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.

Medición de variables importantes

Como medir:

• Velocidad: Se puede colocar en una de las ruedas de la bicicleta un dispositivo que cuente la cantidad de vueltas que da la rueda en un intervalo de tiempo, de esta forma se puede conocer la velocidad angular de la rueda y conociendo el radio de ésta se puede obtener la velocidad de la bicicleta. Una forma más fácil de medir la velocidad es tomar el tiempo que se demora el ciclista en recorrer una distancia determinada.



• Fuerza de Arrastre: Esta fuerza va a ser proporcional al área frontal del cuerpo, a la densidad del aire y al cuadrado de la velocidad del ciclista. Matemáticamente se puede expresar como:

Podemos determinar el valor de CD para un ciclista erguido como 1,1 segùn estudios previos.

• Presión en un punto: A partir de la ecuación de Bernoulli es posible determinar la presión en un punto conociendo la velocidad y densidad. podemos despreciar z si igualamos 2 puntos a la misma altura, y considerando un punto con v=0 y P=Patm. Se puede determinar P en el ciclista como

Tambièn podemos medir la presiòn directamente con múltiples aparatos como sensores de presión piezoeléctrica, traductores de presión magnétioca o sensores de presión ópticos. Los más recomendados son estos últimos que destacan por su mayor grado de certeza, larga duración y bajo mantenimiento.

Aerodinámica en otros Vehículos

La aerodinámica ha sido estudiada por mucho tiempo en los vehículos con carrocería como automóviles, motos o aviones para poder aprovechar el flujo de aire en ciertas áreas específicas.

A continuación mostraremos la utilidad que tiene la aerodinámica en los automóviles de competición (Formula 1), automóviles convencionales y motros:

Aerodinámica en la Fórmula 1:

Como ya sabemos de la información sobre la fuerza de arrastre y del comportamiento areodinámico, la forma perfecta de un cuerpo que se desplaza en el aire es la de una gota. Sin embargo, al analizar las necesidades de la Fórmula 1, los requisitos poco tienen que ver con esta idea de "gota" pues se buscan otros resultados del paso del aire por encima de una carrocería. En el pasado, los carros tuvieron este perfil redondo adelante y que terminaba como una flecha atrás. Hoy son casi al revés, ya que se intenta aprovechar al máximo el flujo de aire en otros aspectos.
En un auto de Fórmula 1, los ingenieros buscan cosas diferentes a las ya mencionada, como poca resistencia al avance, generar un mayor apego al suelo usando la corriente de aire por sobre la carrocería y enfriar el motor canalizando el flujo por los radiadores. Es decir, se busca aprovechar al máximo la potencia del motor disminuyendo la resistencia al avance y ,por otro lado, se busca pegar el automóvil al suelo par alograr mayor estabilidad.

Por ejemplo, podemos nombrar tres componentes importantes de estos autos que buscan cumplir con los objetivos mencionados anteriormente:

ALERÓN TRASERO: Esta pieza puede llegar a ejercer una fuerza de 6000 N hacia abajo gracias al flujo de aire a gran velocidad.

ALERÓN DELANTERO: Además de los dos planos horizontales, tiene gran cantidad de lengüetas laterales para alejar el aire de las ruedas, que son elementos perturbadores del flujo.

CAPOT: Debe tener una forma muy corta y bajar rápidamente para no interferir con el flujo hacia el alerón trasero.

Una de la maneras más interesantes para estudiar estos efectos es el "Túnel de viento", en donde se puede colocar elautomóvil en una corriente de viento a alta velocidad (300km/h) para simular que el auto se encuentra corriendo.

Automóviles convencionales:

En el ámbito de los autos urbanos, también existe una pelea entre las marcas para lograr formas que mejoren el desempeño del automóvil, como el ahorro de combustible o el uso de motores menos potentes (disminuir resistencia al avance). Estos automóviles deben lograr disminuir esta fuerza de arrastre con lo que se busca la forma para evitar tales fuerzas.

Como ya dijimos, la forma que más se acomoda a la forma aerodinámica perfecta es la de una gota, pero que es dificil de reproducir en la práctica ya que se sacrifica el confort y tal vez la estética del automóvil. Anteriormente se hacían automóviles que no seguían este modelo, creando autos con capots largos y anchos, aumentando el área frontal, y por ende, aumentando la fuerza que se opone al movimiento. En estos últimos años se ha comenzado a investigar de manera seria este aspecto en los automóviles convencionales gracias a la crisis enérgetica que se está generando en todo el mundo.

