Nombre 1: Matías Silva
Nombre 2: Cristian Tapia
Nombre 3: Pablo Vogel
Nombre 4: Eber Mura
RESUMEN EJECUTIVO
Principales Resultados del Proyecto
El coeficiente de arrastre consta de dos factores fundamentales, los que quedan mejor representados en la siguiente relación:
Cv: coeficiente de velocidad
Cf: coeficiente de forma
De ambos factores, el que se modificó fue el de forma, adoptando un nuevo frente para la bicicleta así como también un nuevo contorno en parte de esta, de tal manera de poder cubrir otros factores perjudiciales como el de separación. Los resultados de la confección artesanal del prototipo, fueron de alta calidad en cuanto al diseño y terminaciones esperadas, cumpliendo con las dimensiones estipuladas por las bases. La fácil colocación del dispositivo hace que cualquier persona pueda aprender rápidamente a instalarlo.
Para evaluar si efectivamente, el prototipo cumplió con los resultados esperados, nos valimos del siguiente procedimiento: se delimita una pista para la bicicleta; para una misma persona se cronometra el tiempo en cruzar la pista sin y con el dispositivo. Se calculan las velocidades para cada caso.
Los resultados obtenidos para el procedimiento se presentan resumidos en las siguientes tablas:
Tabla 1
Tabla 2
Según lo mostrado se nota una reducción en los tiempos de recorrido. Si suponemos para ambos caso que la persona gasta una energía similar, y la velocidad aumenta entonces inferimos que se redujo la fuerza de arrastre. Por lo tanto cumplimos con nuestro mayor objetivo, la reducción aunque sea mínima de dicha fuerza.
Competencias y Habilidades Desarrolladas
En nuestro parecer, creemos que se pudo reforzar distintas facetas del trabajo grupal e individual para cada integrante. En referencia a lo individual, cada persona se preocupó de poder aportar por medio de su investigación, aunque fuera pequeña, ideas que si bien quizás algunas no eran novedosas nos servían para ir complementándolas con otras para poder construir una más sólida.
Por otra parte con respecto a lo grupal, sabíamos que cualquier idea vaga no nos serviría, así que se fomentó el espíritu crítico, es decir, el análisis crítico de las ideas para ir de manera objetiva, recogiendo las ideas de mayor capacidad funcional.
Para este análisis parte esencial fue nuestro apoyo en la teoría de la mecánica de los fluidos, nos sentó las bases para saber y poder comprender por donde comenzar con el prototipo. Además, se pudo comprender el por qué de la ocurrencia de ciertos fenómenos. Se analizó cuales son los factores que interviene en la fuerza de arrastre, a través de un análisis global, aplicando la segunda ley de Newton orientada a los fluidos. Además se pudo, comprender como influye el flujo en que se ve envuelto el objeto ya se laminar o turbulento, en la magnitud de la fuerza de arrastre. Por último, la comprensión del fenómeno de separación, con su capa límite y como preverla con una adecuada forma frontal.
Esto nos da a entender que no se necesitan grandes complicaciones para aplicar los conocimientos, sino que basta con sólo meditar un poco en lo cotidiano para darnos cuenta que se necesitan aún grandes mejoras, lo que llamamos el conocimiento práctico.
DEFINICIÓN DEL PROYECTO Y PROCESO DE DISEÑO
En la actualidad y dado el marco de acontecimientos mundiales en que estamos viviendo, se ha tornado de vital importancia el desarrollo de instrumentos que nos permitan ahorrar energía. Es por esto que una de las principales iniciativas a nivel mundial por parte de los distintos gobiernos, ha sido la de promover el uso de las bicicletas. En ciudades bastamente urbanizadas, se ha vuelto una necesidad la construcción de nuevas ciclo-vías para satisfacer la demanda de usuarios. Si bien, las velocidades que se desarrollan en ciudad, no suelen ser muy altas, es apropiado considerar y preocuparse por optimizar este particular medio de transporte.
