DISPOSITIVO AEROSUPPORT

Aqui mostraremos planos del diseño final de nuestro dispositivo, Aerosupport, junto con fotos de su implementación:

Vista 3D prototipo

Vista 3D cilindros

Corte del AeroSupport

Planta cilindro

Cambio del área transveral por posición del ciclista

Posición del AeroSupport

Dispositivo final

Evolución en la aerodinámica de los medios de transporte

Desde que se descubrió el efecto de la aerodinámica sobre la velocidad, las formas de los diferentes tipos de vehículos ha ido evolucionando notablemente. Esto lleva a que algunos modelos consuman más combustible que otros. Esto es de interés para nosotros ya que todos usamos al menos uno de los medios de transporte que se tratan en este informe.

En la actualidad las soluciones dadas para mejorar la aerodinámica en medios de transporte es amplia y por ende nos puede dar nociones básicas para crear nuestro dispositivo. Es por esta razón que presentamos cuatro casos de innovación aerodinámica:

i) Automóviles:

En la naturaleza, se puede observar que cuando cae el agua, al ser un líquido, toma por si sola la forma característica de gota, ya que la fuerza que hace el aire sobre el agua, distribuye su masa de tal forma que ofrece la mínima resistencia. En la figura siguiente se puede apreciar que la forma de gota es la menos resistente al aire.

Cuando se inventó el automóvil sólo se pensaba en este como un medio de transporte, y las velocidades conseguidas sólo dependían de la cilindrada y la potencia de su motor. A finales del siglo XIX y principios del siglo XX, la preocupación de los fabricantes de automóviles estaba centrada en el desarrollo y optimización de los componentes mecánicos de un automóvil (motor y transmisión). Todo esto se matizaba con una carrocería a la moda, generalmente diseñada por carroceros italianos o ingleses, con un fin más estético que ingenieril.

En el pasado, las formas de los automóviles respondían a la imaginación de especialistas o ingenieros que concebían las carrocerías. A los años 30, el coeficiente de penetración era de 1.50, lo cual afectaba a los vehículos en cierta medida, puesto que los hacía consumir cantidades altas de combustible, lo que explicaba la baja autonomía producida por la carga aerodinámica, que no era todavía tan notoria porque los vehículos no eran tan rápidos.

Más tarde, extensivos análisis realizados por ingenieros demostraron que los automóviles estaban diseñados "literalmente a la inversa". Las altas parrillas, largos capots y parachoques, extremadamente largos, luchaban contra el viento malgastando combustible y reduciendo las velocidades máximas.

Algunos factores que afectan la aerodinámica de los automóviles son:

· Las parrillas perjudican la aerodinámica, aunque no lleven nada.

· El enrasado de las ventanillas, eliminar los vierteaguas, el carenado del limpiaparabrisas y tener un tapón de deposito de gasolina liso, mejoran la aerodinámica.

· Las formas suaves 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.

· Los bajos carenados son una solución poco utilizada, pero efectiva. Además, se pueden utilizar para pegar más el coche al firme, con muy poca penalización en la resistencia.

· La cantidad de superficie que se enfrenta al viento un factor importante que determina la resistencia aerodinámica final.

Talbot de 1923

Audi A2 (2001)

Pero el diseño de un automóvil de calle con formas como las de la última imagen, no tendría ninguna utilidad para la sociedad. En el diseño de un automóvil, además de los gustos estéticos exteriores, tiene mucha importancia el diseño interior; basado en la ergonomía y el llamado confort, limitando en gran medida la posibilidad de crear automóviles con un Cx muy bajo, ya que la habitabilidad y la comodidad se verían muy disminuídas y estos modelos no tendrían ninguna salida en el mercado.

ii) Motocicletas:

De acuerdo a los diferentes tipos de moto se busca penetrar o proteger, no pueden lograrse ambas a la vez. Proteger es meter al conductor, incluso al acompañante dentro de la burbuja que se forma por el desprendimiento de la corriente, la estela es grande y por tanto la potencia a la rueda se consume en su gran mayoría para vencer la resistencia aerodinámica.

