A seguir Trabajando

Hoy empieza la segunda etapa del proyecto, la cual consta de dos etapas, la primera de ellas es el diseño definitivo del accesorio para la bicicleta y el ciclista, la segunda etapa es la construccion del mismo.

Ahora a seguir trabajando...

Definición del proyecto

El proyecto consiste en reducir la resistencia aerodinámica de una bicicleta, para ello estudiaremos como se opone el aire al movimiento de vehículos tales como: automóviles y motos, y veremos como han ido evolucionando las soluciones que se idean para disminuir esta fuerza, para así poder hacernos una idea de los dispositivos con los que constan estas soluciones y elegir el más conveniente para nuestros propósitos. Como, definir la forma que deben tener los componentes de la bicicleta, por ejemplo, los fierros deben ser de sección ovalada, de manera que las líneas de corriente del aire se vean lo menos perturbadas posibles, además de minimizar el área frontal del la bicicleta, acomodando al ciclista de manera tal que no sobresalga tanto de la bicicleta, esto se puede hacer moviendo el asiento y el manubrio a una posición adecuada para estos fines. Otra manera de no perturbar en demasía las líneas de corriente del aire es fabricar un carenado como el de las motocicletas, pero teniendo especial cuidado con su tamaño porque la idea no es aumentar de una manera considerable el área frontal, porque la fuerza de resistencia aerodinámica es proporcional a esta área, también no se debe dejar de considerar la masa de la bicicleta, dado que una bicicleta muy pesada le haría muy difícil al ciclista ponerla en marcha y gastaría gran parte de su energía en empezar a pedalear .
Nos enfocamos más en como ha evolucionado la motocicleta, ya que ésta es más similar a la bicicleta que el automóvil, pero de estos últimos rescatamos un factor determinante en su diseño aerodinámico que también se usa en el diseño de cascos para ciclistas, que es su forma, la que debe ser lo más parecida posible a una gota de agua que va cayendo.
En conclusión, para mejorar la resistencia aerodinámica de una bicicleta hay que mejorar la postura del ciclista, subiendo el asiento, poniendo el manubrio abajo, usando casco, etc., además de fabricar un carenado similar al de una motocicleta, imitando la forma de una gota de agua e instalárselo a la bicicleta, usar ropa adecuada para el ciclismo, mientras más ajustada al cuerpo, el efecto de paracaídas es menor, por lo tanto la resistencia del aire disminuye. En estos y otros puntos se centrará el proyecto, los que van a ser explicados en el blogg y en la presentación power point

ORGANIZACIÓN Y FUNCIONAMIENTO DEL GRUPO DE TRABAJO

Para desarrollar cualquier tipo de proyecto es necesario tener una buena organización. Para esto, lo primero que hicimos es definir los roles de cada uno, en donde se destacaba la calidad de jefe de grupo, el cual tenía atribuciones tales como la de poder designar las materias a investigar.
Las tareas asignadas para cada integrante se desglosan en:
Eber Mura:
Bicicleta y Aerodinámica
Fuerzas que afectan a las bicicletas
Fenómeno de separación

Matías Silva:
Definición de aerodinámica
Aerodinámica en Automóviles
Soluciones Propuestas

Cristián Tapia:
Aerodinámica en las Motos
Preparación Power Point

Pablo Vogel:
Aerodinámica en las Bicicletas y sus problemas
Calculo de potencia, velocidades y presiones

Fortalezas

Entre ellas se puede mencionar que como conjunto colectivamente, nos ayudamos mucho en la comprensión del problema, las maneras de abordarlo y como determinar cuales eran los factores que realmente importaban estudiar en la realización del proyecto. Por esto podemos decir, que las tareas en ningún caso fueron asignadas arbitrariamente sino que con plena consultoría de los campos en cada uno, individualmente, podía desempeñarse mejor .

