PROTOTIPO

Implementación

Medición experimental de Variables en el modelo:

Para el cálculo experimental del modelo de la bicicleta con y sin prototipo se realizó el siguiente experimento. En un plano inclinado (calle en bajada) se hizo desplazar una bicicleta partiendo del reposo, hasta recorrer una distancia d, y medir la velocidad de la bicicleta en ese punto. Con el tiempo y la velocidad tomadas, se calculo la aceleración en ese punto.
Para el cálculo de la fuerza de arrastre se procesaron estos datos según un diagrama de cuerpo libre donde

F= Ma = Mg sen(α)-Fr-Fa (i)

donde:
M=Masa de la bicicleta
a= Aceleración
α= ángulo de inclinación
Fr= Fuerza de roce
Fa= Fuerza de arrastre

Tenemos que la masa es una suma entre la masa de la bicicleta (14kg) y la masa del ciclista (100kg), es decir, un total de 114 kg.
La distancia a recorrer por la bicicleta (d) es de 50m y para calcular el ángulo de inclinación (α) se utilizo un GPS para calcular la altitud del punto de partida y del punto de llegada. Con esta diferencia y la distancia recorrida se puede hacer una triangulación que da un ángulo aproximado de 30º.

Parte 1: Se necesita considerar el efecto de la fuerza de roce para poder calcular la fuerza de arrastre dad por la expresión citada. Por eso ocupamos el supuesto que a velocidades pequeñas se puede despreciar la fuerza de arrastre ya que esta depende de V2 (velocidad al cuadrado). Con esto y considerando un plano menos inclinado que el plano experimental propuesto, se logró obtener un coeficiente de roce aproximado µ=0.3

Con este coeficiente de roce y sabiendo que la fuerza de roce esta dada por

Fr= µ(Mg cos(α))

Se procedió a realizar el experimento:

Experimento 1: Bicicleta sin prototipo

La velocidad medida fue de 49 km/h es decir 13.67 m/s. en un tiempo de 7.5 s. Lo cual nos da una aceleración a=1.87m/s2.
Remplazando todos los datos en la ecuación (i) tenemos que
Fa1=55.16 N

Experimento #2: Bicicleta con prototipo

La velocidad medida fue de 51 km/h es decir 14.77 m/s. en un tiempo de 7.3 s. Lo cual nos da una aceleración a=2.02m/s2.
Remplazando todos los datos en la ecuación (i) tenemos que
Fa2=37.59 N

Es decir que con el prototipo se experimenta una disminución en la fuerza de arrastre de aproximadamente un 32%.
Podemos decir que si bien el prototipo diseñado tiene incidencia sobre la aerodinamicidad de la bicicleta, existen variables y supuestos en la modelación que pueden haber afectado en el resultado final del experimento. Por ejemplo las condiciones climáticas, el viento, despreciar otras fuerzas presentes, errores de medición etc.

Planificación de trabajo:

Teniendo una vez diseñado el prototipo en papel, se prosiguió a llevarlo a cabo en concreto.
Para esto se contaba con:

-Bloque de Plumavit de (100x50x30 cm)
- Huincha de medir.
- Cuchillos
- Quemador
- Pintura (témpera)
- Lija
- Brocha

El bloque de Plumavit fue suministrado por la universidad, y los materiales adicionales a comprar (témpera, lija, brocha) costaron $4,883.

Para moldear el bloque de plumavit hasta su diseño final, se ocupó la técnica del "cuchillo caliente" es decir, cortar el bloque mediante el uso de calor. Este método resulto se bastante eficiente para poder darle al plumavit la forma requerida y en poco tiempo. Aproximadamente el este trabajo tomo dos horas y media.
Luego de tener moldeado el plumavit, se procedió a lijar el modelo para luego pintarlo dejarlo en su estado final.

