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.
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.
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.
Para medir las propiedades de velocidad, presión y fuerzas que afectan al ciclista, se enumeraran algunas propuestas pensadas por el grupo.
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.
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 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.
Donde: ρ: masa específica del fluido
A: área frontal del cuerpo
Ca: coeficiente de arrastre (depende del número de Reynolds)
ν: velocidad del cuerpo
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
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.
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.