Debilidades

Entre estas podemos mencionar, que las ideas de diseño que se decidió poner en realidad, no sabíamos con certeza cuan factibles serían en el sentido de costos, no tanto de implementación. Por esto creo que es un punto en el que debemos mejorar.

Soluciones Propuestas:

Como hemos visto y discutido a lo largo del blog, las fuerzas que se interponen al ciclista son 3: Fuerza de arrastre, Fuerza de sustentación y la Fuerza a la rodadura. El objetivo del proyecto es diseñar, modelar y realizar un prototipo de accesorio que mejore las velocidades del Ciclista, para esto nos enfocaremos en el área de dos formas, la primera es la posición del ciclista en la bicicleta y la segunda es el carenado de la misma. Vale hacer notar que aunque nuestro objetivo es aumentar la velocidad de la bicicleta, vamos a despreciar la fuerza de sustentación debido a las bajas velocidades que alcanzaremos. Posición del ciclista: Debemos bajar el cuerpo del ciclista, como primera medida subiremos el asiento y bajaremos el manubrio, luego diseñaremos un elemento para bajar aun más las manos y así disminuir el área del ciclista.

Carenado: Diseñaremos un carenado el cual mejorará notablemente la aerodinámica del conjunto de la bicicleta y el ciclista. También para disminuir el Coeficiente aerodinámico, diseñaremos un casco, el cual usará el ciclista.

Fenómeno de separación

Este se produce por una diferencia en el gradiente de presión del fluido en la superficie de un cuerpo, lo que origina que en determinado punto se separe el fluido del contorno del cuerpo, el cual se llama punto de separación. Al considerar una capa delgada de fluido muy próximo a la pared de un cuerpo y completamente dentro de la capa límite, esta es arrastrada por el empuje viscoso del fluido y es retardada por la fricción en la pared. Si la presión es favorable, es decir, si decrece en la dirección del flujo, la delgada capa continuará moviéndose hacia adelante. Pero la velocidad cerca de la pared es pequeña y si la presión crece en la dirección del flujo el momentum del fluido puede ser insuficiente para abrirse paso y esto podría detener completamente el fluido y pudiera incluso tener un retroceso a baja velocidad. Es así como el flujo puede despegarse de la superficie del cuerpo.


Lo que se observa en el punto S, es conocido como el punto donde la vorticidad es cero y además, la derivada a lo largo de la superficie es positiva.

En estas figuras se presentan distintas separaciones. En la parte posterior del cilindro se forman vórtices; a este sector lo llamaremos estela, la cual puede ser grande o pequeña, dependiendo en mayor grado del lugar en donde se produzca la separación del fluido. Para el caso de la esfera podemos observar que la separación se produce mucho mas atrás. En la estela la presión es constante existiendo variaciones solamente en la parte donde el flujo aún no se separa. Todo esto hace que la suma de las fuerzas debida a las presiones sobre la superficie resulte en una fuerza neta que arrastra al cuerpo en la dirección del flujo. Este es lo que llamamos el arrastre por la forma del objeto.
Experimentalmente se tiene que mientras menor sea la estela menor va a ser el arrastre. Por lo tanto, como nuestra misión es disminuir la fuerza de arrastre, lo que debemos hacer es demorar la separación lo más posible. Como queda evidenciado en las figuras mostradas, la forma del objeto es lo que determina la medida de la estela, de esta manera, debemos encontrar la figura que mejor se desempeñe.

Fuerza de arrastre y posición del ciclista.

Como habíamos mencionado, la relación existente entre la fuerza de arrastre y la posición del ciclista es muy significativa. Esto porque, dicha fuerza es proporcional al área frontal del objeto. Por otra parte, el aire aunque en primera instancia (velocidades bajas) se podría despreciar, hemos observado que su aporte no es insignificante, ni mucho menos.
Mas aún, como queda de manifiesto en la siguiente gráfica, para una zona sin viento la resistencia aerodinámica es realmente significativa, donde alcanza casi un 90% de la resistencia total:

Por lo tanto, es muy importante tener en consideración esta resistencia y sus factores involucrados para una mejora en el rendimiento. Ya que pequeños cambios en la posición y como consecuencia en el área frontal, podría originar una gran variación en la resistencia aerodinámica, que depende también del coeficiente de penetración, o de forma. Una reducción en dicha resistencia, se traduciría en que para una potencia igual a la acostumbrada, se podrían obtener mayores velocidades, o en su defecto, para la misma velocidad, utilizar menos potencia y mantener esa velocidad por más tiempo.

