Entrega 1
TEORIA
El aire genera una fuerza aerodinámica que actúa contra la bicicleta y el ciclista cuando el sistema está en movimiento, y que aumenta cuando el sistema aumenta su velocidad. A esta fuerza la llamamos fuerza de arrastre y se debe al arrastre de presión y al arrastre de fricción.
El arrastre de presión se debe a las diferencias de presiones entre la parte delantera y trasera del vehículo y el arrastre de fricción se debe a los esfuerzos de corte viscosos que provoca el cuerpo sobre las capas limítrofes del fluido en contacto. Ambas fuerzas de arrastre se deben a la viscosidad del aire.
De la forma y velocidad del cuerpo depende el tipo de fluido que se generará, ya que la forma del cuerpo determina la separación del fluido, y la velocidad determina la incapacidad de las moléculas para adaptarse a la forma del cuerpo.
El arrastre de fricción es importante en los fluidos laminares y es proporcional al área del cuerpo expuesta al fluido. El arrastre de presión es importante en fluidos turbulentos y está relacionada con el área de sección transversal del cuerpo.
A velocidades pequeñas el flujo es casi laminar. En la práctica, a altas velocidades, el flujo es generalmente turbulento. Las moléculas del aire no son capaces de adaptarse a los cambios repentinos en las formas del cuerpo, provocando remolinos en la superficie. El cuerpo moviéndose a través del aire deja una estela turbulenta tras él.
Distinguimos dos tipos de cuerpo según su forma: cuerpos línea-vapor (forma de pescado) y cuerpos ladrillo. La viscosidad de los fluidos genera gradientes de velocidades entre las capas limítrofes del cuerpo y el fluido debido a los esfuerzos de corte. Cuando estos gradientes de velocidades experimentan un cambio brusco el fluido tiende a separarse. Esto ocurre en los cuerpos ladrillo, que provocan que algunas moléculas de aire se muevan en dirección contraria al resto del fluido, generando remolinos y turbulencia. Los cuerpos línea-vapor mantienen gradientes de velocidades constantes y por lo tanto generan flujos laminares.
Podemos ver el rol del arrastre de fricción y del arrastre de presión considerando el ala de un avión expuesto a diferentes ángulos de ataque. Para ángulos pequeños, las capas limítrofes de fluido permanecen unidas al cuerpo y experimentan pequeños gradientes de presiones, dejando una leve estela, lo que genera un régimen laminar. En este caso la fuerza de arrastre se debe principalmente a la fricción entre el aire y el ala, y a mayor área de contacto, mayor fricción.
Cuando en el ángulo de ataque es mayor, las capas limítrofes experimentan mayores gradientes de presiones, produciendo la separación del fluido. Esta separación genera una gran estela y la presión disminuye producto de la formación de remolinos. Esto ocurre porque, según la ecuación de Bernoulli, la presión es inversamente proporcional a la alta velocidad de los remolinos. En este caso la fuerza de arrastre se debe principalmente a la variación de presiones entre la capa limítrofe frontal y la capa limítrofe trasera del ala. Según la ecuación de continuidad y Bernoulli, la presión es proporcional al área transversal por la que circula el fluido, por lo tanto, a mayor área transversal del cuerpo, menor área por la que circula el fluido y menor presión, lo que genera mayor fuerza de arrastre por variación de presiones.
Concluimos entonces que el arrastre de presiones es dominante en flujos turbulentos (grandes nºReynolds) y el arrastre de fricción es dominante en flujos laminares (pequeños nº Reynolds).
El sistema bicicleta ciclista está sometido a fuerzas de viento laterales, que desestabilizan el cuerpo y que por lo tanto es importante considerarlas.
Un requerimiento básico para que el sistema esté estable es que el centro de presión esté detrás del centro de gravedad del sistema. La idea es la siguiente: Cuando el sistema este expuesto a vientos laterales, si el C.P. está bien ubicado, la parte trasera del sistema será soplada en dirección del viento, causando que la parte delantera apunte hacia el viento y corrija su posición automáticamente sin ser desviado de su rumbo original.