Penetrar es conseguir que el piloto se integre en el carenado de la moto y que la corriente se desprenda tarde, por tanto la resistencia aerodinámica sea lo menor posible.

Para el caso de las motos, cabe mencionar las deportivas, que son las más aerodinámicas. Las motos deportivas son unos modelos de motocicletas que derivan de las grandes motos utilizadas en competiciones de velocidad y de grandes premios. Son más pequeños y ligeras que las motocicletas de carretera debido a que son capaces de acelerar más rápidamente que éstas y son capaces de alcanzar velocidades mayores.

En este tipo de motocicletas lo que prima por encima de todo son las prestaciones deportivas. Muchas veces se sacrifica las cualidades turísticas. Esto quiere decir que son motos algo menos manejables que las carreteras de carretera a bajas velocidades. Y también se ha sacrificado la comodidad (son menos confortables) en la búsqueda de una mayor aerodinámica.

Moto sin consideraciones aerodinámicas

Moto deportiva

Si nos fijamos en este último modelo, el diseño contempla una parte de apoyo para el cuerpo con el fin de que el conductor de la motocicleta vaya lo más agachado posible para disminuir el área frontal (lo que nosotros también queremos lograr con el proyecto).

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 morro 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 de alrededor de 7 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.

iii) Ferrocarriles:

Las formas que han ido tomando las locomotoras con el paso del tiempo son debidas a la alta presión a la que se ve sometida la locomotora del tren al vencer la resistencia que presenta el aire. Esta presión es mucho menor en la parte trasera del tren.

Cuando se afronta un estudio aerodinámico en ferrocarriles en lugar de diseñar la locomotora y los vagones por separado se conciben los trenes al principio como entidades completas, y así es como se puede observar que todos los vehículos del tren en la actualidad tienen unos faldones en la parte inferior de los vehículos que controlan la corriente de aire por debajo del coche, para luego estudiar por separado la locomotora y los vagones; a estos últimos se les equipa con unos muelles de goma y otros de aire en la carrocería para mantener el vehículo a una altura constante en virtud de la variación de la presión del aire a medida que la carga de pasajeros aumenta o disminuye.

Hace poco un tren francés batió el récord mundial de velocidad al alcanzar 574,8 kilómetros por hora. Para lograrlo, el tren fue sometido a una serie de adaptaciones, como el aumento del diámetro de las ruedas de 92 a 109,2 centímetros para limitar la rotación de los motores, o unas coberturas entre los vagones para mejorar la aerodinámica.

Las imágenes a continuación muestran la evolución que han tenido los ferrocarriles, el último es el tren que se mencionaba anteriormente.

iv) Aviones:

El principio de funcionamiento de los aviones se basa en la fuerza aerodinámica que actúa sobre las alas, haciendo que la misma produzca una sustentación.

Un ala (o plano aerodinámico) está diseñada de forma que el aire fluya más rápidamente sobre la superficie superior que sobre la inferior, lo que provoca una disminución de presión en la superficie de arriba con respecto a la de abajo. Esta diferencia de presiones proporciona la fuerza de sustentación que mantiene el avión en vuelo.

A lo largo del tiempo, el diseño de las alas de los aviones ha evolucionado, junto con la forma. Cabe recalcar que hay otros factores que hubo que superar para que los aviones volaran, como es el problema de la temperatura y otros relacionados con la mecánica de fluidos. A continuación vemos fotos de los cambios que han habido.

Medición de variables relevantes

Velocidades

Para medir Velocidades utilizaremos el concepto de Cadencia del pedaleo. Este se refiere a las revoluciones por minuto que imprime el ciclista en el pedaleo. El método consistirá en hacer un cálculo aproximado de la cadencia mediante la observación simple del ciclista, y por medio de este cálculo obtener la Velocidad.