Motos:

Analizar la aerodinámica en las motos nos será de gran ayuda para entender lo que debemos lograr con el aparato que contruyamos, ya que los efectos producidos por el aire son similares que en una bicicleta. La única gran diferencia, es la velocidad a la que se viaja, tomando entonces que la resistencia al avance es mucho mayor al andar en una moto que en una bicicleta.

Esta diferencia de velocidad produce que se intente continuamente lograr formas aerodinámicas en la carrocería de las motos para disminuir la fuerza de arrastre. Es por esto que podemos sacar ideas de los distintos tipos de carrocerías de motos para idear una forma que cubra al ciclista y disminuya la fuerza de arrastre, desviando el flujo de aire hacia los lados de la persona.

A este pedazo de carrocería que va en la parte delantera de una moto para cubrir al motociclista se le llama "carenado" y lo llamaremos así para no seguirle llamando "forma aerodinámica en la parte anterior de la bicicleta".

Sin embargo este "carenado" no hace todo el trabajo solo. Debe ir acompañado de un gran aporte del ciclista, adoptando una adecuada posición corporal, para que el carenado, efectivamente, cubra la parte superior del cuerpo.

En la siguiente Figura podemos apreciar como el piloto se esconde casi totalmente detrás del carenado para aprovecharlo.

Fuerza de Arrastre

En el estudio de la Aerodinámica, existen distintas fuerzas que actúan cuando un objeto en movimiento se desplaza a través de un fluido con cierta viscosidad. Estas fuerzas determinan el movimiento del objeto y se pueden clasificar según su dirección y su procedencia. Gracias a ellas es que hoy en día aviones de grandes masas pueden volar, autos de Formula-1 pueden maniobrar a altas velocidades, bicicletas pueden mejorar su rendimiento, etc.

Fuerza de Arrastre:

Ocurre cuando un flujo de corriente se mueve a una cierta velocidad V con respecto a un objeto (móvil) y genera efectos de fricción sobre la superficie de éste. Esta fuerza actúa en sentido de la velocidad del fluido, es decir es paralela al flujo, y corresponde a la resistencia que sufre el cuerpo al tratar de moverse por el fluido.
Esta resistencia surge cuando hay contacto directo entre el fluido y la superficie del móvil (efecto piel).La suma total de todas las fuerzas provocadas por esta interacción es lo que produce la fuerza de arrastre que tiene que romper un objeto para comenzar a moverse.


Fuerza de Sustentación y efecto Suelo:

Fuerza que se genera cuando un objeto en movimiento enfrenta un flujo de corriente y los separa en dos corrientes. Una corriente que sigue arriba del objeto y otra corriente que se desvía por debajo del objeto. Esta división del fluido en corrientes superiores e inferiores, genera un gradiente de presiones entre los lados del objeto. Si las presiones del flujo inferior son mayores que las del flujo superior, surge un fuerza neta resultante hacia arriba lo cual empuja al objeto a subir. Gracias a esta fuerza es que los aviones pueden volar. Un factor importante en la magnitud de esta fuerza es el "ángulo de ataque" con el cual el objeto se enfrenta al fluido. Entre mayor sea este ángulo, mayor va a ser el efecto de sustentación, pero si llega a superar un cierto valor crítico, su efecto es contraproducente.

Por otro lado, cuando el gradiente de presiones se da de manera inversa, es decir que las altas presiones se dan en el flujo superior, la fuerza neta resultante tiende hacia abajo, empujando al objeto a descender. Este efecto se puede ver aplicado en autos de fórmula 1 u otros dispositivos aerodinámicos. Esta fuerza es la que permite que los autos puedan correr a mayor velocidad con mayor maniobralidad.

Efecto de separacion:

Este efecto surge a partir de la fuerza de arrastre. Dadas las caracteristicas geométricas del objeto en movimiento el aire o el fluido desplazado trata de volver a su posición original despues de su interacción con el móvil. Este desplazamiento de corrientes, genera en primer lugar un vacio en la estela del objeto. Este vacio se puede aprovechar por otro objeto en movimiento que al desplazarse en la estela, no se ve afectada por la resistencia del aire y por ende su movimiento es mas facil. Ejemplo de esto es el vuelo de las aves en forma de V o las estrategias de los ciclistas para competiciones. Por lo tanto cuando varios objetos se encuentran en movimiento por un fluido, la separacion permite que su desplazamiento en conjunto requiera menos fuerza.

