Desarrollo Final del Proyecto

Resumen ejecutivo

El proyecto presentado para el curso de Mecánica de Fluidos consistió en crear un modelo que permita mejorar la aerodinámica de una bicicleta. Para llegar a cabo nuestro objetivo, se analizó previamente las variables que intervienen el desplazamiento del móvil, tales como el viento, la posición y el área frontal del ciclista, la velocidad, el tipo de suelo, entre otras.
Posteriormente analizados estos puntos, se procedió a indagar el diseño teórico con la ayuda de los procedimientos que modelan flujos y el efecto de estos sobre los cuerpos. En concreto se obtuvo que el modelo apropiado y que reunía las características necesarias que cumplen nuestros objetivos, fue crear un prototipo que asimile a una gota, debido que esta presenta un fuerza de fricción baja (efectos de los esfuerzos tangenciales producidos en la pared) y una fuerza de forma mínima (efecto de la presión sobre el cuerpo).
Reunidos estos aspectos, se pudo llevar a cabo un modelo experimental construido principalmente de plumavit, pegamentos y alambres.

Principales Resultados del Proyecto

El resultado obtenido en este proyecto se asemeja a lo estipulado teóricamente en nuestra presentación previa, donde logramos comprender que la forma más conveniente del prototipo, debido al flujo potencial, se debería asimilar a una gota. En consecuencia se intervino dos puntos fundamentales de la bicicleta, tales como la proa, justo enfrente del manubrio, y la parte posterior,justo detrás del asiento del conductor. Para la primera se logró crear una cúpula que se asemejara a un paraboloide, mientras tanto que para la parte posterior se remató con una punta imitando a un cono.
Por ende, con estas intervenciones se modificó el coeficiente de arrastre debido a que para lograr la misma velocidad con el modelo, se requiere una menor fuerza en comparación a la que no presenta el modelo. Esto se puede explicar con la siguiente formula ya que el coeficiente de arrastre es directamente proporcional a la fuerza

Con lo explicado anteriormente queda reflejado que se llegó al resultado esperado.

Competencias y Habilidades Desarrolladas

Para este proyecto desarrollamos habilidad de la filosofía natural (Newton), es decir traspasamos un fenómeno que se ve presente en la vida cotidiana a representarlo de una manera matemática. Por otra parte, se logró traspasar los conocimientos teóricos adquiridos durante el curso a un modelo experimental que logra satisfacer las necesidades.
Los conocimientos adquiridos antes mencionados se refieren a: equilibrio de fuerzas, ecuaciones de continuidad, Bernoulli y Euler, elementos de flujo potencial y algunos aspectos de flujo viscoso.
El desarrollo de este modelo fue gracias a una buena integridad del grupo, que en todo momento demostró buena disposición, dedicación y entrega al ciento por ciento.

Definición del proyecto y proceso del diseño

Como anteriormente se ha expuesto, el desarrollo experimental del modelo se basó en asimilar una gota interviniendo dos sectores de la bicicleta. En el sector de la proa se tuvo que lograr un prototipo que tuviese una forma de paraboloide, mientras tanto que en la parte posterior se finiquitó con un remate cónico.
En el primer caso para llevar a cabo el modelo, se trabajó con planchas de plumavit de 5 cm de espesor que fueron cortadas en forma de elipse, para ser posteriormente unidas entre sí y lograr en forma escalonada el paraboloide. En la parte trasera se trabajó de la misma forma, pero en este caso se cortaron triángulos de áreas menores para obtener en forma escalonada la silueta del cono.
Obtenidas las formas escalonadas con la plumavit, se procedió a moldear el conjunto con la ayuda de un cuchillo y luego se cubrió la superficie con papel kraft.

Identificación de metas y dificultades

Dificultades de la etapa teórica del prototipo según complejidad:
1.- Se presentaron dificultades en encontrar las ecuaciones de flujos adecuados para simular el caso de la bicicleta con y sin el prototipo.
2.- Otra dificultad fue encontrar las condiciones de borde del problema.
3.- Encontrar un valor para las constantes y sus respectivos supuestos tales como la velocidad del viento, distancia desde el ciclista a la cual la velocidad es igual a la velocidad del viento.

Las metas de esta etapa son las siguientes:
- Lograr una ecuación que simule las condiciones que presenta el problema estudiado.
- Encontrar valores para la fuerza de arrastre con el prototipo si sin él.

Dificultades de la etapa de diseño del prototipo según complejidad:
1.- Se presentaron dificultades con el diseño de la parte posterior del prototipo, pues por la complejidad que presenta la instalación de éste, nos limita el tamaño pensado anteriormente.
2.- Una de las dificultades se presento en acomodar las medidas del prototipo que se tenían, con las medidas de la bicicleta, pues existían zonas no contempladas en el primer diseño como la dimensión de espesor de las ruedas, zonas de cambio y frenos de la bicicleta.
3.- Debido a las dimensiones de la parte anterior del prototipo, se decidió por diseñar capas para luego unir todas estas y obtener la forma de gota planeada.