Se cuenta la cantidad de veces que un mismo pedal llega al punto inferior de su trayecto (cerca del suelo) durante un periodo de 15 seg. Luego multiplicamos esta cantidad por 4 obteniendo las revoluciones por minuto de la bicicleta. Finalmente multiplicamos esta cantidad por el Perímetro de la Rueda de la bicicleta y dividimos por 60, obteniendo la velocidad media del ciclista en m/s.

v: Velocidad Media de la bicicleta en m/s

V: Cadencia de pedaleo o revoluciones por minuto

R: Radio de la Rueda de la bicicleta en metros

Resistencias

El conjunto bicicleta-ciclista debe superar diferentes resistencias para que se produzca el desplazamiento. Las resistencias que se oponen al movimiento del ciclista son tres:

1. Resistencia de Rodadura. Es la resistencia que se genera por la fricción de las ruedas sobre el asfalto.
2. Resistencia a la Gravedad. Siempre que hay un cambio de altitud (cualquier mínima cuesta o pendiente supone un cambio de altitud) tenemos que vencer la resistencia de la gravedad, que va a ser proporcional al peso y a la diferencia de altitud.
3. Resistencia Aerodinámica. A pesar de que parece que no existe el aire o que no ofrece ninguna resistencia al avance, esta resistencia aumenta de forma exponencial con la velocidad de desplazamiento. A velocidades inferiores a los 15-20 kms/hora (sin viento) la resistencia aerodinámica es muy baja, pero a velocidades de desplazamiento superiores a los 30 kms/hora (sin viento) la resistencia aerodinámica se convierte en la resistencia más importante (y con mucha diferencia) que tiene que vencer el ciclista.

Para calcular en una situación real cada una de estas Resistencias seguiremos el siguiente procedimiento:

Resistencia a la Rodadura:

Incluiremos en esta Resistencia las generadas por la fricción de los diferentes elementos mecánicos de la bicicleta.

Primero eliminaremos la Resistencia a la Gravedad utilizando un campo de prueba sin cambios de altura y pendiente 0. Se hará una prueba a velocidad aproximada de 15-20 km/hora para así despreciar también el efecto de la Resistencia del Aire, la cual a esas velocidades es mínima. De esta manera, la única resistencia actuando será la de Rodadura o de Fricción de las Ruedas sobre el asfalto. Se mide el tiempo que se demora en disminuir notoriamente la velocidad la bicicleta luego de ser impulsada con una velocidad inicial pequeña. Se obtiene la aceleración de la bicicleta:

Mediante la ley de Newton se puede obtener la fuerza buscada

F: Fuerza de Roce

m: Masa del conjunto bicicleta-ciclista

a: Aceleración

Mediante la Ley de Roce podemos obtener un coeficiente de Roce Dinámico para esa superficie y bicicleta en particular.

F=u*n

Este coeficiente será útil para las pruebas realizadas bajo las mismas condiciones anteriores (Misma superficie, misma bicicleta, misma presión en los neumáticos, etc.)

Resistencia a la Gravedad

Esta no la calcularemos pues no es de nuestro interés para el proyecto ya que sólo influyen el peso del conjunto bicicleta-ciclista y la pendiente o diferencia de altura. El Dispositivo que diseñemos no podrá influir en esta Resistencia.

Resistencia Aerodinámica

Repetimos el ensayo realizado para obtener la Resistencia a la Rodadura pero esta vez a velocidad mayores a 30 km/hora. De esta manera se puede hacer un análisis de fuerzas en donde podremos despejar la Resistencia Aerodinámica, pues conocemos la de la Rodadura.

m: Masa del conjunto bicicleta-ciclista

a: Aceleración

Presiones

La Presión ejercida sobre el conjunto bicicleta-ciclista se puede medir claculando la Resistencia Aetrodinámica total sobre el conjunto y la superficie total sobre la cual es ejercida. La primer parte ya sabemos como clacularla. La superficie debe ser sólo la que está “de frente”, la cual podemos calcular en forma aproximada proyectándola en un plano. Esto es utilizando la “sombra” generada por el conjunto.