Por otro lado, cuando el movil se mueve cortando el viento, este efecto de separacion genera un gradiente de presiones que dificulta el movimiento dado que se forma un vacio en la estela del objeto. Por ende para evitar este problema, se debe diseñar una forma que permita que el aire desplazado vuelva a su posición original sin generar tantas turbulencias o diferencias de presiones.

Comportamiento Aerodinámico de una Bicicleta

El roce aerodinámico se produce por la colisión entre el móvil, en este caso la bicicleta con el ciclista, y las moléculas que componen el aire. Esto produce una fuerza normal a la superficie de choque. Cuanto mayor sea la rapidez del ciclista mayor será la fuerza normal que se ejerce.

Para la fuerza de roce aerodinámico la ecuación que aproxima bien la realidad es donde, A es la superficie de contacto entre el aire y la bicicleta-ciclista, "v" es la rapidez que lleva la bicicleta-ciclista y K es una constante de proporcionalidad.

Figura N°1 muestra que los cuerpos tubulares, experimentan una resistencia aerodinámica media.
Figura N°2 muestra la forma de ala de avión que minimiza la resistencia aerodinámica.
Figura N°3 muestra cómo los objetos planos con aristas marcadas, como una caja, experimentan una elevada resistencia al avance.

Por lo tanto de la ecuación notamos que a mayor área de contacto normal al aire y a mayor velocidad del móvil, la Fuerza de Roce Aerodinámico, aumenta lineal y exponencial respectivamente. Esto es el empuje del viento sobre una superficie plana perpendicular a él.

Es decir, la resistencia del aire es directamente proporcional a la superficie y al cuadrado de la velocidad.
compuesto por bicicleta-ciclista puede estudiarse de forma aproximada con la fórmula anterior, ya que gran parte de la bicicleta está construida por tubos cilíndricos como los neumáticos, los rayos, el marco y, en el caso del ciclista la cabeza, el cuello, los brazos, las piernas y el tronco pueden aproximarse a formas geométricas cilíndricas.

Así, en la ecuación de empuje del aire que expresamos anteriormente, sería la rapidez relativa del móvil con respecto al aire, y la superficie del móvil expuesta al aire.
Por ejemplo, para los ciclistas de competición en carreras contrarreloj se utilizan cascos que han sido modificados para alcanzar el diseño actual, en donde se ven redondeados en el frontal y puntiagudos en la parte occipital. Esto trata una cuestión aerodinámica con el objetivo de optimizar el rendimiento del móvil, en este caso de la bicicleta-ciclista, minimizando la resistencia al aire optando por la geometría del ala de avión.
La bicicleta es un móvil que esta compuesto en su mayoría por tubos de aluminio o algún otro metal liviano. Para este caso si se trata de una superficie cilíndrica convexa, como la de un tubo, la fuerza ejercida es el 60% del valor dado por la fórmula anterior.

Esto se debe principalmente a que en una superficie tubular el empuje solo cuenta en su componente perpendicular a la dirección del viento.

En la actualidad para analizar la acción real del viento sobre diferentes cuerpos se hacen ensayos en el túnel de viento (o túnel aerodinámico), ya que las fuerzas que afectarán al cuerpo en cuestión depende de la forma física del cuerpo.

En nuestro caso de un móvil compuesto por bicicleta-ciclista puede estudiarse de forma aproximada con la fórmula anterior, ya que gran parte de la bicicleta está construida por tubos cilíndricos como los neumáticos, los rayos, el marco y, en el caso del ciclista la cabeza, el cuello, los brazos, las piernas y el tronco pueden aproximarse a formas geométricas cilíndricas.

Así, en la ecuación de empuje del aire que expresamos anteriormente, sería la rapidez relativa del móvil con respecto al aire, y la superficie del móvil expuesta al aire.

Por ejemplo, para los ciclistas de competición en carreras contrarreloj se utilizan cascos que han sido modificados para alcanzar el diseño actual, en donde se ven redondeados en el frontal y puntiagudos en la parte occipital. Esto trata una cuestión aerodinámica con el objetivo de optimizar el rendimiento del móvil, en este caso de la bicicleta-ciclista, minimizando la resistencia al aire optando por la geometría del ala de avión.