Las metas de esta etapa son las siguientes:
- Lograr un diseño que se adecue a nivel de medidas a la bicicleta, pero que consiga la forma deseada.
- Lograr un diseño simple, pero que cumpla su funcionalidad aerodinámica.

Dificultades de la etapa de construcción del prototipo según complejidad:
1.- Uno de las principales dificultades se encontró fue la trabajabilidad del paralelepípedo de poliestireno, donde dado su tamaño es difícil moldearlo, por ello se ha decidido en cortar este paralelepípedo en capas de espesor 5 [cm], además el paralelepípedo no cuenta con las medidas máximas del prototipo, por lo que se compro una plancha extra de poliestireno para suplir este problema.
2.- Se presentaron dificultades para cortar el poliestireno, ya que se probo cortarlo con un cuchillo, haciéndose muy lento el proceso de corte, por lo que se decidió a calentar el cuchillo, observándose que si el cuchillo esta muy caliente, el poliestireno se arruga causando problemas de acabado superficial, como el regular la temperatura del cuchillo es difícil, se decidió por desechar este método, Finalmente se observo que el uso de hoja de sierra da bastante buen resultado ya que corta de forma rápida y lisa a superficie del poliestireno, por lo que se opto por este método de corte.
3.- Una vez construido la parte posterior del prototipo, se presentaron problemas con la instalación de éste en la bicicleta, pues en ésta zona no hay marcos para fijar a través de alambre solamente, por lo que se ha decidido la instalación de palos de maqueta en los marcos de la rueda posterior de la bicicleta, palos que se unirán al prototipo, ayudando a que éste no se caiga.
4.-Un problema de la plumavit es que no se puede unir con cualquier pegamento, ya que pegamentos como el Neopren y pegamentos similares a éste carcomen el poliestireno, por lo que se hizo pruebas de unión con Colafria, obteniéndose resultados poco satisfactorios, por lo que se decidió buscar un pegamento especial de plumavit, obteniéndose mejores resultados. Además como el proceso de construcción se realizo por capas, se busco una forma de reforzar la unión de éstas, además de permitir fijar todo el prototipo a la bicicleta, con lo que se decidió el uso de alambre que atraviese todas las capas y permita amarrar el prototipo a los marcos de la bicicleta, como la plumavit no presenta roce con la superficie del manto del alambre, se ideo un método de agrandar la superficie de uno de los extremo del alambre con papel, para que tenga mejor agarre y se pueda tirar éste desde el otro extremo.

Las metas de esta etapa son las siguientes:
- Lograr cortes precisos de las diferentes capas de plumavit.
- Lograr uniones firmes entre distintas capas.
- Lograr fácil pero firme unión entre prototipo y bicicleta.

Plan de trabajo Final

Nuestro grupo esta conformado por Javier Betancourt, Maria José Catalán, Francisco Cañas y Nicolás Lillo, donde se realizaron actividades a nivel grupal y nivel particular de cada integrante, a continuación se detallara las actividades a nivel grupal y de cada integrante a nivel secuencial para el segundo informe del proyecto comprendido entre los días 12 y 19 del presente:

Actividades:

1.- Análisis del problema y búsqueda de soluciones.
2.- Identificación de las metas que se quieren obtener con la implementación del prototipo.
3.- Elección de la mejor solución para el prototipo basado en el análisis teórico y trabajabilidad con materiales disponibles.
4.- Obtención de una bicicleta para poner en práctica el prototipo diseñado anteriormente.
5.-Toma de medidas del área a utilizar en la bicicleta, y modificación a las medidas propuestas anteriormente debido a que no se tenía espesor de las ruedas, ni detalles contemplados como los frenos.
6.- Lista de materiales a utilizar para luego comprarlos.
7.- Discusión del método a unir el prototipo a la bicicleta para que tenga buen agarre y fácil colocación.
8.- Generación de plantillas en papel para marcar el área a cortar de la en el poliestireno.
9.- Corte de las distintas capas de poliestireno pues el paralelepípedo entregado era muy difícil de trabajar por su tamaño. Por ello se dividió en capas de un espesor determinado (5cm).
10.- Unión de las distintas capas de plumavit por medio de alambre y pegamento especial para poliestireno.
11.- Relleno para dar forma deseada primero con papel de diario y después con papel Kraft
12.- Unión del prototipo a la bicicleta y pruebas.
13.- Generación de informe que incluye medidas de fuerza de arrastre sobre el conjunto con y sin el prototipo, resumen ejecutivo.
14.- Desarrollo de las diapositivas.
15.- Subir el proyecto a la página.