Para unir el dispositivo a la bicicleta, se implemento un sistema bastante simple que consiste en instalar un objeto punzante en el volante de la bicicleta en donde se ensarta el bloque de plumavit de manera tal que se mantiene rígido en su posición. Este mecanismo permita el sacar y poner de manera fácil es prototipo.

Conclusión:

Después de haber pasado por una etapa de diseño, construcción y prueba del prototipo aerodinámico, no encontramos con sentimientos encontrados.

Por un lado, satisfacción ya que el prototipo presentado cumple con nuestras expectativas y nuestras metas planteadas. Se logró disminuir la fuerza de arrastre en un porcentaje significativo (32%). Dicho resultado es importante ya que comprende un ahorro energético considerable y una resistencia mucho menor lo que hace mucho mas fácil el movimiento, en especial a grandes velocidades.

Por otro lado nos encontramos con dudas y nuevas preguntas ya que a pesar de haber obtenido buenos resultados en las pruebas experimentales, somos concientes de que los resultados pueden haberse visto afectados por errores no cuantificados en los cálculos ni en el modelo. Variables como las condiciones climáticas, el viento, el estado del asfalto, errores en mediciones y simplificaciones en el modelo pueden haber afectado en el resultado final.

Por último nos encontramos con nuevas inquietudes. ¿Qué pasaría con la fuerza de roce y nuestro prototipo haciendo experimento en otras condiciones?, ¿Qué pasaría si nuestro prototipo fuera de otro material? Un cambio de material por ejemplo podría reducir mas la fuerza de arrastre, o tal vez el no tener tantas restricciones de material podría llevar a generar un prototipo mas completo y eficiente
En el fondo, esta idea todavía se puede seguir mejorando hasta ojala llegar a una solución mucho mas satisfactoria que la obtenida. .

Elección del Prototipo

Se escoge la alternativa 1 de entre las demás ya que brinda comodidad, cubre la sección más afectada por la fuerza de arrastre sobre el cuerpo del ciclista y se logra mayor firmeza al instalar en la bicicleta.

El diseño de la cubierta viene de la idea de una punta de avión de un tamaño suficiente para cubrir la parte superior de la persona.

Descripción del diseño:

• Consta de una punta con forma de paraboloide.
• Esta punta se abre más hacia la parte superior del aparato, con el fin de tapar adecuadamente el cuerpo del ciclista.
• La ecuación que describe el paraboloide de la punta es Z=X^2+Y^2 con la modificación de que en el extremo inferior se aumenta la pendiente para encajar correctamente con la rueda de la bicicleta.

  

Dificultades y Logro de Metas

Las mayores dificultades se presentaron en el momento de moldear el pluma vit, tal como se mencionó en la primera entrega. Generar una forma redondeada y luego una figura como de punta de avión se logró cortando el material con un cuchillo caliente para los detalles y un cuchillo afilado frío para los cortes grandes.
Otra dificultad fue el cómo juntar el aparato con la bicicleta de manera sencilla. La forma más simple que se encontró fue enterrar un elemento con punta en el pluma vit, y aprovechando que este es de alta de densidad, se logra una unión firme y asequible.
La última dificultad que se tuvo se presentó cuando se intentan medir las variables, ya que se calculan las presiones a partir de la velocidad de la bicicleta (a partir de la ecuación de Bernoulli) y no usando manómetros en cada punto.

Sin embargo, las metas principales del proyecto se tuvieron claras a lo largo del proceso de investigación y producción:

- Se logró una comodidad máxima luego de colocar el aparato sobre la bicicleta.
- Fácil instalación en el vehículo.
- Se logra exitosamente cubrir la mayor parte del tronco del ciclista con el fin de disminuir la fuerza de arrastre.Se cubre también el marco de la bicicleta (efecto casi despreciable en los resultados, pero se aprovecha el pluma vit dado) para evitar el efecto de separación producido por este.

- Se logra una buena visibilidad, pues el ciclista queda a una altura moderada al agacharse y quedar con los ojos sobre el aparato.