Ahora teniendo en cuenta la importancia que tiene la forma geométrica del ala de avión en la minimización del roce aerodinámico, si observamos el móvil en planta (desde arriba), veremos que al desplazarse en el aire convendrá que lo haga lo más cercano a esta forma geométrica.

En la Figura N°5 observamos como la geometría en planta del móvil se asimila mejor al ala de un avión que el de la geometría tradicional de una bicicleta (Figura N°6) que tiende a ser más puntiaguda adelante, totalmente al contrario de lo descrito anteriormente.

Para darnos cuenta de lo importante que es la resistencia del aire mostramos los siguientes datos encontrados en experimentos anteriores: Al moverse en una superficie plana a 29 kilómetros por hora, el 80 por ciento de la potencia generada por la persona se gusa para vencer la resistencia que ejerce el aire. Esto lleva definitivamente a la conclusión, que para mejorar el desempeño de un ciclista estándar, hay que mejorar primero la aerodinámica del sistema bicicleta-ciclista.

Integrantes

Mientras se recolecta información presentaremos a los integrantes del Grupo 24 :

De izquierda a derecha: Juan Pablo Carrizo, Francisco Hillbrecht, Francisco Jeria, Nicolás Micheelsen.

Repartición de Tareas

Las tareas para la Entrega 1 se distribuyen de la siguiente manera:


Juan Pablo Carrizo: Administrador del Blog, Presentación PowerPoint, Aerodinámica en otro tipo de vehículos.




Francisco Hillbrecht: Medición de variables en una bicicleta, Cronología.



Francisco Jeria: Concepto de Arrastre, Aplicaciones, PowerPoint.



Nicolás Micheelsen: Comportamiento aerodinámico de una bicicleta, variables que intervienen, Análisis de costos y materiales.

Especificación Entrega 1

Para la primera entrega se debe principalmente investigar y proponer. A continuación se detalla en lo que debe consistir la primera Entrega de Avance del 23 de Mayo (00:00 hrs):

Investigación:

· Explicar el comportamiento aerodinámico de un móvil, bicicleta, que se desplaza en el aire.
· Entender en que consiste la fuerza de arrastre, el fenómeno de separación y las variables que participan.
· Averiguar cómo se ha abordado este problema en vehículos que tienen carrocería, en especial motos y automóviles.Proponer como se puede medir en una situación real de una bicicleta las siguientes variables: velocidad, presión sobre la bicicleta, o sobre el ciclista, en diferentes puntos, fuerza de arrastre total sobre el conjunto bicicleta-ciclista.

Parte Administrativa:

· Cada grupo debe presentar todos los antecedentes necesarios para realizar el proyecto. Conocer los aspectos principales del comportamiento aerodinámico de una bicicleta, las soluciones que se han dado a este tipo de problemas en otros aparatos, la forma en que piensa medir las variables que intervienen, plantear la idea general de la solución, materiales a emplear, en especial la manera en que construirán el aparato y lo colocarán en la bicicleta. En particular la presentación deberá definir:
- Aspectos aerodinámicos de una bicicleta. Variables que intervienen.
- Soluciones propuestas para problemas similares en otros vehículos.
- Propuestas para medir en el prototipo la velocidad, fuerza total y presiones.
- Fuerzas de arrastre sobre la bicicleta original para diferentes velocidades.
-Ideas generales para el diseño del aparato solicitado.Esta entrega consiste en completar un informe en el Blog de cada grupo y subir al sitio web del curso una presentación en PowerPoint, las que serán revisadas y calificadas.

Condiciones del aparato

El aparato a diseñar debe cumplir ciertas condiciones que restringen los costos, materiales y eficiencia. Es por esto que debemos explicitar lo que se pide concretamente:

Se debe proponer un sistema, materializarlo a nivel de prototipo y probarlo experimentalmente midiendo la diferencia que produce en la fuerza de arrastre el aparato propuesto comparado con la bicicleta original.
Las características generales de encargo son las siguientes:

· Debe construirse un prototipo del aparato a escala 1/1 y probarlo experimentalmente.

· El aparato debe agregarse a la bicicleta, montarse y desmontarse facilmente. No debe modificarse la bicicleta misma.

· El prototipo debe confeccionarse a partir de un volumen de plumavit de alta densidad de 1,0m por 0,5m por 0,3m el cual se puede cortar, separar y dar forma. Se pueden emplear materiales y elementos adicionales como secundarios siempre que su costo no sea significativo.

. Cada grupo conseguirá una bicicleta de cualquier tipo para realizar las pruebas.