Grupo: El grupo realizó las siguientes tareas 1, 2, 3, 6, 7, 14.
Javier Betancourt: 9, 10, 11, 12, 13.
Francisco Cañas: 5, 8, 12, 13, 15.
Maria José Catalán: 4, 5, 8, 10.
Nicolás Lillo: 5, 12, 13, 15.

Estimación de Costos

Tabla N°1: “especificación de materiales adquiridos y comprados”.

Predicción del desempeño

Creemos que con el prototipo construido se disminuirá el efecto de la fuerza de arrastre, debido a que se pensó en un modelo tal que teóricamente disminuya esta fuerza. Haciendo un estudio de todos los diseños, se decidió por el modelo de forma de gota que disminuye el fenómeno de separación. Creemos que este modelo ayudara a que las líneas de corriente no se separen del cuerpo, con lo que contribuirá a la disminución de remolinos y por lo tanto aumentara la aerodinámica del cuerpo en movimiento. Se cree que en condiciones normales (sin viento) el prototipo contribuirá en poca forma en la disminución de fuerza de arrastre, pues el efecto de esta es proporcional a la velocidad al cuadrado, por lo que creemos que el prototipo construido funcionara de mejor forma cuando se tenga viento en contra del avance o se este a altas velocidades, pues es en ese momento en que la aerodinámica de un cuerpo toma gran importancia. Además como el área en la parte posterior del dispositivo frontal de la bicicleta aumento el área de esa sección, se piensa que cuando se este en presencia de viento a favor, como es mayor el área que antes, ayudara a que aumente la fuerza de arrastre y por lo tanto la velocidad.

Cálculo de flujo potencial según ecuaciones

Para realizar una estimación de la fuerza de arrastre que ejerce el fluido sobre un cuerpo, en este caso una bicicleta con el ciclista y además un prototipo aerodinámico, se pudo suponer la forma del prototipo como la ecuación de un doblete, mientras que el viento se pudo suponer como un flujo uniforme.
Enseguida resolviendo la ecuación del flujo potencial para calcular la fuerza se reemplazaron los datos que corresponden a los siguientes:

V: velocidad del aire más la del ciclista = 6,94 m/s
r: masa específica del aire = 1,21 kg/m³
a: corresponde al radio del doblete = 0,4 m
e: corresponde al espesor del doblete = 1 m

Para realizar una estimación de la fuerza de arrastre que ejerce el fluido sobre un cuerpo, en este caso solo una bicicleta y el ciclista, se pudo suponer la forma del cuerpo como una placa transversal a la corriente del flujo.
Enseguida resolviendo la ecuación del flujo potencial para calcular la fuerza se reemplazaron los datos que corresponden a los siguientes:

V: velocidad del aire más la del ciclista = 6,94 m/s
r: masa específica del aire = 1,21 kg/m³
b: distancia horizontal entre extremos de la placa = 0,5 m
a: corresponde al radio del doblete = 0,4 m
e: corresponde al espesor del doblete = 1 m

Implementación

Se han presentado diversos problemas para efectuar las mediciones, ya que no tenemos los instrumentos necesarios para medir con más precisión. Sin embargo el grupo ha enfrentado bien estos inconvenientes y se las ha ingeniado para poder llevar el prototipo a buen fin.

Una de las dificultades fue medir las diferentes dimensiones de la bicicleta, pensar como hacer el prototipo de tal manera que no afecte a los giros de esta, y al propio ciclista. Junto a los 4 integrantes de este proyecto se hicieron todas las mediciones, ya que dos afirmaban la bicicleta para que quede en ángulo recto, y dos más se preocuparon de medir cada dimensión de esta, como son por ejemplo los ejes principales, el ancho, alto y espesor, las dimensiones mas grandes y pequeñas de la bicicleta, las distancias en donde se había pensado poner el prototipo, los diámetros de cada rueda, y relacionar todas las dimensiones del prototipo con las dimensiones de la bicicleta, de tal panera que al instalar el prototipo este no afecte a la funcionalidad de la bicicleta.

Pensar en como hacer el diseño, era una idea que ya estaba pensada desde la primera entrega, sabíamos que había que hacer un material liviano el cual no influya tanto en el peso del todo el sistema (bicicleta + prototipo + ciclista), y por otro lado se había pensado que el prototipo debería tener forma de gota.

Lo más difícil fue conseguirse una bicicleta, ya que ningún integrante poseía una en su residencia. Eso demoro alrededor de 20 días.