Resumen Ejecutivo del Proyecto

Principales Resultados:

Sin duda, las metas del proyecto fueron logradas de acuerdo a lo estipulado en la primera entrega, tales como la comodidad, fácil instalación o forma aerodinámica que disminuya en cierto grado la fuerza de arrastre sobre el cuerpo del ciclista, sin embargo el cambio de velocidad que genera el aparato no es un valor muy significativo (tomando en cuenta que la prueba de velocidad se hizo en un plano inclinado y que el ciclista igual se puede agachar sin el aparato) y por ende, el cambio en la fuerza de arrastre tampoco. Eso si, si nos ambientamos por ejemplo en las competiciones, donde cualquier ayuda sirve, entonces si se puede tomar en cuenta el cambio de la fuerza de arrastre que genera la cubierta de pluma vit.

Se redujo la Fuerza de arrastre en la Bicicleta en un
32%

También, se debe tener presente que el prototipo fue producido con un trozo de pluma vit de alta densidad de 0.5x0.3x0.5mts de tamaño, siendo la mitad del material proporcionado por el departamento de Ingeniería Hidraúlica. Con esto se cumple a cabalidad el requisito de tamaño, aunque talvez podría haber sido 10 cm màs ancho para poder cubrir la totalidad del cuerpo del cliclista. Gracias al tamaño reducido del aparato es bastante fácil de instalar solamente enterrando un objeto con punta en el pluma vit con lo que queda firme al ser material de alta densidad.


Competencias y Habilidades Desarrolladas:

Durante el proceso de la investigación preliminar y de la misma producción del aparato, se puede decir que hemos aprendido que la mecánica de fluídos se puede ver de manera mucho más explicativa de forma práctica, estando presente en la mayoría de los medios de transportes con el fin de optimizar recursos y lograr mayores velocidades (ahorro de tiempo). Además, a medida que se va pensando en las propuestas de diseño del prototipo, vemos que llegamos a formas ya usadas en otros medios como motocicletas, autos, aviones. Es por esto que tal vez, más que innovar, se puede decir que logramos explicar con téoría vista en clases los más tecnológicos modelos de aerodinámica, estando en posición de poder opinar sobre estos o incluso modificarlos para un mejor desempeño. Por ejemplo, podemos explicar la relación entre la forma y la fuerza de arrastre, como también poder dibujar las líneas de corriente aproximadas de un vehículo, o por último, estar en condición de analizar empíricamente la relación entre velocidad, altura y presión (Bernoulli).

Propuestas

Como grupo nos vimos enfrentados a una etapa de diseño donde tuvimos que poner sobre la mesa los conceptos aerodinámicos estudiados, alternativas ya existentes para el problema, restricciones del problema y nuestro ingenio para poder llegar a elaborar posibles soluciones.

Las soluciones a las que llegamos estan basadas en reducir el impacto que tiene el aire sobre el conjunto bicicleta-ciclista en la zona del torso superior del ciclista. Es decir entre la cadera y los hombros. Lo que se busca con esto es reducir la resistencia que hace el aire y con esto disminuir los efectos de la fuerza de arrastre y el efecto de separación.

A continuación presentaremos los distintos prototipos ideados:

Alternativa 1): Air Shield Bike



Ventajas
o Nariz frontal que corta el viento alejándolo de la zona de mayor resistencia.
o Aletas con punta para reducir efectos de separación y turbulencias.
o Superficie diseñada para reducir fuerza de arrastre.
o Cubre la toda la zona del torso.
o Fácil de acoplar al marco
o Marco cubierto con Plumavit para evitar efectos transversales

Desventajas:
o Se pierde aerodinamicidad por las piernas
o Puede afectar la visión. (corregible con una mica de visor)
o Dificultad de moldear el plumavit.