Una de las cuestiones a analizar al respecto, es la de cómo poder hacer que el ciclista se mantenga a cierta velocidad ocupando un mínimo de energía, en la ejecución del ejercicio. La fuerza de arrastre, producto de la interacción de la bicicleta con el aire, es la responsable del mayor gasto energético para una cierta velocidad, o equivalentemente una menor velocidad para una potencia dada.
Resulta impreciso poder medir el gasto energético para una persona, por lo que nos abocaremos a mejorar las condiciones aerodinámicas de una bicicleta midiendo su velocidad luego de las modificaciones, de tal manera de poder mejorar su rendimiento potencia/velocidad.
Es por esto, que nuestro objetivo se centrará en reducir la fuerza de arrastre del conjunto bicicleta-ciclista, modificando algunos de los factores involucrados en ella.
Para esta iniciativa, el proceso de diseño para dar una solución al problema, fue el siguiente:
· Análisis del problema
· Identificar factores influyentes en la fuerza de arrastre
· Análisis de los factores y posible modificación
· Vialidad de la modificación
· Definición plan de trabajo
· Implementación de la solución
· Mediciones de la calidad de la implementación
De esta manera, es como pretendemos dar la solución al problema expuesto, apoyando nuestras decisiones con la teoría de los fluidos, como una guía que nos permite dar pasos fundamentados, lo que se ve claramente marcado en la identificación y análisis de los factores influyentes en la fuerza de arrastre.
IDENTIFICACIÓN DE METAS Y DIFICULTADES
Al aproximarnos a la parte final del proyecto, en donde nos acercamos a la concreción del prototipo, nos son bastantes claras las metas que queremos alcanzar para su construcción. Por otro lado, las dificultades si bien intuitivamente se pueden reconocer algunas antes de la puesta en marcha del plan de trabajo, la mayoría se fue presentando en el camino.
Dado el análisis hecho en los inicios del proyecto, nos fue posible apreciar los puntos que se señalan a continuación:
· Identificar los factores que intervienen en la fuerza de arrastre.
· Distinguir cuales de ellos podemos modificar con mayor eficiencia.
· En base a ello, realizar propuestas para dicha modificación.
En la fuerza de arrastre interviene el llamado “coeficiente de arrastre”, el cual esta conformado de la siguiente manera:
Donde, Cv corresponde al coeficiente de velocidad el cual depende del flujo que lleve el fluido. Mientras mayor sea la distorsión en las velocidades antes y después de interceptar al objeto en cuestión (en nuestro caso la bicicleta), mayor será el coeficiente. Entonces, podemos decir que tal coeficiente dependerá del número de Reynolds o de las condiciones de flujo del sistema, que relaciona entre otras cosas, la masa específica del fluido, su velocidad y viscosidad.
Dicho esto podemos observar que ninguna de las variables involucradas en este coeficiente nos es posible modificar tácita y permanentemente, ya que esto es arbitrario de la zona con su respectiva condición climática.
Por otra parte, se tiene también el segundo factor involucrado Cf, el cual corresponde al coeficiente de forma. Este coeficiente, depende como su nombre lo indica de la forma que tiene el objeto. Es por esto que será primordial averiguar la forma precisa que minimice en lo posible este coeficiente así como también para evitar a lo sumo el fenómeno de separación.
Por lo tanto, nuestros objetivos son:
Reducir el coeficiente de arrastre, mediante:
1. Definir e implementar una forma adecuada para el frente de la bicicleta, de manera que minimice el coeficiente forma de manera permanente.
2. Velar porque dicha forma también cumpla con un mínimo fenómeno de separación
3. Implementar un dispositivo no solo en el frente sino además en el contorno de la bicicleta, para disminuir la estela, que como producto del fenómeno de separación, trae como consecuencia un mayor arrastre.