Por otro lado el pensar en como instalar el prototipo aerodinámico en la bicicleta fue otro problema, ya que sólo teníamos un volumen de plumavit y nada más. Por lo que se decidió ir a consultar a y cotizar por materiales complementarios que nos ayudarán a concretizar nuestras ideas. Así se opto por la compra de alambres, pegamento y más plumavit, ya que con el modelo que se había pensado se necesitaba más cantidad de esta y además tener cierta cantidad para cubrir en caso de fallas y errores en el trabajo experimental.

El plan, a pesar de ciertos inconvenientes resulto finalmente como habíamos esperado. El trabajo manual fue lo más complicado de efectuar, ya que ningún integrante tenía la experiencia de trabajar un montaje de plumavit así, es decir con que material es más efectivo pegar, cortar, unir etc.

Después de consultar y tener los nuevos materiales para comenzar a trabajar, el grupo se enfrento a otros problemas, ya que nunca se espero que algunos de los materiales comprados no iban a servir de mucho, como fue el caso del pegamento. El pegamento no pegó de la manera esperada, provocando un paro en el montaje experimental. Se busco nuevas alternativas de pegar el plumavit, como es el caso del engrudo y la colafría, ambas técnicas se implementaron en el montaje experimental, claro que esto se realizó días después del paro provocado por la compra de un mal pegamento.

Algunas mejoras que se podrían incorporar para nuevos proyectos a futuro, serían:

Consultar e informarse de cómo trabajar los materiales para implementar cualquier proyecto en que involucre el trabajo manual.
Buscar referencias y prototipos anteriores e informarse de los principales errores para poder prevenir y estimar mejor el tiempo de programación.
Designar tareas desde un principio y llevar un control de estas según el programa planeado.

Cronología

Primero se organizaran las tareas por ítems con los integrantes correspondientes y luego se compararán el cronograma esperado con el cronograma real.

1-Diseño de cálculo

Este diseño se refiere a las variables involucradas, el como hacer el diseño que limite ciertos factores que afectan en la aerodinámica, como es el caso del peso, volumen y área involucrados.
En este ítem se encargo Nicolás Lillo y Francisco Cañas.

2-Diseño del prototipo

Este diseño se refiere a la forma que tendrá el modelo, es decir dimensiones, forma y de como montarlo en la bicicleta.
En este ítem se encargo Javier Betancourt y María José Catalán.

3-Diseño en práctica

Se refiere a los moldes en papel que se disponen para el corte y forma del prototipo.
En este ítem se encargo Javier Betancourt y Francisco Cañas.

4-Corte del material

Este ítem se refiere al corte y forma en que se le va dando a la plumavit, para transformarlo en el prototipo final, Este prototipo consiste en dos partes en una delantera y otra trasera. La primera que se realizó fue la delante y en esta tarea se encargo Javier Betancourt y María José Catalán. Y para el corte del material de la parte trasera se encargo Nicolás Lillo y Francisco Cañas.

5-Pegado

Este se refiere al pegado de cada componente del plumavit que va dando la forma al prototipo. Esto se encargo Nicolás Lillo y Francisco Cañas

6-Montaje

El montaje se refiere a la instalación del prototipo sobre la bicicleta, este montaje se efectuó con la ayuda de alambres. En esta tarea se encargo María José Catalán y Nicolás Lillo.

7-Prueba del prototipo

Se trata de montar y andar sobre el sistema construido. Efectuado por María José Catalán y Javier Betancourt.

Evaluación de desempeño

Una vez terminado e instalado el prototipo se procedió a probar éste en pista para observar las mejoría en aerodinámica esperada, como no tenemos manera de medir la disminución de fuerza arrastre, se procedió a recorrer dos veces una distancia de 200 m aproximadamente, primero sin el prototipo y luego con el prototipo incluido, avanzando en ambas ocasiones, primero a 15 km/h y luego a 20 km/h, para luego por medio observación del ciclista notar si hubo o no hubo mejorías en la disminución de fuerza de arrastre.

Conclusiones

Para finalizar este proyecto, luego de haber realizado las mediciones correspondientes, se concluyó que la percepción de la velocidad prácticamente no variaba al probar el prototipo. Esto se debe a que la fuerza de arrastre anteriormente calculada presenta un cambio prácticamente insignificante con la utilización de nuestro modelo, por lo tanto para poder observar una variación notoria de la fuerza de arrastre, se debe probar la bicicleta aerodinámica en condiciones óptimas que permitan lo anteriormente dicho, tales como viajar a una muy alta velocidad, que exista un fuerte viento en contra y en condiciones ideales.

Proyecto Mecánica de Fluidos

Aspectos aerodinámicos de una bicicleta

Los aspectos aerodinámicos de una bicicleta son principalmente aquellas características que se podrían cambiar de una bicicleta cualquiera y del ciclista para disminuir su resistencia al aire y aumentar su velocidad al momento de andar en ella.