Si bien a un nivel competitivo se podría, mejorar el nivel de fricción del ciclista con diversos implementos, a un nivel más asequible, la aerodinámica se podría controlar con una correcta medida de las partes de la bicicleta, posición de las manos en el manillar, cabeza y tronco. El siguiente gráfico nos muestra una serie de posiciones, que pueden mejorar o no, el desempeño:

En este caso son solo cuatro las posiciones para un manillar normal: Standing (De pie), Seated, hands on handlebar tops (Sentado, manos en la parte superior del manillar), Hands on brake hoods (Sentado, manos sobre las manetas de los frenos) y Hands on handlebar drops (Sentado, manos en el fondo de los aros del manillar).

Conocemos que la fuerza de arrastre va aumentando exponencialmente con la velocidad, lo que se relación además con el coeficiente de arrastre y también área frontal, según la relación:

Entonces, por ejemplo, para una bicicleta normal en la condición de un viento de 10(millas/hr), se tendrán los siguientes datos:


Además, para diferentes condiciones y posiciones del ciclista, se tendrán los siguientes resultados:

Entonces, lo que debemos realizar para optimizar el desempeño de la bicicleta es mejorar el coeficiente de arrastre, mediante la forma y fricción del objeto, y reducir el área frontal del objeto, lo que, como vimos, pequeñas variaciones pueden demarcar gran sensibilidad.

Postura del motociclista

Siguiendo con el tema de las motos y la posición que debe tomar el motociclista.

"La postura correcta varía de acuerdo con las condiciones del manejo; pero en términos generales existen siete puntos clave para lograrla.

1. HOMBROS: Relajados y con naturalidad.

2. OJOS: Mirar siempre adelante sin fijarlos en un solo punto.

3. CODOS: Relajados, permitiendo que doblen naturalmente.

4. MANOS: Deben ubicarse en forma natural sobre los manilares, con los dedos dispuestos a accionar la manigueta del embrague y freno respectivamente.

5. RODILLAS: Sujetando en todo momento el tanque de gasolina, porque abriéndolas facilita la pérdida de equilibrio.

6. PIES: El puente del pié debe mantenerse siempre sobre el calapié (tabaco), con la punta hacia delante, listo para accionar el freno.

7. CADERAS: Si su cadera está demasiado adelante o demasiado atrás, se reducirá la reacción al cambiar de marcha."

(fuente: http://www.fonprevial.org.co/htm/htm_manual/postura.htm)

Aerodinámica en motos

Para analizar el tema de la aerodinámica en motos comenzaremos describiendo el tema en las bicicletas que es lo principal de esta investigación, para después hacer una comparación con las motos.
Si bien la forma de la bicicleta es importante para lograr una menor resistencia aerodinámica, que es precisamente en eso en lo que estamos trabajando, un factor más determinante o quizás el más importante es el ciclista ya que este es el causante de entre el 65% y el 80% de la resistencia que opone al aire, por lo tanto la postura del ciclista es muy importante si se quiere disminuir la resistencia del aire. Por ejemplo la posición agachada y el manubrio bajo son capaces de disminuir en un 30% la resistencia del aire con respecto a la posición más erguida. También se han logrado avances en la creación de manubrios que permiten que el ciclista agache la cabeza y mantenga la espalda recta, además de esto un casco también ayuda a mejorar la aerodinámica. Otro factor importante es, cuando los ciclistas andan en grupos, escudarse con los ciclistas que van adelante, es decir, dejar que los otros “rompan” el viento y así lograr una mayor velocidad con menos esfuerzo.