Cabe hacer notar, que en nuestros objetivos no decidimos enfocarnos en el área frontal del ciclista ya que esta puede reducirse con el simple hecho del cambio de posición del ciclista. Mas bien este dato lo utilizamos como algo conocido y que debería usarse desde un principio. Además, tampoco quisimos direccionarnos en mejorar una bicicleta de carreras, sino como se dijo anteriormente, a un dispositivo de posible uso para cualquier ciclista aficionado interesado. Por tanto, no podemos pedir que dicho ciclista mantenga todo el tiempo una posición extremadamente agachada.
Es preciso mencionar que el prototipo fue diseñado para mantener o conservar el área frontal promedio de una persona de contextura normal, no para reducirla, ya que esto dependerá de la posición del ciclista, y lo que nosotros buscamos es un a condición de mejoría permanente.
Las dificultades que se nos presentaron en una primera instancia fueron de análisis, posteriormente surgieron a medida que avanzábamos en la confección. Se resumen, a continuación:
Dificultades analíticas:
Investigar una forma óptima para mejorar el frente de la bicicleta.
Elegir el modelo y adoptarlo para plasmarlo en la plumavit.
Dificultades técnicas:
Luego de adoptar la forma, traspasarla lo mas fielmente posible a la plumavit.
Como moldear la plumavit.
Como disminuir la rugosidad resultante en la superficie, para no producir una mayor fricción con el aire.
Ajustar el modelo a la bicicleta.
ORGANIZACIÓN Y FUNCIONAMIENTO DEL GRUPO DE TRABAJO
La organización del proyecto y como se mencionó en los inicios de éste, se estableció a manera de tareas fijadas de forma voluntaria. Cada aspecto que se abordó en la organización se detalla a continuación:
Dados nuestros objetivos, se destacan las siguientes tareas:
1. Indagar sobre la mejor forma para modificar el coeficiente de arrastre.
2. Al tener en nuestras manos los materiales del prototipo, considerar la mejor opción para trabajar la plumavit, teniendo en cuenta nuestras limitaciones en cuanto a costos normados y para reducir en lo máximo posible las imperfecciones en la superficie del material que pudieran ser causa de arrastre.
3. Revisar el posible uso de otros materiales de baja densidad y fricción para su uso en el recubrimiento del contorno de la bicicleta.
4. Permanecer en una constante búsqueda de nuevas ideas o aportes, para la mejora del proyecto.
5. Realizar un análisis teórico-práctico de la solución planteada.
6. Finalmente, verificar si la solución implementada cumple con nuestros objetivos
Responsabilidades por cada miembro del grupo:
Matías Silva (4), (5), (6)
Cristian Tapia (3), (5), (6)
Pablo Vogel (2), (5), (6)
Eber Mura (1), (5), (6)
Con respecto a las debilidades de las cuales nos percatamos en la primera parte del proyecto, creemos que a medida que se avanza y se trabaja en él, se van descubriendo otras nuevas falencias de las cuales estábamos en ignorancia; más para poder completar el trabajo de forma satisfactoria las abordamos de manera grupal, y las pudimos sobrellevar.
Como se había mencionado en primera instancia, una de nuestras debilidades fue el no tener la certeza de la vialidad que podían tener nuestras soluciones tanto en costo como en implementación. En esta segunda parte, teniendo claras las alternativas de uso de materiales, nos quedo claro en qué nos teníamos que enfocar.
Claro esta, que ningún trabajo en conjunto esta exento de dificultades y discrepancias, sin embargo, si se saben aprovechar bien esos desacuerdos se transforman fácilmente en importantes aportes.
ALTERNATIVA SELECCIONADA Y PLAN DE TRABAJO
Como se hizo notar la fuerza de arrastre, tenía componentes que nos eran posible modificar y otros que no. El coeficiente de arrastre era uno de los modificables y como fue planteado, la prioridad en nuestros objetivos fue la de reducir este coeficiente. Esto lo lográbamos mediante el cambio del coeficiente de forma, de manera que el flujo que se esperaba lograr en el paso fluido fuera laminar y no turbulento.