A continuación veremos que cosas influyen en el aspecto aerodinámico y que cosas se podrían mejorar tanto en la bicicleta como en el ciclista.

De algunas lecturas y del conocimiento de competencias ciclísticas, se obtiene la información de que un ciclista causa entre un 65% a 80% de la resistencia total del aire. Por lo tanto, la postura del ciclista es una variable muy importante. Y si se obtiene una posición adecuada del cuerpo se puede reducir la resistencia del aire hasta en un 31% con respecto a la posición vertical.

Entonces para mejorar la posición del ciclista se podría cambiar el manubrio (bajándolo) y el asiento (subiéndolo) de tal manera que el ciclista baje la cabeza y espalda y así obtenga una cómoda posición para pedalear.
La idea de hacer todos estos cambios de posiciones para el ciclista es que se debe ocupar la menor área frontal posible, para disminuir la resistencia del aire.

Un casco apropiado también puede ayudar a disminuir esta resistencia.
Otra manera de reducir la resistencia del aire es cubriendo el tubo del asiento con ciertas estructuras que lo hacen más aerodinámico.
En el caso de las ruedas, las típicas tienen entre 32 y 36 rayos. A medida que estas van rotando, el flujo de aire se separa y causa turbulencia, lo cual a su vez aumenta la resistencia del aire.
Las ruedas hechas de discos sólidos y las de tres rayos también reducen considerablemente la resistencia producida por las ruedas normales. Además la resistencia del aire producida por estas ruedas aerodinámicas disminuye o aumenta dependiendo del viento de costado. El viento que viene de los lados puede causar la resistencia o sustentación.
En este proyecto será muy difícil cambiar los rayos de la bicicleta ya que vienen por fabricación, pero quizás se buscará la manera de forrarla y dejarla como un disco para mejorar su estilo aerodinámico. Pero por otro lado tampoco se puede controlar o medir el viento que para por los lados, así que se podría omitir algún cambio en las ruedas de la bicicleta.
Otras variables que intervienen en los cálculos para poder tener una mejor aerodinámica son el área frontal, el área de planta, el peso del conjunto (bicicleta e individuo) y las formas de la bicicleta definidas anteriormente.

Además de las variables que tienen relación con las características de la bicicleta están por ejemplo el coeficiente de roce del suelo, la viscosidad y masa específica del aire, la velocidad de la bicicleta, las diferencias de presiones, el coeficiente natural (b) y por último la temperatura, que en este proyecto no se tomara en cuenta ya que es una variable poco cuantificable, por lo tanto se supondrá que no influye de manera importante en el objetivo del proyecto.

Aerodinámica en otros vehículos

Fórmula 1:

Diseño teórico: En el diseño de un vehículo de competición como es el caso de los Formula 1, el diseño busca que el auto tenga la máxima eficiencia ante el roce del aire, es decir se busca que el auto genere poca resistencia al avance, a la vez aprovechar el paso de la corriente por la carrocería para que genera un peso adicional pegando al piso la máquina y enfriar el motor canalizando el flujo por los radiadores.

Diseño Experimental:

1 Alerón delantero: Su utilización se debe a que aleja el aire de las ruedas, siendo estos últimos elementos perturbadores.

2 Deflectores laterales: Su papel es canalizar el aire hacia los pontones donde están los radiadores y obligarlo también a que pase por debajo del carro.

3 Winglets: o pequeñas aletas, con las cuales se busca carga hacia abajo, parecida a la de los alerones delantero y trasero y que ayudan a centrar el falso peso que genera sus formas. Es un truco nuevo, buscando usar una zona del carro que el reglamento no controla.

4 Difusor: Un túnel que va en la parte baja y trasera del carro que juega el papel de "acelerador" de las moléculas de aire. Mientras más rápido salgan, porque el difusor las chupa, más vacío generan y se aumenta el apoyo. El 40% de la carga aerodinámica la da la forma del difusor inferior.

5 Toma de Aire del motor: Sin crear mucha resistencia, esta boca permite que al motor le entre todo el aire que necesita y con la velocidad, presuriza la admisión aumentando la potencia. Si un piloto es muy alto, con su casco puede reducir la cantidad de aire que llega y su motor baja de potencia por lo cual su estatura y posición de manejo se consideran en el diseño del F1.

6 Alerón trasero: El reglamento solamente permite tres aletas. Esta pieza, a plena velocidad, produce una carga de hasta ¡600 kilos! contra el piso.

7 Piso plano: El piso es plano pero no liso porque el reglamento obliga a que tenga un tabique de madera que debe mantener ciertas medidas al final de la carrera. Esto es para que los carros no sean demasiado bajos y choquen contra el piso.

