinámica de la bicicleta, debemos considerar dos factores:
El cambio en la superficie frontal que produce el dispositivo.
El coeficiente aerodinámico de resistencia (Cx) de la forma del dispositivo.
Por lo tanto, la forma del dispositivo que se fabrique deberá ser tal, que el coeficiente aerodinámico de resistencia (Cx) sea menor que el de un cilindro y/o que disminuya la superficie frontal, de tal manera de disminuir la fuerza de arrastre.
El siguiente cuadro muestra las tareas asignadas a cada uno:
Los plazos fueron acordados considerando las responsabilidades agendadas de cada uno de los integrantes del grupo, para así poder cumplir con las metas acordadas.Siempre ha existido un grato ambiente de trabajo, ya que más allá de ser sólo compañeros de trabajo en el ramo de Mecánica de Fluidos, nos conocemos hace tiempo y compartimos tiempo también en ambientes más distendidos.
El problema de esta propuesta tal como está mostrada en el dibujo es que no es posible mover el manubrio con libertad, por lo que habría que proponer otras propuestas que mejoren este diseño, tal vez, haciendo que el dispositivo se afirme de otra parte de la bicicleta.
4.5 Alternativa #5 "Unificar bicicleta en un sólo elemento aerodinámico":
Esta idea es recubrir toda la bicicleta con una especie de caparazón, la cual tiene 2 lados, derecho e izquierdo y se unen con unos pernos. Al hacerlo la bicicleta queda como una sola estructura en forma de gota alargada. El manubrio también será incorporado a la estructura unificada de modo aerodinámico, no perdiendo su maniobrabilidad. Es así como el ciclista se sube sobre esta estructura y puede conducirla como una bicicleta normal.
4.7 Alternativa #7: "Misil Humano"
La idea es hacer una armazón como un misil que cubra todo el ciclista y a prácticamente toda la bicicleta, de tal manera que la forma aerodinámica disminuya al máximo la resistencia aerodinámica del aire.
Contras:
Alternativa #2:"Punta de avión":
Pros:
Contras:
Alternativa #3 "Cápsula":
Pros:
Contras:
Alternativa #4: "Ala vertical"
Pros:
Contras:
Alternativa #5: "Unificar bicicleta en un sólo elemento aerodinámico":
Pros:
Contras:
Alternativa #6:"Mezcla entre 4 y 5"
Pros:
Contras:
Alternativa #7: "Misil humano"
Pros:
Contras:
Considerando todas las ventajas y desventajas antes mencionadas, hemos concluido que la mejor alternativa aerodinámica es la número 4, que llamamos "Cápsula", consideramos también, que esta opción es realizable, por lo que se puede llevar a cabo con los materiales en cuestión. A continuación detallamos algunas especificaciones del diseño.
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5.2 Plan de trabajo Real
Tal como planteamos anteriormente en éste blog, tenemos 4 nuevas metas: la primera será corroborar de forma experimental que el diseño elegido es el mejor, para lo cual tenemos pensado elaborar un modelo preliminar a escala; la segunda meta será la elaboracion y montaje; la tercera meta abarcará la realización de las últimas pruebas y ajustes finales; y finalmente, la cuarta meta consistirá su presentación en público. Para el cumplimiento de éstas hemos asignado nuevas labores de cada uno de los integrandes, las cuales se detallan a continuacion.
Francisca Celedón: Elaboracion de presupuesto, cotizacion y compra de materiales. Considerar soluciones para dificultades que se puedan enfrentar. Críticas al diseño y posibles soluciones.
Silvana Rodriguez: Coordinación de grupo. Fijar lugar y condiciones óptimas para la elaboración del dispositivo. Considerar soluciones para dificultades que se puedan enfrentar. Críticas al diseño y posibles soluciones.
Stephanie Rotella: Analizar la manera en que probaremos que el dispositivo es efectivo y cumple requisitos, Testear. Considerar soluciones para dificultades que se puedan enfrentar. Críticas al diseño y posibles soluciones.
Tomás Puelma: Investigar sobre moldeo, corte, union y todo lo relacionado con la manipulacion del material. Considerar soluciones para dificultades que se puedan enfrentar. Críticas al diseño y posibles soluciones.
5.3 Estimación de costos:
Nuestro diseño no superará los veinticinco mil pesos, dentro de los cuales estan considerados materiales comprados y reciclados, pegamentos e incluso las herramientas y materiales adicionales que se requieren para un montaje estable, seguro y ergonómico.
5.4 Predicción del desempeño:
De nuestra investigación, pudimos concluir que hay tres formas de mejorar la aerodinámica de una bicicleta:
En primer lugar se puede reducir la cantidad de energía malgastada en la interacción del vehículo con el aire.