A pesar de que pareciera que el aire no opone ninguna resistencia al ciclista, esta oposición aumenta notablemente a medida que aumenta la velocidad, por ejemplo a los 15 km/hr la resistencia aerodinámica es muy baja, pero al superar los 30km/hr ésta se transforma en la fuerza más importante que tiene que vencer el ciclista y llegando alrededor de los 40 km/hr, es casi el 90% de la resistencia total al avance del ciclista. De ahí que sea tan importante la resistencia aerodinámica en las motos, porque si a velocidades de 30km/hr es la resistencia más grande que experimenta el ciclista, para la moto es aun más considerable dado que estas se desplazan a velocidades superiores a 30km/hr. Para esto en el diseño de las motos se ha intentado imitar la postura que toman los ciclistas de carreras, para disminuir la oposición del viento al movimiento.

Además de esto uno de los factores más importantes en el diseño aerodinámico de las motos es el carenado, que es un revestimiento de fibra de vidrio que llevan estos vehículos. El carenado es la carrocería de la motocicleta, cuya función es reducir la resistencia que ofrece el aire al movimiento de ésta, y se encuentra ubicada en zonas del vehículo donde potencialmente se pueda producir mayor resistencia que en otras. Además de reducir la resistencia al avance influye en el consumo de energía, es decir, en conseguir mayores velocidades con la misma potencia del motor, protege al piloto del viento cuando va a alta velocidad y le da mayor estabilidad a la motocicleta.

La Fuerza de resistencia aerodinámica es:

Donde ρ es masa específica del aire, Cd una constante que depende de la forma del carenado y que indica lo aerodinámico que éste es. A es el área frontal que tiene la motocicleta y V es la velocidad a la que se desplaza.
Si diseñamos un carenado con un área frontal pequeña, en principio conseguiremos reducir la fuerza de resistencia aerodinámica, pero probablemente no podremos obtener un buen Cd (coeficiente de penetración aerodinámica), ya que el piloto asomará por detrás del carenado. Si diseñamos un carenado grande que cubra bien al piloto, podemos conseguir un buen Cd, pero a cambio tendremos también un área frontal mayor.
En la práctica ambos métodos son igualmente válidos y con cualquiera de las dos opciones se pueden conseguir Fuerzas de resistencia aerodinámica del mismo orden de magnitud.

En conclusión, para mejorar la resistencia aerodinámica de una bicicleta hay que mejorar la postura del ciclista, subiendo el asiento, poniendo el manubrio abajo, usando casco, etc. Pero si queremos mejorarla aun más, una buena opción sería fabricar un carenado similar al de una motocicleta e instalárselo a la bicicleta.

"carenado de una moto"

Bicicletas y su aerodinámica

Siendo la bicicleta un vehículo de propulsión humana, debemos considerar los factores involucrados en su rendimiento, tanto en la bicicleta misma como en el conductor. Si bien para un uso doméstico, no es mayormente importante optimizar su funcionamiento, para el caso de competencias o bien, a nivel experimental, es de relevancia manejar y conocer los datos de mayor influencia en su desempeño.


El viento como resistencia opositora para la bicicleta, es de vital importancia para poder mejorar su rendimiento en cuanto a la velocidad. Sabemos que la fuerza de frenado del aire se ve aumentada cuando mayor es la velocidad. Mas aún, dicha fuerza , para velocidades que bordean los 30 Km/hr o más, la incidencia del aire corresponde a un 80% del total. Por tanto, unas de las cuestiones principales a analizar será el área frontal del ciclista, ya que es esta la que se pone en contacto con el aire.

Dicho esto nos dedicaremos a analizar con más detalle los aspectos que afectan en el desempeño aerodinámico de una bicicleta.