8 Pontones: Son un mal necesario. Sus grandes bocas crean mucha resistencia al avance y los radiadores que están adentro empeoran la situación. Además, su cara superior debe dirigir el aire hacia el alerón trasero.

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

Motos:

Carenado: Para poder analizar el aerodinamismo en las motos se debe definir que es el carenado. Este término se utiliza para designar a todos los elementos de la carrocería cuya función es reducir la resistencia que ofrece el desplazamiento a través del aire y proteger al piloto, aunque hoy en día la función principal de un carenado es la mejora del aerodinamismo de la moto.

Diseño teórico:

Si se hace una comparación entre un auto deportivo y una moto, varios principios del
aerodinamismo del auto en este caso no se aplican.
- El efecto del suelo: sobre la Fórmula 1
- Los alerones, faldones y otros spoilers.
Unas de las grandes diferencias entre ambos se nota al momento de alcanzar un giro a altas velocidades. Para el caso del auto, este gira con un eje vertical, mientras tanto la moto al momento de girar debe inclinarse cierto ángulo inevitablemente. Si aplicamos alerones sobre una moto, al mínimo cambio vertical la moto sería desequilibrada. Peor, equipada de alerón la moto perdería la adherencia de sus neumáticos en curvas más rápidamente que al no tener alerón, por lo tanto este útil implemento en los automóviles, juega en contra en el caso de las motos.
La aerodinámica de una moto no es óptima si miramos la moto desde arriba. A primera vista podríamos pensar que para que un vehículo sea aerodinámico, el frente tendría que ser puntiagudo para que corte bien el aire. La realidad es justo la contraria y la forma óptima tiene una relación longitud/anchura debe tener el valor más alto posible y una forma de lágrima, con la parte más ancha mirando al frente y la cola, cada vez más estrecha, apuntando hacia la parte trasera.

Diseño experimental:

Elementos que alteran el aerodinamismo:
Sobre una moto, se divisan tres partes distintas:

La delantera:
-La cúpula
-Los espejos
-El frontal
-El guardabarros
-La cabeza del piloto

El centro:
-Los laterales
-La espalda del piloto

La trasera:
-La tapa de asiento
-La rueda trasera
-Los escapes

Ventilación:

La ventilación es un procedimiento que permite ver la proyección del aire en la superficie de un carenado.
En ventilación, se representa el aire por diversos medios. Esto permite materializarlo
sobre el carenado y por lo tanto ver:
- La proyección del aire (en azul).
- Cuáles son los sitios en los que se crean turbulencias, y por lo tanto marcas.
- Si hace su papel de extractor de calor correctamente (en naranjo).

Efectos de la presión:

Como se sabe que todos los vehículos que deben desplazar el aire al avanzar se forma una presión sobre el volumen de aire que empujan, y un vacío que llamamos depresión en el sitio que deja.
En la práctica se busca ayudar a canalizar los flujos de aire para que se desplacen lo más rápidamente posible de la parte delantera a la parte trasera de la moto y sin crear muchas perturbaciones.
La zona de presión está frecuentemente localizada delante y en los lados del carenado. Las zonas de depresión se localizan detrás de las ruedas, en el caso de la depresión detrás de la rueda delantera se utiliza como toma de aire para enfriar el motor.

Propuestas para medir en el prototipo la velocidad, fuerza total y presiones

Para medir las propiedades de velocidad, presión y fuerzas que afectan al ciclista, se enumeraran algunas propuestas pensadas por el grupo.

Velocidad y presión:

Para el cálculo de la velocidad existen ideas de muy fácil implementación y bajo costo, hasta ideas de implementar elementos tecnológicos de gran precisión, pero de alto costo como lo es el Velocímetro Aeronáutico.

Una forma empírica de medir la velocidad muy sencilla, seria colgar un péndulo en el manubrio de la bicicleta, y observar como se desvía éste hacia atrás por efecto del viento relativo, esta forma de medir es muy poco precisa, pues depende de las condiciones del medio, y debido a que la bicicleta alcanzara velocidades relativamente pequeñas, el ángulo que se moverá el péndulo será pequeño y no tendrá variaciones significativas.

Otra forma en la que pensamos y la cual nos parece mas viable, es utilizar un dispositivo que consta de dos accesorios; el primer accesorio consiste en dos piezas, de la cual se instala la primera en los rayos de la rueda (generalmente la delantera) y la segunda, a la misma altura de la primera, pero instalada en el marco, la función de esta parte es contabilizar el numero de ciclo que tiene la rueda debido a que son sensores. Toda esta información es analizada por el accesorio instalado en el manubrio que calcula la velocidad angular, y programando previamente el radio de la rueda, se obtendrá la velocidad del ciclista.