Otro aspecto importante es que las fuerzas laterales generan un torque con respecto al suelo, que tiende a votar al sistema en dirección del viento, haciendo necesario que el ciclista se incline hacia en viento para mantener el equilibrio. Para reducir el grado de inclinación necesario, necesitamos generar una bicicleta pesada con un alto centro de gravedad.
CONSIDERACIONES PARA NUESTRO APARATO:
Para el movimiento de una bicicleta el fluido presenta turbulencia, por esto nos concentraremos en reducir al máximo el área de sección transversal del aparato propuesto, y no nos concentraremos tanto en la disminución del área de superficie en contacto con el cuerpo.
Procuraremos disminuir la turbulencia, restringiendo el flujo del aire a través de una forma precisa que disminuya la separación del fluido. Para esto, nuestro aparato pretenderá tener una forma parecida a la de un cuerpo línea-vapor.
Además nos preocuparemos que el ángulo de inclinación del aparato sea mínimo, de manera de disminuir el área de sección transversal.
Nuestro aparato será lo más liviano posible de manera que no aumente en gran cantidad la masa del sistema, y de esta manera no varíe la posición del CG, que ya está tan bien calculada en los modelos de bicicletas actuales.
AERODINÁMICA DE VEHÍCULOS QUE TIENEN CARROCERÍA
Los diversos transportes son diseñados según su uso. No sólo basta crear carrocerías para aumentar la velocidad, ya que esto disminuye la estabilidad; no basta crear formas aerodinámicas, ya que no son cómodas y útiles. Es necesario buscar un equilibrio acorde a las necesidades del transporte. Se analizan tres casos y sus respectivas mejoras para mejorar la aerodinámica sin dejar de lado la funcionalidad.
Aerodinámica de un automóvil de calle
En el diseño de un automóvil interviene de manera fundamental la forma de su carrocería, influyendo tanto en el aprovechamiento de la potencia que desarrolla el motor, como en la estabilidad a altas velocidades y el consumo. Eso sí no basta mejorar esos aspectos, ya que en los autos de calle la estética, la funcionalidad, el consumo, la seguridad y el uso particular son los que determinan su forma; mientras en los autos de carrera lo importante es la eficiencia aerodinámica, la sustentación negativa y las reglas propias de cada competición. La funcionalidad del auto de calle limita en gran medida la posibilidad de crear automóviles con un Cx muy bajo (eficacia de una determinada forma ante la resistencia que opone el aire a su avance), ya que no tendrían cabida en el mercado.
En cuanto a la estabilidad del vehículo, es muy importante que el centro de presiones (punto donde se concentran todas las fuerzas aerodinámicas) quede lo más cerca posible del centro de gravedad del vehículo, pero resulta difícil de conseguir porque a altas velocidades el flujo de aire cambia completamente. Para solucionar esto, algunos autos muy sofisticados cuentan con sistemas de aerodinámica activa, con alerones y espoilers que se desplegan en determinadas situaciones (frenada, al pasar cierta velocidad).
En el caso de los portaequipajes hay que tener en cuenta que el sólo hecho de llevar el portaequipajes vacío, el coche consumirá más; hasta un 20 % más a velocidades a partir de 120 Km/h. Esto es debido a la gran resistencia aerodinámica que ofrece cualquier portaequipajes. La simple acción de llevar las ventanas del coche abiertas comporta un aumento de hasta un 5 % en el consumo ya que el aire que entra en el vehículo, al llegar a la parte trasera, crea una fuerza opuesta al sentido de la marcha. Por lo tanto, lo ideal es eliminar el portaequipaje y la posibilidad de entrar aire dentro del auto.
Antiguamente se creía que la forma ideal para penetrar el aire era la de una gota de agua. Es decir con formas redondeadas en la parte delantera y acabado en punta en la parte trasera pero actualmente se ha invertido relativamente esta creencia.De todas formas las formas elípticas han acabado por imponerse en los modelos actuales ya que son las que menos resistencia al aire ofrecen.Otros factores que mejoran la aerodinámica son tener un depósito de gasolina liso, neumáticos más estrechos, un único retrovisor exterior y las formas suaves (parachoques, retrovisores, faros) suelen mejorar la aerodinámica. Aunque, un final del techo o del maletero en esquina y dirigido hacia abajo, es mejor que un final de techo o maletero redondeado.
