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