Para medir la presión, existen varias formas con los cuales se puede medir ésta, tales como barómetros de mercurio, barómetros electrónicos o venturímetros. Pero debido a que el cambio de presiones en el movimiento de una bicicleta estándar es tan pequeño, que se utilizara la formula teórica de Bernoulli, que relaciona la presión, energía potencial, y energía cinética (ver Fórmula). Esta fórmula se obtiene por conservación de energía:



Para esta fórmula se supondrá que se tiene la velocidad (obtenida por métodos anteriormente mencionados). El tercer termino (ρgh) se puede eliminar pues las diferencias de altura son despreciables, además se puede suponer que en el ambiente no corre viento, con lo que el termino de la velocidad (v1) seria cero. Con lo que quedaría:

Despejando y reemplazando por la presión atmosférica, la fórmula para medir la presión desconocida queda:

Fuerzas totales:

En el análisis de fuerzas que afectaría a un móvil, específicamente a una bicicleta, se tiene las siguientes:

Fuerza de Gravedad: Correspondiente a la atracción de la tierra sobre un cuerpo, esta fuerza es proporcional a la masa del móvil (ciclista y bicicleta), y se obtiene del múltiplo de ésta con la gravedad existente en ese lugar (generalmente constante).

Fuerza en un plano inclinado: Correspondiente a la componente paralela al plano de movimiento de la fuerza de Gravedad, ésta puede estar en el mismo sentido del movimiento o contrario a él. Se puede medir con el coseno del ángulo de inclinación horizontal por la fuerza de gravedad.

Fuerza Normal: Correspondiente a la reacción del suelo a la fuerza de Gravedad con componente normal al plano de movimiento, en caso de ser un plano inclinado, se puede medir con el seno del ángulo de inclinación horizontal por la fuerza de gravedad (siempre que la superficie no se hunda).

Fuerza del ciclista: Correspondiente a la fuerza que debe aplicar el ciclista sobre los pedales para obtener el movimiento de la bicicleta, esta fuerza es mayor cuando el movimiento se inicia, ya que luego de un tiempo la velocidad es relativamente constante, y la fuerza que aplica el ciclista en ese momento es para vencer las fuerzas contrarias al movimiento.

Fuerza de roce con el suelo: Correspondiente a la oposición del suelo al movimiento, depende del coeficiente de roce, área de contacto y forma de la rueda. Esta fuerza es mayor antes de iniciarse el movimiento, pues el roce estático es mayor en magnitud que el roce dinámico (ver figura 3). Una forma de medirlo puede ser a través de energía, realizando el siguiente experimento: En una vía que tenga primero una recta horizontal y luego una recta con pendiente conocida, se viaja en la bicicleta a una velocidad constante (no muy alta para evitar la resistencia del aire) por la recta horizontal, midiéndose la velocidad al comenzar la recta con pendiente, en ese momento se deja de pedalear y se observa hasta que altura llega la bicicleta. Con esta información se obtiene la energía cinética que tenia la bicicleta antes de comenzar la subida, y se tiene la energía potencial de la bicicleta a la altura donde se detuvo, por diferencia de energía, se tiene la energía que se disipo producto del roce, como se tiene la longitud recorrida por la bicicleta, se puede obtener la fuerza promedio de roce.

Fuerza de roce mecánico: Correspondiente al roce que existe entre los pedales, entre cadena y piñón, en general se refiere a la oposición de las distintas partes mecánicas de la bicicleta al movimiento (ver figuras). No se tiene una formula concreta para medir esta fuerza, pero si se tiene una idea de cómo medir experimentalmente el efecto de esta fuerza. El experimento consiste en dejar la bicicleta con las ruedas en el aire (dada vuelta), con todas sus partes mecánicas limpias sin lubricante y aplicar una fuerza hasta alcanzar una velocidad (medida por las revoluciones), luego se aplicara paulatinamente lubricante sobre las partes mecánicas y se mantendrá la velocidad constante, con lo que se notara una disminución en la fuerza aplicada debido a la disminución de fuerza de roce entre las partes mecánicas por el lubricante aplicado.

Fuerza de arrastre: Correspondiente a la oposición que pone el aire del ambiente al movimiento de la bicicleta, es proporcional al área frontal en movimiento y al cuadrado de la velocidad (esta fuerza será tratada con más detalle en el punto siguiente).

Fuerza de elevación: Correspondiente a una fuerza en sentido vertical debido al aumento de la velocidad y disminución de la presión en un punto, depende del área de contacto donde la presión disminuye y del ángulo de ataque que tenga el cuerpo frente al aire (ver figura). Esta fuerza es la que permite que los aviones despeguen, y se puede obtener con la ecuación de Bernoulli antes menciona (Formula Nº 3) donde se tiene el valor de la presión en el punto superior del ciclista y la presión del ambiente (generalmente presión atmosférica), por diferencia de presión y multiplicando ésta ultima por el área superior del ciclista, se puede obtener la magnitud de esta fuerza. En general esta fuerza es despreciable debido a las bajas velocidades y por lo tanto bajas variaciones de presiones.