Aerodinámica de un auto de carrera
Como se mencionó anteriormente en un auto de carrera se buscan cosas diferentes: poca resistencia al avance, alto efecto del paso de la corriente de aire por la carrocería que genera un enorme peso adicional para pegar la máquina al piso con los alerones sin castigar mucho la velocidad y enfriar el motor canalizando el flujo por los radiadores sin mayor reacción. Es decir, por un lado, necesitan cortar el aire con el menor gasto posible de potencia del motor. Por el otro, buscan obtener gran apoyo. O sea, dos parámetros opuestos que deben convivir en perfecta armonía.
Algunos aspectos que mejoran la aerodinámica son:
Ruedas: Si las ruedas fueran cubiertas su velocidad sería mucho mayor en las curvas y rectas.
Alerón delantero: El alerón delantero es la primera parte del vehículo que entra en contacto con el aire, de ahí radica su importancia. Afecta el flujo de aire que transita a lo a largo de la carrocería y pequeños cambios en los reglajes podría modificar radicalmente el comportamiento y las prestaciones generales. Además de los dos planos horizontales, tiene gran cantidad de lengüetas laterales y sobre el alerón para alejar el aire de las ruedas, que son elementos perturbadores.
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.
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.
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.
Capó: Debe tener una forma muy corta y bajar rápidamente para no interferir con el flujo hacia el alerón trasero. Interesa que sea corto y bastante pendiente para que el aire azote de lleno en los alerones traseros.
Piso Plano: El suelo o la parte de abajo del vehículo tienen como función reducir la influencia del flujo de aire y garantizar una salida suave y rápida sin interrupciones. Los diseñadores incorporan y modifican las partes con diferentes formas y ángulos porque al lograr una salida más rápida del aire que circula se consigue mayor carga aerodinámica y una mayor velocidad.
Alerones laterales: Se trata absorber el aire desviado por el contacto con los neumáticos y dividirlo en dos direcciones. Una hacia los radiadores que enfrían el motor y otra hacia el exterior para evitar que interfieran en otros componentes.
Aerodinámica de una moto
La moto en forma tiene similitudes con la bicicleta. Si se mira una moto a primera vista se tiende a pensar que para que el vehículo sea aerodinámico, el extremo tendría que ser puntiagudo para que corte bien el aire. La realidad es justo la contraria y la forma óptima tiene una forma de lágrima, con la parte más ancha mirando al frente y la cola, cada vez más estrecha, apuntando hacia la parte trasera.
La fuerza del motor se utiliza casi exclusivamente para vencer la fuerza del viento(el 91% de la potencia del motor se utiliza para vencer la resistencia del aire mientras que el 9% restante de la potencia entregada por el motor le permite alcanzar 170 km/h.).
En este orden de cosas, y para mejorar el rendimiento de la moto, seria suficiente tratar de disminuir el esfuerzo que esta tiene que hacer para vencer la resistencia del aire. Lo más acertado es diseñar la moto con la posición del piloto completamente tumbado con el vientre encima del deposito, pero esto es un tanto exagerado e incómodo para la persona. Se pueden encontrar soluciones intermedias en las que se unen un cierto grado de comodidad con un efectivo mejoramiento de la moto a altas velocidades. Por ejemplo, adaptar un revestimiento plástico con un buen coeficiente de penetrabilidad, constituye de por sí un buen trucaje de sorprendentes resultados aerodinámicos. La moto se mantendrá a punta de gas en tramos donde antes precisaba importantes aberturas de carburador, el consumo se reducirá y el motor tendrá una mayor respuesta.
Otra forma de mejorar las condiciones aerodinámicas es sentar al conductor más adelante, ya que el centro de gravedad se desplazará más cercano a la punta.