Factores Aerodinámicos

Para nuestro estudio nos enfocaremos en dos aspectos de importancia aerodinámica:
Resistencia debido a presión ( relacionado con la forma), y
Resistencia por fricción

Presión

Esta resistencia ocurre debido a que el flujo del aire, no se adapta a la forma, o mas bien el contorno de la superficie del objeto en cuestión, para nuestro caso el ciclista, lo que origina una redistribución del aire de forma desequitativa. Como resultado, se producen diferencias de presión en el objeto, esto es, existe una menor presión en la parte posterior del objeto y una mayor en la zona delantera, originando una resistencia por parte del viento.

Fricción

Esta se produce por la viscosidad del aire, es decir, cuando este incide en el objeto existen esfuerzos de corte que originan resistencia. Esta se manifiesta abiertamente cuando los objetos tienen formas geométricas mas pronunciadas, tales como cubos o cilindros. Para provocar una mejora al respecto se debería incluir pendientes suavizadas en el diseño de los objetos. Como era de esperar, la naturaleza en su infinita sabiduría, nos da la idea de una correcta aerodinámica en una simple gota de lluvia.

Entonces, para un objeto cualquiera enfrentado a un cierto flujo, en la fuerza de arrastre (Fd ), intervendrán: área frontal (Ad), masa específica (ro), velocidad (V) y coeficiente de arrastre, los cuales se relacionan según lo que sigue:

Como se puede observar, la fuerza de arrastre es proporcional a la segunda potencia de la velocidad. Además, la potencia suministrada al móvil es proporcional a la fuerza de arrastre por la velocidad, de manera que la potencia necesaria para mover un objeto en un flujo de aire es proporcional al cubo de la velocidad. Por lo tanto, para aumentar sólo un poco de velocidad se necesitará de mucho esfuerzo físico.

Aclarados estos conceptos, podemos decir además, que existirán perfiles eficientes e ineficientes para un objeto. Esta eficiencia se medirá con ciertos coeficientes, llamados de arrastre (Cd). Así, por ejemplo, para una esfera se tendrá un coeficiente de 1.3 y para una gota de agua uno menor a 0.1.

Por los motivos mostrados, nuestro objetivo se concentrará en disminuir la fuerza de arrastre mejorando los factores analizados. Es decir, principalmente la fricción en superficies rugosa y así como también el área frontal del objeto.

Aerodinámica en automóviles...

La aerodinámica en los vehículos que es de gran importancia, debido a que sus principales fuerzas de oposición a su movimiento están relacionadas con el diseño y la forma de este. La evolución de la aerodinámica en los automóviles viene dada desde los años 30, anterior a esto la industria estaba centrada a aumentar la velocidad mediante la potencia y la cilindrada, también estaban enfocados a la estética y en que en el se pudiera transportar pasajeros.
En estos años el coeficiente debido a su forma bastante cuadrada estaba alrededor de 1.5, lo que significaba grandes consumos de combustible y pocas velocidades, Chrysler tomando en cuenta lo anterior investigo como afectaba el viento al automóvil desarrollando para esto el famoso “Túnel de Viento”, el cuál demostró que los automóviles se diseñaban a la inversa de cómo se venia haciendo, es decir los modelos con parachoques y capots muy largos jugaban en contra, aumentando la fuerza que se oponía al movimiento, por lo tanto la idea y los trabajos posteriores fue desarrollar automóviles con la forma de una gota de agua cuando se deforma al caer, con este diseño se logro reducir enormemente el coeficiente aerodinámico del los automóviles.

Fuerza aerodinámica = 0.5dAV^2Cx

Hoy la forma redondeada de un automóvil es muy importante y valorada, los coeficientes han bajado hasta alrededor de 0.3 en automóviles deportivos de calle, pero lo mas importante es el ahorro de combustible que significa tener menos fuerza de oposición de al movimiento. hoy en día esta en boca de todos el tema energético siendo la aerodinámica importante para lograr mayores rendimientos en los vehículos y así obtener menor consumo de combustible.
Existen otras fuerzas que se oponen al movimiento, como es la fuerza de rodadura.
Aunque el diseño no solo nos interesa para el coeficiente aerodinámico, en los automóviles existe una fuerza llamada de sustentación, la cuál es fundamental para la estabilidad del vehiculo, esta fuerza depende tanto de la densidad del aire, del cuadrado de la velocidad y del coeficiente de sustentación. Tal como vimos antes la aerodinámica del automóvil afecta mucho a la velocidad del vehiculo, por lo cual vemos que para la fuerza de sustentación también es de suma importancia.