Análisis Aerodinámico

Un análisis aerodinámico se refiere a desarrollar un estudio de las acciones que aparecen sobre un cuerpo sólido debido a un movimiento relativo entre éste y un fluido que lo baña, específicamente un gas. En nuestro caso particular realizaremos un análisis de las acciones debido al movimiento relativo entre el aire y la bicicleta.

Para ello, analizaremos diferentes propiedades del fluido como la velocidad, presión, densidad y temperatura en función del tiempo y punto estudiado.

Podemos realizar un modelo del fuido, asumiendo ciertas hipótesis básicas y razonables, para lograr calcular las fuerzas y momentos que actúan sobre la bicicleta.

Consideremos un esquema en el que la bicicleta va en movimiento como sigue:

Ahora bien, con todo esto podemos calcular ciertas fuerzas aerodinámicas relacionadas al movimiento de la bicicleta.

Por un lado se tiene la Fuerza de Sustentación (L), generada por el movimiento de un cuerpo en un fluido, en dirección perpendicular a la velocidad de la corriente incidente.

En segundo lugar se tiene la Fuerza de Arrastre (D) o Resistencia Aerodinámica, la cual surge del movimiento frontal entre el cuerpo y el fluido, en la dirección de la velocidad relativa entre ellos. Esta fuerza es siempre de sentido contrario a la velocidad relativa, por ende es opuesta al movimiento del cuerpo.

Estas fuerzas se calculan respectivamente:

Los coeficientes aerodinámicos (Cl,Cd) mencionados son adimensionales, y se obtienen experimentalmente según el tipo de fluido que se analice.
Estas fuerzas son importantes en nuestro análisis ya que con ellos podemos identificar cuáles son las variables que influyen en el aspecto aerodinámico de la bicicleta. Básicamente nuestro estudio se basa en mejorar la velocidad del ciclista sin hacer mayor esfuerzo, con lo cual debemos mejorar dos variables esencialmente, ya sean los coeficientes aerodinámicos (en especial el de arrastre, ya que es la fuerza fundamental de oposición al movimiento del ciclista) o el área transversal de contacto entre el ciclista y el aire.

En nuestro análisis entonces es fundamental tomar las siguientes variables para el problema:

• Presión, área y velocidades del aire en un tubo de flujo determinado, en el cual está la bicicleta en movimiento.
• Masa específica del aire
• Velocidad del ciclista
• Área transversal del ciclista y bicicleta
• Forma y tamaño del sistema conformado por ciclista y bicicleta

De hecho es importante hacer notar que algunos dispositivos de la bicicleta tales como cambios, frenos y otros, en el manubrio, tanto como los pedales y sistema de amortiguación, afectan la aerodinámica de la bicicleta, ya que para mejorarla es necesario superficies lo más lisas y simples posibles, es decir sin muchas discontinuidades. Además, no sólo se debe considerar la parte delantera de la bicicleta, sino que también la parte trasera, ya que el fluido tiene movimiento respecto al sistema completo del ciclista-bicicleta.
Es por esto que nuestro análisis tomará como aspectos fundamentales a evaluar para la propuesta el área transversal del sistema ciclista-bicicleta.
Por último, es importante hacer notar que debido a la complejidad de fenómenos que ocurren en el movimiento de un fluido cuando tiene un cuerpo en movimiento en su interior, nuestro modelo es una simplificación de la realidad, pero que aún así es válido para el estudio de nuestro problema y creación de la propuesta.

COMPETENCIAS Y HABILIDADES DESARROLLADAS

En una primera etapa de la elaboración del proyecto podemos contar con una amplia gama de conocimientos adquiridos referentes a cómo es el funcionamiento de los cuerpos al interior de los fluidos como lo es la fuerza de arrastre que es una fuerza que se produce a partir de un cuerpo que esta inmerso al interior de un fluido en donde a partir de la acción dinámica del movimiento del fluido se producen dichas fuerzas, por la acción que se produce entre el sólido y el fluido.

Fuerza de Arrastre

Esta es una fuerza mecánica que se opone al movimiento del cuerpo.