Se puede concluir que en los vehículos con carrocería no sólo basta mejorar sus condiciones aerodinámicas, sino también diseñarlas acorde a la función que cumple el vehículo. En general, lo óptimo será simular la forma de una gota, pero con la parte más ancha mirando de frente y la cola cada vez más estrecha. Esto permite la circulación del fluido apegado al cuerpo, así no se produce un vacío y la fuerza de arrastre es mínima (más información en parte teórica).
Se puede concluir que en los vehículos con carrocería no sólo basta mejorar sus condiciones aerodinámicas, sino también diseñarlas acorde a la función que cumple el vehículo. En general, lo óptimo será simular la forma de una gota, pero con la parte más ancha mirando de frente y la cola cada vez más estrecha. Esto permite la circulación del fluido apegado al cuerpo, así no se produce un vacío y la fuerza de arrastre es mínima (más información en parte teórica).
MEDICION DE VARIABLES VELOCIDAD Y PRESION
Existen múltiples métodos para medir en una situación real de una bicicleta variables como la velocidad, presión sobre la bicicleta o sobre el ciclista en diferentes puntos, fuerza de arrastre total sobre el conjunto bicicleta-ciclista y fuerzas de arrastre sobre la bicicleta para diferentes velocidades.
Entre las variables que son necesarias medir, la velocidad es por lejos la variable que cuenta con mayor cantidad de métodos para su medición. Estos, puede diferir mucho según la exactitud requerida y el tipo de objeto del cual se necesita conocer su velocidad, en nuestro caso el objeto es una bicicleta.
Entre los dispositivos más nuevos y conocidos se encuentran los GPS (Global Positioning System), los cuales a través de una conexión satelital son capaces de entregar la velocidad de la bicicleta para cada instante. Un problema que tiene este método es que si hay una mala recepción de la señal, la medición de la velocidad puede no ser tan exacta ni oportuna como se desearía.
Otro método consiste en sensores digitales que miden la velocidad instantánea en un objeto. Estos instrumentos, de alto costo, son muy utilizados en laboratorios debido a su alto grado de precisión.
Entre los métodos para medir la fuerza de arrastre total sobre un conjunto bicicleta – ciclista, existen dos que son muy populares por su bajo costo, facilidad de aplicación y bajo porcentaje de error en las mediciones; estos son el método Rollout y el de velocidad final. El método Rollout consiste en dejar una bicicleta andar libremente (sin pedalear) a lo largo de una sección de medición de superficie plana y con el aire tan quieto como sea posible. Midiendo la caída en la velocidad que experimenta la bicicleta considerando un rango de variaciones de velocidades tan grande como sea posible, la fricción de rodaje y la resistencia del aire pueden ser calculadas.
El segundo método con más popularidad es de velocidad final. Este método consiste en dejar una bicicleta deslizarse a lo largo de un plano inclinado registrando la velocidad con que termina el recorrido. Despreciando el roce propio de la bicicleta, y considerando la velocidad final, la inclinación del plano, la masa y la presión ambiental podemos determinar el área frontal efectiva.
Aunque el último método se acerca mucho a la realidad, encontramos que el método rollout es más eficiente, por las condiciones necesarias y su exactitud. De acuerdo al material recopilado por Rainer Pivit, el método rollout simula a una bicicleta real casi perfectamente. Es cierto que el pre-requisito de cero viento implica que los resultados obtenidos serán válidos sólo para este ambiente, que el recubrimiento del piso puede ser mucho más favorable que las superficies normales de los caminos y que también las murallas de la sección de medición puede significar grandes diferencias de la realidad en el exterior, pero el bajo costo de este método de medición y la exactitud de sus datos en comparación con otros métodos equivalentes, hacen que el método rollout sea una buena opción a elegir.