Alternativa Seleccionada
Se abordó el problema del frente de la bicicleta dándole la forma adecuada, con los materiales que se encontraba a nuestra disposición; además, para hacerle frente al problema de separación y evitar posible remolinos en la parte posterior del conjunto bicicleta-ciclista, decidimos confeccionar e implementar alrededor de dicho conjunto una configuración mas completa y terminada. Una descripción gráfica de lo dicho, se muestra a continuación:
Desventajas
Como sabemos el área frontal del objeto en cuestión es de gran relevancia para nuestra investigación. Por esta causa, se intentó realizar un área frontal modificable, dependiendo de los requerimientos de cada usuario. No obstante, para ciertos casos, el área se ve ínfimamente elevada para ciertos ocupantes, lo que significa una desventaja particular para ciertos casos. No fue nuestra intención el cubrir todos los casos desde un comienzo, sino que si en algún momento se quisiera masificar, habría que crear dispositivos a la medida para cada caso.
Ventajas.
El dispositivo creado, se adapta a una amplia variedad de usuarios. La forma creada es de uso permanente en la bicicleta, pero a la vez se puede retirar y poner con facilidad.
IMPLEMENTACIÓN
Luego de las evaluaciones técnicas realizadas por el equipo, nos dimos cuenta de que una de las mayores dificultades, para llevara cabo el proyecto “en el momento de”, fue la de moldear la plumavit, ya que después de muchas pruebas es que logramos dar con la herramienta necesaria para poder además de dar la forma, que fuera con la menor pérdida de material y reproducir lo diseñado lo mas fielmente, teniendo en cuenta que debíamos considerar la simetría del prototipo. La técnica implementada, fue la de las espátulas calientes (ya que no nos fue posible conseguir métodos eléctricos para cortar), lo que consistía, como su nombre lo indica en calentar un par de espátulas en base a la llama producida a gas, y de ahí cortar hasta donde nos permitiera el intercambio de calor. Luego seguía un continuo recalentamiento de las espátulas para terminar con el emparejamiento de la superficie.
Todo el proceso extenuante experimentado, si bien resultó con algunos atrasos en nuestra cronología, debido principalmente a incompatibilidades con nuestros horarios, creemos que si cumplimos con lo que nos propusimos en un principio como nuestro plan de trabajo.
Evaluación de desempeño
Las pruebas efectuadas para comprobar la efectividad del dispositivo, fueron minuciosas pero a la vez simples. Estas consistieron en:
Montar la bicicleta con el dispositivo instalado, y realizar una prueba de velocidad en un cierta distancia medida para un mismo ciclista. Después de varias repeticiones, promediamos los datos obtenidos resultando lo siguiente:
Tabla
Conclusiones
La comprensión de los fluidos y su estudio a través de la mecánica, ha traído a la humanidad importantes avances principalmente en los medios de transporte. Por tanto, consideramos de gran valor que a la par de un estudio de la teoría de los fluidos se establezca un conocimiento práctico, y principalmente orientado a lo que todos en el mundo hoy fijan la mirada: los medios de transportes, más aún cuando sabemos los problemas energéticos que atraviesan distintos países en el mundo incluso a nivel local.
En el prototipo confeccionado, comprobamos empíricamente que la velocidad, si bien de forma leve, aumenta. Si consideramos que la potencia que ejerce la persona es constante para las pruebas con y sin el dispositivo, podemos decir que como los demás factores de la expresión utilizada para la fuerza de arrastre permanecen constantes, el único factor que debió variar es el de arrastre. Específicamente el relacionado con la forma. Si consideramos además, que para el ciclista de turno en la experimentación, el área frontal evidenció una leve alza, entonces quiere decir que el coeficiente de arrastre disminuyó, aún más que lo dicho anteriormente.
Por lo tanto, nos es posible decir que si cumplimos con nuestras expectativas para este trabajo en cuanto a implementación y resultados, tratando de dejar constancia en nuestro desempeño en equipo la estampa de la perseverancia.