La formula general para la fuerza de arrastre esta dada por:

Donde C_d se denomina coeficiente de arrastre este depende de una serie de factores tales como: la forma del cuerpo, el material del cuerpo, la velocidad, es decir es una función del numero de Reynolds, por lo que se necesita hacer una distinción entre la fluctuación del numero de Reynolds dependiendo si el fluido es turbulento o laminar, la cual se explica mas adelante, _f es la densidad del medio, A es el área de la sección transversal al movimiento y v es la velocidad relativa que presenta el objeto con respecto al aire.
La fuerza de arrastre esta compuesta por una componente que se origina por las diferencias de presiones en el objeto debido a las velocidades locales (fuerza de forma) y por otra producida por las fuerzas de corte del fluido (fuerza de fricción).
Otro concepto que podemos incluir en nuestro análisis al momento de hablar de hablar de un fluido real que posee viscosidad es el concepto de: separación, estela y capa limite que están estrechamente relacionados. La capa límite es una capa de fluido muy delgada que está en contacto con una superficie sólida, dentro de la cual no se pueden despreciar los efectos viscosos. Es una capa de fluido cuya velocidad es afectada por la fuerza cortante en la frontera y está muy enlazada al momento de hablar de la aerodinámica de un cuerpo, ya que la viscosidad de los fluidos hace que en la zona de contacto con el objeto no haya deslizamiento, lo cual produce que tanto los gradientes de velocidad, como el esfuerzo tangencial sean máximos en estas zonas, haciendo que la velocidad de esta área se aproxima asintóticamente a la del flujo principal. Por esta razón en un cuerpo aerodinámico la capa es muy delgada corriente arriba, como también incide cuando se presentan diferencias entre superficies planas y rugosas, en donde las primeras presentan un espesor menor de la capa límite que en estas últimas.
La separación se produce gracias a la acción del gradiente de presiones sobre la superficie de los cuerpos en un flujo, éste deja de seguir el contorno del cuerpo en un determinado punto llamado punto de separación. Si consideramos una delgada capa de fluido en contacto con la pared de un cuerpo y completamente dentro de la capa límite, esta delgada capa es arrastrada por el empuje viscoso del fluido y es retardada por la fricción en la pared siendo esta modificada. Si la presión es favorable, es decir, si decrece en la dirección del flujo, la delgada capa continuará moviéndose hacia adelante. Pero la velocidad cerca de la pared es pequeña y si la presión crece en la dirección del flujo el momentum del fluido puede ser insuficiente para abrirse paso y esto podría detener completamente el fluido y pudiera incluso tener un retroceso a baja velocidad. Es así como el flujo puede despegarse de la superficie del cuerpo.

La separación produce una zona de gran turbulencia y una uniformidad de presiones al interior de la capa límite, que es la que se traduce en una resistencia de forma o la fuerza de forma. La estela se produce a raíz del fenómeno de separación de la capa límite, tanto la separación como la estela tienen gran importancia en la presión de arrastre sobre los cuerpos.
Si se disminuye la separación sobre un cuerpo la capa límite permanece delgada disminuyendo la presión de arrastre, con lo cual se hace mas aerodinámico el objeto en estudio.

Cuando hablamos de fluidos reales en donde no podemos despreciar los efectos de viscosidad debemos tener en cuenta la diferenciación entre un fluido laminar o turbulento al momento de estudiar el comportamiento de las fuerzas en dichos fluidos. Los fluidos laminares se refieren a flujos ordenados mediante capas o láminas, que hace que en general el flujo tenga valores medios de las propiedad que lo definen en el tiempo, se caracterizan por tener un bajo numero de Reynolds. Los flujos turbulentos poseen un escurrimiento desordenado al cual se le relacionan con un conjunto de remolinos que desordenan el flujo, tienen un elevado número de Reynolds, estos afectan en gran medida a la capa límite entre el fluido y el cuerpo proporcionándole un mayor espesor a la capa límite y con ello un aumento de la fuerza de arrastre.