Por último, nuevamente existen múltiples métodos para medir la presión de la bicicleta para diversos puntos cuando está en movimiento, entre los cuales se encuentran los sensores de presión Piezoelectric, Traductores de Presión Magnéticas, y sensores de presión ópticos. Los con mayor grado de certeza con los sensores óptico, que además se caracterizan por su larga duración y poco mantenimiento. Figuras esquemáticas de cada sensor se presentan a continuación:
1.0 DEFINICIÓN DEL PROYECTO Y PROCESO DE DISEÑO
El proyecto consiste en diseñar y construir a escala 1/1 un prototipo que mejore las condiciones aerodinámicas de una bicicleta. Se espera con el diseño lograr mejorar la velocidad y estabilidad de la bicicleta, tratando de disminuir la fuerza de arrastre.
El proceso consistirá en:
1. Observaciones en terreno, mediante la utilización de los medios de expresión gráfica que más convengan, tales como: - Croquis, - Fotografías, - Filmaciones, - Anotaciones, - Maquetas, - Entrevistas, - Etc.
2. Información sobre proyectos u obras ejecutadas en relación al mismo tema.
3. Información teórica acerca del tema a través de acceso a estudios anteriores, bibliografía, etc.
4.Brainstorming
5. Análisis, comparación de los disntintos modelos y selección de uno o dos
6. Usaremos un programa de diseño (inventor) para dibujar el prototipo y verlo en 3D
7. Ya listo el plano y dibujo, comenzará la construcción usando la placa de plumavit y otros materiales
8.Lo más probable es que en la práctica al construir, notemos que no es tan efectiva, o tengamos nuevas ideas. Realizaremos los cambios pertinentes y actualizaremos el plano y dibujo 3d.
9.Finalmente se probará el prototipo mediante alguno de los métodos vistos en la parte teórica.
10. Diagnostico y Pronóstico. Se emitirán juicios críticos sobre el proyecto y conclusiones sobre los aspectos que interesaba mejorar.
2.0 IDENTIFICACIÓN DE METAS Y DIFICULTADES
Como meta no sólo se debe mejorar la aerodinámica, sino también hacer el artefacto cómodo, económico y estético. Sin duda, una de las mayores dificultades es el costo que tiene hacer la placa. En nuestro caso, nos limitaremos a plumavit, pero sería interesante hacerlo de algún material especialmente aerodinámico.
Por otro lado, las mediciones de velocidad, presión y aceleración necesitan de condiciones y maquinaria que no está a nuestro alcance. Un tubo de viento es imposible conseguir. Más accesible, pero fácil de encontrar, es una pendiente constante o un lugar plano libre de viento. Tendremos que buscar una forma posible de medir las variables en nuestro proyecto final.
3.0 ORGANIZACIÓN Y FUNCIONAMIENTO DEL GRUPO DE TRABAJO
Esta primera entrega se divide fundamentalmente en los siguientes pasos:
1) Explicar el comportamiento aerodinámico de un móvil, bicicleta, que se desplaza en el aire. Aspectos aerodinámicos de una bicicleta, definir los conceptos de fuerza de arrastre, fenómeno de separación y las variables que intervienen.
2) Investigar cómo se ha abordado este problema en otros vehículos con carrocería (motos y automóviles).
3) Proponer métodos para la medición de las variables que intervienen (velocidad, presión sobre la bicicleta y/o ciclista, fuerza de arrastre, etc.)
4) Plantear la(s) idea(s) general(es) de la(s) solución(es), diseño del aparato solicitado, materiales a emplear, método de construcción e implementación. (Brainstorming y discusión).
5) Creación y producción presentación power point.
Si bien el trabajo se ha realizado como un grupo dinámico e integrado se han establecido encargados de cada parte:
1) Cynthia de Amesti M.
2) Valentina Bornscheuer W.
3) Ignacio Orellana S-A.
4) Todos.
5) Cristóbal Boetto H.
En cuanto a las fortalezas del grupo se menciona q el grupo se conocía desde antes, así el trato es agradable, se abordan los problemas directamente, se repartieron rápidamente las temáticas, y la discusión era abierta.
Si bien el trabajo se ha realizado como un grupo dinámico e integrado se han establecido encargados de cada parte:
1) Cynthia de Amesti M.
2) Valentina Bornscheuer W.
3) Ignacio Orellana S-A.
4) Todos.
5) Cristóbal Boetto H.