Fuerzas de Arrastre sobre la bicicleta para distintas velocidades


Para describir las fuerzas de arrastre es necesario describir los dos tipos de flujos:

Flujo laminar: Flujo en el cual el gradiente de velocidades es bajo, la fuerza de inercia (es decir, la fuerza que tiende a un cuerpo a seguir en el estado que está) es mayor que la de fricción; por ello las partículas se desplazan pero no rotan o lo hacen con muy poca energía. Como resultado de esto es que las partículas siguen trayectorias definidas y todas pasan por los mismos puntos en el campo del flujo, por lo tanto siguen la misma trayectoria.

Flujo Turbulento: Ocurre cuando al aumentar el gradiente de velocidades, se incrementa la fricción entre partículas vecinas en el fluido y estas adquieren una energía de rotación apreciable, la viscosidad pierde su efecto (no mantiene las partículas tan unidas entre sí) y debido a la rotación las partículas cambian de trayectoria. Al pasar de una trayectoria a otra, las partículas chocan entre sí y cambian de rumbo en forma desordenada. Es por ello que comienzan a formarse remolinos y vórtices.

Luego de describir los dos tipos de flujos, la fórmula general aceptada para la Fuerza de arrastre (Fa) es:

Donde: ρ: masa específica del fluido
A: área frontal del cuerpo
Ca: coeficiente de arrastre (depende del número de Reynolds)
ν: velocidad del cuerpo

Como se señaló anteriormente, el Coeficiente de Arrastre depende del número de Reynolds. Este número (Re) está descrito por:

Donde: ρ: masa específica del fluido
ν: velocidad del cuerpo
l: longitud del objeto medida a lo largo de su sección transversal
μ: viscosidad dinámica del fluido

Por lo tanto el Coeficiente de Arrastre (Ca) corresponde a:

Donde: Ca: coeficiente de arrastre
Re: número de Reynolds

Para flujos laminares, donde la velocidad es relativamente pequeña el número de Reynolds es menor a 1, con lo que solo predomina el primer término del Coeficiente de Arrastre, con lo que la Fuerza de Arrastre corresponde a:

Para flujos turbulentos, donde la velocidad es mayor, el número de Reynolds toma valores relativamente altos, con lo que el Coeficiente de Arrastre (Ca) tiende a estabilizarse y a convertirse en una constante, con lo que la Fuerza de Arrastre corresponde a:

Con estos resultados los valores de Fuerza de Arrastre varían para distintos casos:

Para flujos en los cuales el cuerpo se mueve a velocidades relativamente pequeñas, la Fuerza de Arrastre es proporcional a la velocidad de movimiento del cuerpo.
Para flujos en los cuales el cuerpo se mueve a velocidades altas, la Fuerza de Arrastre es proporcional al cuadrado de la velocidad de movimiento del cuerpo.

Para el caso de nuestro proyecto, se considerará un número de Reynolds alto donde se producen flujos turbulentos, con lo que la ecuación para calcular la Fuerza de Arrastre será proporcional al cuadrado de la velocidad.

En este caso la Masa específica del Aire (ρ) será igual a 1.21 [kg/m³], el Coeficiente de Arrastre (Ca) será 0.9 y el Area frontal será aproximadamente de 0.45 [m²].
Considerando los datos anteriores y una velocidad de 20 [km/hr] ≈ 5,56 [m/s], se tiene una Fuerza de Arrastre de 7,57 [N].




Ideas generales para el diseño del aparato solicitado

Para el desarrollo de este proyecto se tiene pensado modificar la estructura de una bicicleta para mejorar su aerodinámica. Para ello encontramos que la mejor solución es dejar la bicicleta en forma de gota, como se indica en la figura:






Encontramos que esta era la mejor alternativa ya que disminuye las variaciones de velocidades del flujo de aire y por ende disminuye las variaciones de presiones. Evitando que se formen flujos turbulentos (vórtices y remolinos) y ayudando a la formación de flujos laminares:

Además se quiere lograr que este prototipo tenga la menor área frontal posible de tal manera que la resistencia aerodinámica sea la más baja posible.
Por otro lado el sistema debe tener la menor cantidad de masa posible para disminuir el roce mecánico por lo tanto se querrá construir una estructura de material liviano.
Por lo descrito anteriormente se construirá dos cúpulas, una en la parte delantera y otra en la parte trasera de la bicicleta, esta se construirá con plumavit además de otros materiales. También se usará un casco que ayude a que el flujo no presente una variación tan brusca.