VI. IMPLEMENTACIÓN

Podemos concluir después de haber realizado la experiencia que es fundamental tener un diseño del dispositivo listo antes de comenzar cualquier otra actividad, es decir no sólo tener la idea general, sino un prototipo con medidas, forma, de tal forma que la concretización del mismo sea fácil.

Creemos que principalmente hay que dar prioridad al diseño y es tal vez la etapa que toma más tiempo, pero al tenerla lista la materialización del proyecto no debería ser un problema. Además es necesario hacerlo anticipadamente de tal forma de poder validar el prototipo, es decir poder medir realmente su efectividad, y en caso de que existiese una dificultad constructiva respecto a lo planeado, poder alcanzar a modificarla y tratar de encontrar otras soluciones. Desde nuestra experiencia podemos decir que nos demoramos más de la cuenta en el diseño, ya que sólo teníamos una idea general y la forma, pero debimos luego ver las medidas, manera de colocación en la bicicleta, características generales como son la forma del soporte y el de hacer alturas regulables. Al tener esto terminado y realizar planos del diseño tuvimos una real idea de cómo lo construiríamos y la construcción en sí tomó menos de dos tardes, lo cual nos dio tiempo de poder validar el prototipo.

6.1 Cronología

Según lo programado, la etapa de materialización tardó alrededor de 1 mes, pero en sí el tiempo para la construcción y validación del prototipo fue de 2 semanas en total. De hecho la construcción del dispositivo demoró menos de lo planeado, ya que sólo duró 12 hrs cronológicas, para luego hacer la validación, que se realizó en alrededor de 10 hrs cronológicas, y volver a realizar los últimos cambios y afinar detalles como color, terminaciones superficiales, lo cual se llevó a cabo en 5 hrs.

A continuación presentamos una carta Gantt con todas las actividades realizadas durante el proceso de este proyecto.

6.2 Costos

Considerando el plumavit entregado y adicionalmente los materiales necesarios para construir finalmente el dispositivo se obtuvo un total de $13.080 pesos, los cuales fueron distribuidos de la siguiente forma como se muestra en la tabla:

6.1 Evaluación de desempeño

Nuestro dispositivo logra reducir el área transversal en un 15% al cambiar la posición del ciclista, con lo cual claramente siguiendo la fórmula teórica de Fuerza de Arrastre dada como ya mostramos:

El área medida inicialmente fue de 0.64 m2, mientras que al usar nuestro dispositivo se logra un área transversal de 0.52 m2, lo cual es aproximadamente un 15%.

Luego entonces la Fuerza de arrastre y el área son proporcionales, luego si ésta disminuye en un 15%, entonces también lo hace la Fuerza de arrastre, mejorando la aerodinámica del dispositivo. En las siguientes imágenes vemos cómo cambia la posición del usuario con el "Aerosupport" :

Posición inicial (Área mayor)

Posición con AeroSupport (Área menor en un 15%)

Otro factor que puede comprobar la mejora en la aerodinámica de la bicicleta es el aumento en la velocidad al usar el dispositivo, implicando que al obtener una posición más baja, con el mismo esfuerzo se logra mayor velocidad porque estamos dismnuyendo la Fuerza de Arrastre y hay mejores condiciones en el flujo del aire, es decir, hay un flujo menos turbulento.

6.2 Conclusiones

Teniendo en consideración los cálculos realizados, podemos ver que nuestro prototipo otorga una mejora mínima del 15% de disminución en la Fuerza de Arrastre al disminuir el área, el cual se ve incrementado porque además mejoramos la aerodinámica del conjunto ciclista-bicicleta al cambiar la posición del usuario, cambiando por cierto el coeficiente de arrastre, el cual es un poco más difícil de medir, por lo cual estimamos que producimos una mejora adicional del 5 a 10%. Con todo esto, tal como lo hemos demostrado con los cálculos realizados, nuestro dispositivo “AeroSupport” logra una efectividad del 25% en la disminución de la Fuerza de Arrastre, otorgando una mayor velocidad al usuario en comparación a la bicicleta sin el dispositivo.