En cuanto a las fortalezas del grupo se menciona q el grupo se conocía desde antes, así el trato es agradable, se abordan los problemas directamente, se repartieron rápidamente las temáticas, y la discusión era abierta.
Este último punto se tornaba una dificultas cuando las discrepancias eran muchas. Sobre todo en el Brainstorming, en que cada uno defendía sus ideas. Un ejemplo concreto de discrepancia fue el formato del power point, que se resolvió rápidamente, ya que el grupo consideró que no era tan trascendental para una discusión mayor.
Un aspecto a mejorar, es que algunas partes son dependientes de otras, así lo más efectivo sería trabajar como un conjunto y cada parte comentarla entre todos. Eso sí, es demoroso y puede producir más diferencias de opiniones.
4.0 ELABORACIÓN DE SOLUCIONES
Las ideas surgidas en el brainstorming deben cumplir que los materiales sean:
4.0 ELABORACIÓN DE SOLUCIONES
Las ideas surgidas en el brainstorming deben cumplir que los materiales sean:
- Plumavit de alta densidad (1,0 x 0,5 x 0,3 [m3]).
- Algunos materiales extras de bajo costo.
Además se debe conseiderar que la implementación sea fácil y rápida, y que no afecte la comodidad del chofer.
Algunas alternativas:
Algunas alternativas:
• Alternativa 1:
Con ayuda de alambres, amarrar dos secciones de la plancha de plumavit en forma de ’V’ en el manubrio de la bicicleta, para que corte el aire al cual se enfrenta, disminuyendo su roce.
• Alternativa 2:
Partir el plumavit en dos, y amarrar los pedazos a la altura del asiento en forma oblicua, redirigiendo el aire hacia la parte posterior del ciclista, intentando desminuir la diferencia de presión entre la parte delantera y trasera.
• Alternativa 3:
Cubrir las ruedas de las corrientes de aire producto del propio desplazamiento. Esta idea basada en los principios de cubrir las ruedas de los autos para disminuir la fuerza de arrastre.
Análisis de las alternativas:
Alternativa 1: Rechazada, buscando información respecto a la aerodinámica, encontramos que es lo usual es creer que la parte frontal en forma de punta sirve para cortar el aire y aumenta la velocidad; pero lo cierto es que esto produce mas "vacío" detrás de las placas y una mayor fuerza de arrastre (contraria al movimiento).
Alternativa2: Es original, ya que el artefacto está en la parte posterior, no anterior. Fácil de construir, mejora aerodinámica.
Alternativa 3: Rechazada, La idea 3 también la desechamos, ya que no alcanza 1 metro de plumavit y no nos parece el material más útil para esto. Como dato, mencionamos que lo ideal sería ruedas cubiertas en una carrera de F1, pero las reglas de competición prohíben esto.
5.0 ALTERNATIVA SELECCIONADA Y PLAN DE TRABAJO
Que sea V doble, significa que a cada lado de la bicicleta irán 2 placas. La idea se escogió debido a que esta V transforma la forma del sistema bicicleta-conductor en una gota de agua. Así el flujo circula mejor y no se produce tanta fuerza de arrastre. Además es poco material, liviano, fácil de montar, ya que mediante alambres o algún sistema similar se anexará a la conexión del asiento con la bicicleta.
Eso sí, no cumple un aspecto que ayuda en la aerodinámica, que es trasladar el centro de gravedad hacia la punta. No nos interesará ese punto, ya que el material es liviano y la mayoría de la masa la aporta el conductor, que si va sentado más adelante.
Construcción
Para concretizar el proyecto, nos bastará con la placa de plumavit entregada por el curso y alambre. El costo de alambre y materiales extra (pruebas previas, errores) no superará $5.000. 
Las dimensiones de la placa aún no están claras, ya que depende de la bicicleta usada.
Lo ideal será que el trabajo será en equipo, en serie, uno marcará, otro cortará, otro ensamblará.
Lo ideal será que el trabajo será en equipo, en serie, uno marcará, otro cortará, otro ensamblará.
6.0 COMENTARIOS DEL PROFESOR Y NOTA DEL INFORME