Alternativa 2): Back & Forward Air Bike

Ventajas
o Reduce la resistencia del aire de corriente frontal.
o Nariz frontal diseñada para cortar el aire sin generar turbulencias
o Pieza trasera para evitar turbulencias en la parte posterior.
o Extremos de aletas en forma de punta para reducir efectos de turbulencias.
o Marco cubierto con plumavit para evitar efectos transversales.

Desventajas:
o Parte trasera genera mayor resistencia debido a acumulación de bajas presiones.
o Se necesita mas material para que el efecto deseado sea satisfactorio sin descuidar la delantera.
o parte trasera generas mas problemas que los que soluciona.
o Difícil de acoplar.


Alternativa 3):Thigh-air-free Bike
Ventajas:

o Nariz frontal aerodinámica que desvía el aire de la zona de mayor resistencia.
o Aletas superiores e inferiores que desvían el aire del torso y de los muslos.
o Aletas superiores e inferiores terminan en puntas para evitar problemas de turbulencias
o Disminuye el arrastre y la separación del fluido desplazado.
o Área del torso queda bien cubierta.

Desventajas:

o Dificultad para moldear el plumavit de esta forma.
o Incomodidad para pedalear.
o Difícil de acoplar al marco.
o Puede generar inestabilidad dada su envergadura
o Poco resistente a corrientes de altas velocidades.

De las posibles soluciones diseñadas, la mas convincente es el Diseño # 1 ya que esta enfocado principalmente a reducir la oposición al viento en la zona mas afectada. Se podrá hacer mejor uso del material, y la estructura quedara mas sólida dándole mas estabilidad a la bicicleta para maniobrar a mayores velocidades.

Metas y Dificultades

Luego de investigar sobre las variables que intervienen, cálculo de estas variables, aplicaciones en otros vehículos y posibles soluciones, podemos redondear un poco lo que queremos lograr con el aparato a contruir e identificar lo que nos va a ser dificil concretar tomando en cuenta las restricciones del proyecto:

METAS:

• Contruir un aparato que diminuya la fuerza de arrastre sobre el ciclista. Es decir, queremos cubrir el cuerpo del ciclista con algún tipo de forma aerodinámica para que el flujo del aire no choque directamente con la persona.
• Dismiuir el flujo de aire que pasa a traves de los marcos de la bicicleta para evitar turbulencia tapando estas secciones con el plumavit proporcionado.
• Lograr que el aparato sea cómodo para el ciclista y con una buena visibilidad, ya que esta forma aerodinámica puede que entorpezca un poco la visión del camino.

DIFICULTADES:

• Viendo las posibles alternativas de la forma aerodinámica, va a ser bastante complejo lograr moldear el plumavit de acuerdo a lo que se quiere.
• Lograr acoplar el aparato eficientemente y de manera firme para que no se suelte al andar a grandes velocidades.
• Encontrar una manera original de contruir el aparato para evitar posibles coincidencias con otros grupos, pues es muy posible que todos hagan algo parecido para disminuir la fuerza de arrastre.
  

FUNCIONAMIENTO DEL GRUPO:

En el desarrollo de la primera entrega pudimos identificar aspectos en que podemos mejorar para la entrega final:

Tomando en cuenta estas ventajas y desventajas, podemos recomendarnos a nosotros mismos ciertas ideas para que el trabajo sea más eficiente en la siguiente entega (final):

Recomendaciones:

- Juntarse para definir el diseño definitivo.
- No separar más el trabajo.
- Construcción del aparato entre todos.
- Búsqueda de materiales coordinada.
- Comenzar construcción lo antes posible para evitar problemas a último minuto(siempre hay).

Siguiendo estas recomendaciones podemos definir los pasos a seguir desde ahora:

Pasos a seguir:

-Conseguir bicicleta a usar.
-Diseñar de manera definitiva.
-Encontrar forma fácil de moldear pluma vit.
-Definir método de acoplamiento.
-Construir.