Dentro de las mejoras que consideramos aún pueden hacerse a “AeroSupport”, es poder hacer un sistema de ajuste con mayor capacidad, así como también la forma del soporte en contacto con el cuerpo podría tener una forma más redondeada en la parte frontal, para lo cual es necesario materiales de mayor resistencia para que aún con menor área de soporte, la persona pueda inclinarse sin problemas. La forma ideal del soporte superior sería como la parte frontal de los automóviles, tal como una gota de agua (vista en planta) de tal forma que el aire tenga la menor turbulencia posible cuando se enfrenta al ciclista.

V. ALTERNATIVA SELECCIONADA Y PLAN DE TRABAJO

El trabajo, la energía que desarrolla el ciclista sobre la bicicleta tiene que superar diferentes resistencias para que se produzca el desplazamiento. Las resistencias que se oponen al movimiento del ciclista son tres:

1. Resistencia de Rodadura. Es la resistencia que se genera por la fricción de las ruedas sobre el asfalto.
2. Resistencia a la Gravedad. Siempre que hay un cambio de altura tenemos que vencer la resistencia de la gravedad.
3. Fuerza de Arrastre o Resistencia Aerodinámica. A pesar de que parece que no existe el aire o que no ofrece ninguna resistencia al avance, esta resistencia aumenta de forma exponencial con la velocidad de desplazamiento. A velocidades menores a los 15-20 [km/h] la resistencia aerodinámica es muy baja, pero a velocidades de desplazamiento superiores a los 30 [km/h] la resistencia aerodinámica se convierte en la resistencia más importante que tiene que vencer el ciclista.

Por este motivo nuestra solución se enfoca en disminuir la Fuerza de Arrastre.

El ciclista causa de 65% a 80% de la resistencia total del aire. Por lo tanto, la postura del ciclista es muy importante. Diversas pruebas han demostrado que la posición adecuada del cuerpo puede reducir la resistencia del aire hasta en un 31% con respecto a una posición vertical.
Los nuevos manubrios han permitido que los ciclistas logren obtener una posición aerodinámica óptima. Esta posición consiste en agachar la cabeza, manteniendo la espalda derecha. Aún así se puede pedalear eficientemente. En esta posición la resistencia del aire se reduce en un 25%.
Esta posición puede ser muy incómoda para el ciclista en una bicicleta convencional. Es por eso que diseñamos un dispositivo que permitirá al ciclista adoptar esta posición correctamente y de una manera más cómoda.

5.1 Descripción física del diseño

El dispositivo es un cilindro base ahuecado en la parte superior con diámetro de 12 cm y orificio de 7.5 cm de diámetro, dentro del cual irá otro cilindro de 7 cm macizo de plumavit que tendrá en la parte superior el soporte para el usuario de tal forma que pueda cambiar su posición, y así el ciclista podrá poyarse adoptando una posición horizontal y con la cabeza agachada. El cilindro inferior, el cual tiene una altura de 19 cm, posee en la parte inferior 5 cm de plumavit macizo al cual se le hicieron orficios para poner dos sujetadores plásticos que fijarán el dispositivo a la bicicleta.

Perspectiva 3D del dispostivo

Vista 3D cilindro base

Corte del dispositivo con cilindros base e interior y soporte

El diseño tendrá dos funciones prioritarias:

· Debe generar confort al ciclista permitiéndole descansar.

· Debe forzar al ciclista a adoptar una posición que favorezca a la aerodinámica del conjunto ciclista-bicicleta.

Con esto en mente, diseñamos un prototipo del dispositivo. Como se puede ver en el esquema, las partes básicas del dispositivo son:

· Cilindro con sujetadores plásticos: el cuál afirmará el dispositivo a la bicicleta.

· Regulador de altura: Ambos cilindros poseen orificios con tubos de PVC interior (para dar mayor resistencia) para poder regular la altura del soporte según la bicicleta y el usuario.

· Punto de Apoyo: Soporte superior en forma de manto, donde el ciclista podrá descansar adoptando al mismo tiempo una posición que favorezca a la aerodinámica.