Fs=0.5dV^2SCz

Para una mayor sustentación buscamos que el centro de presiones quede lo más cerca posible del centro de gravedad del vehículo. Esto resulta difícil de conseguir porque a altas velocidades el flujo de aire va cambiando, modificando el centro de presiones. Para esto se han inventado diferentes accesorios que dan una mayor estabilidad al automóvil como son los alerones y las tomas de aire.

Como podemos ver la aerodinámica es muy importante para el diseño de un vehiculo, la seguridad que se debe lograr mediante la sustentación de este y el ahorro de combustible nos hacen que en el diseño la variable del coeficiente aerodinámico tome aun mas peso. Hoy en día esta en boca de todos los temas energéticos siendo la aerodinámica una pieza fundamental para lograr mayores rendimientos en los vehículos y así obtener menor consumo de combustible, por ende a contaminar menos.

Vamos por un buen camino

Luego de la clase del día viernes 11 de mayo, nos dimos cuenta que vamos por un buen camino, tal como lo señalamos anteriormente la clave de nuestro diseño debe centrar en disminuir el coeficiente de aerodinámico, como también disminuir el área frontal del ciclista, para realizar estas dos reducciones, debemos hacer algo para que el ciclista baje la altura de su cuerpo sin aumentar el ancho de el área anterior, para aquello nuestro próximo paso será investigar formas aerodinámicas...

Resistencia Aerodinámica

El aire ejerce una oposición al movimiento de un objeto. La forma del cuerpo es un factor fundamental en la determinación de esta fuerza, la que se denomina resistencia aerodinámica.
La importancia de la forma de los objetos es la que conlleva a una preocupación por el diseño de todos los vehículo, incluidas las bicicletas. Esto traerá repercusiones en la potencia que necesitaremos para llegar a ciertas velocidades, como también la estabilidad a esta velocidad.
Podemos ver como una esfera obliga al aire a cambiar de dirección, con lo que frena al objeto al presentar una fricción. Una forma cuadrangular aumenta aun más dicho efecto. En cambio un objeto con tendencia a ser plano casi no perturba al aire, con lo que sufre menos resistencia. Veamos ahora lo que nos dicen algunas ecuaciones. La fuerza de arrastre nos señala que la fuerza que ejerce es un medio de la densidad por el área por el coeficiente aerodinámico por el cuadrado de la velocidad. Esta es la fuerza que queremos que sea cada vez menor, como queremos alcanzar altas velocidades este termino no lo podemos disminuir, si no que debería a lo menos mantenerse, de la misma forma que la densidad del aire ya que este no lo podemos cambiar, nuestro enfoque y estudio por lo tanto estará destinado a disminuir el coeficiente aerodinámico y ver la posibilidad de disminuir el área frontal del conjunto (bicicleta + ciclista), por ultimo intentaremos hacer que el flujo turbulento que se forma detrás del ciclista se vuelva laminar.

La fuerza de sustentación tan importante en el diseño de los vehículos motorizados, no lo tomaremos en cuenta, debido a que creemos por ahora que la velocidad alcanzadas por las bicicletas son pequeñas comparadas con los automóviles, por lo tanto no nos preocuparan.

Para poder lograr este objetivo, necesitaremos de algún modo medir el coeficiente aerodinámico inicial, para esto mediremos la potencia alcanzada por un ciclista común, como también el peso total y el área formada por ciclista + la bicicleta.

Por ahora nos queda tomar los datos para analizarlos....