5.2 Plan de trabajo final

El Plan de Trabajo se dividirá en tres partes; Profundización de aspectos teóricos-Prácticos, Pruebas y Simulaciones de las soluciones encontradas, Construcción del dispositivo final.

La primera parte consiste en investigar de manera más profunda como realizar cada una de las partes que componen el dispositivo para así utilizar el más productivo y eficiente. La investigación se centrará en 4 puntos.

· Especificaciones de la posición ideal que puede adoptar el ciclista sin afectar en el pedaleo o su salud.

· Diversas formas de sujetar el dispositivo a la bicicleta. Hay que poner especial énfasis en que no “resbale” y en que pueda ponerse y sacarse fácilmente sin modificar la bicicleta en sí.

· Maneras de regular la altura del dispositivo. Poner énfasis e que sea fácilmente realizable por el usuario (ciclista).

· Punto de apoyo óptimo del ciclista para que no afecte en sus funciones (Pedalear, respirar, etc.).

La segunda parte consiste en probar las distintas soluciones parciales encontradas para optar por las que contribuyen más en nuestro diseño. Para ser más eficientes como grupo, la primera parte la haremos por separado investigando cada uno un tema específico. Luego para poder complementar nuestras ideas haremos la selección de las soluciones parciales en conjunto por medio de ensayos prácticos.

Adicionalmente presentamos una Carta Gantt con las actividades que realizaremos en los plazos y fechas según la planificación realizada. Se muestran todas las etapas, desde la parte previa de investigación hasta la etapa de materialización y posterior implementación del dispositivo.

Finalmente la construcción del dispositivo se hará en conjunto. Una vez definida las soluciones parciales para el diseño podremos definir mejor como será la construcción del dispositivo final.

5.3 Estimación de costos

Para realizar una estimación necesitamos decidir como solucionaremos cada una de las partes de nuestro dispositivo. Podemos estimar que los costos no serán muy grandes puesto que los problemas que queremos solucionar no requieren grandes tecnologías.

Preliminarmente, los costos de materiales y herramientas a utilizar son los siguientes:

Es importante considerar que esta etapa aún está en proceso ya que pueden requerirse otras herramientas adicionales, pero teniendo presente que el costo debe ser mínimo, cumpliendo con las restricciones del proyecto.

5.1 Predicción del desempeño

En general, el empuje del viento sobre una superficie plana perpendicular a él viene dado por:

F: Fuerza en Kilogramos

v: Velocidad del viento en km/h

A: Área de la superficie plana en m2

Una bicicleta con el ciclista claramente no constituye una superficie plana pero pueden aproximarse a superficies cilíndricas (brazos y piernas, neumáticos, fierros, etc.). En la fórmula anterior, si en vez de ser una superficie plana, se trata de una superficie cilíndrica convexa, la fuerza ejercida es el 60% del valor dado. Como no es exactamente una superficie cilíndrica, tomaremos el 70% (en vez del 60%).

De esta manera, la resistencia del aire sobre el ciclista y su bicicleta puede aproximarse:

F: Fuerza en Kilogramos

v: Velocidad relativa del ciclista con respecto al aire km/h

A: Área de la superficie del ciclista y la bicicleta expuesta al aire en m2

Podemos ver en esta expresión que la resistencia ejercida por el aire es directamente proporcional a la superficie y al cuadrado de la velocidad.

Nuestro dispositivo contribuye en minimizar esta fuerza al disminuir el área del ciclista expuesta al aire. Si consideramos los extremos, una persona andando en bicicleta en posición vertical, versus una persona en posición horizontal apoyada en el dispositivo, la superficie antes mencionada se reduciría por lo menos en un 30%. Así podemos predecir que de usar el dispositivo, la resistencia ejercida por el aire disminuiría alrededor de un 30%.

Como vimos anteriormente, esta resistencia cobra especial importancia para velocidades mayores a los 30 [km/h]. A estas velocidades, el uso de nuestro dispositivo permitiría mejorar la velocidad de la bicicleta aproximadamente en un 30%