martes, 22 de mayo de 2007
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:
F = 1/2* C(d)*p(f)*A*v^2
Donde Cd 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.
1.2 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:
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:
F = 1/2* C(d)*p(f)*A*v^2
Donde Cd 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.
1.2 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.
Los coeficientes aerodinámicos 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.
Medición de variables en situación aerodinámica
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.
: Velocidad Media de la bicicleta en m/s
: Cadencia de pedaleo o revoluciones por minuto
: 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:
Resistencia de Rodadura. Es la resistencia que se genera por la fricción de las ruedas sobre el asfalto.
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.
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
: Fuerza de Roce
: Masa del conjunto bicicleta-ciclista
: Aceleración
Mediante la Ley de Roce podemos obtener un coeficiente de Roce Dinámico para esa superficie y bicicleta en particular.
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.
: Masa del conjunto bicicleta-ciclista
: 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.
I. DEFINICIÓN DEL PROYECTO Y PROCESO DE DISEÑO
1.1. Definición del Problema
Uno de los grandes problemas que existen hoy en día desde la perspectiva de la ciencia y la tecnología, corresponde a la mejora aerodinámica de los aparatos que están involucrados en una estrecha interacción con los fluidos, ya sea para mejorar la rapidez de un deportista o la eficiencia de un medio de transporte. Estos avances se pueden aplicar en diversos campos como son el automovilismo, la aeronáutica, ferroviario y en transporte en general.
El problema al cual nos enfrentamos es la mejora aerodinámica de una bicicleta, el cual resolveremos a partir de la instalación de un dispositivo de plumavit confeccionado por nosotros que optimice de manera clara y sustancial los efectos de la aerodinámica.
Entrando en profundidad con respecto al diseño del objeto, tomamos en cuenta el cálculo de la fuerza de arrastre y los factores que están implicados directamente, en donde enfatizamos la reducción del área transversal del ciclista en su totalidad. Un aspecto que no es muy abordado si analizamos la forma en que hoy se comercializan las bicicletas ordinarias, ya que si nos enfocamos en la posición de una persona que monta una bicicleta, en donde ésta posee una postura casi de 90º, en relación de su tronco con la posición de sus piernas, nos percatamos que el área transversal abarcado en esta postura es extremadamente cuantiosa, por lo que deducimos que existe una nula preocupación ante esta dificultad que quisiéramos solucionar con nuestro diseño. Presentamos una corrección de la postura a partir de un tipo de soporte que se ubica en el espacio que existe entre el marco de la bicicleta y el tronco de la persona proporcionando un ajuste de inclinación del tronco de alrededor de unos 30º, disminuyendo de esa forma el área transversal en contacto con el fluido.
1.2 Objetivos del Proyecto
El objetivo principal de este proyecto es conceptualizar, diseñar y materializar un dispositivo innovador, de fácil instalación y cómodo para el usuario para mejorar la aerodinámica del sistema bicicleta-ciclista.
Como objetivos secundarios podemos considerar los siguientes:
Ser capaces de informarnos acerca del tema de la aerodinámica en sí para internalizar ciertos conceptos básicos que luego aplicaremos en el diseño de nuestro prototipo.
Ser capaces de trabajar en grupo, con plazos determinados y ciertos requerimientos básicos del proyecto.
Ajustarnos a las restricciones presupuestarias y de materiales especificadas en el proyecto.
Crear una propuesta aterrizada respecto a los gastos que pueden haber al momento de incorporar más elementos como también en la implementación o en lo referente al mismo diseño.
Como objetivos específicos del propio dispositivo a diseñar podemos mencionar:
Un dispositivo que asegure una modificación clara y sustancial al problema de la aerodinámica.
Enfocarnos en la variable del área transversal que afecta directamente a la eficiencia aerodinámica.
Implementar un diseño que proporcione una disminución sustantiva en el cálculo de la fuerza de arrastre, a partir de rebajar la magnitud del área transversal.
Un dispositivo que sea factible de implementar, guardando las proporciones de las restricciones al trabajar con un material especificado.
Un objeto que sea fácil de montar y desmontar de una bicicleta a otra, y que además no sea invasivo para el usuario.
Un objeto que provee de una mayor comodidad al momento de montar la bicicleta.
Utilizar elementos que mejoren el aspecto de la bicicleta en vez de empeorarlo al momento de implantar el objeto.
1.3 Metodología de Trabajo
1.3.1 Etapas del Proyecto
El proyecto lo vamos a dividir en tres grandes etapas para definir de mejor forma la metodología de trabajo:
Investigación: Esta etapa consiste en la recopilación de información para tener idea acabada acerca del tema de la aerodinámica en general, aplicarlos a la bicicleta y así generar la solución óptima basándonos en los objetivos mencionados. idear diferentes alternativas que satisfagan los requerimientos del proyecto, comparando fortalezas y debilidades de cada una de ellas
Diseño y conceptualización de la Propuesta: Etapa que se basa en desarrollar la idea elegida en base a las especificaciones establecidas, analizando la propuesta elegida, en profundidad, el diseño físico, planificación, método de construcción y presupuesto.
Materialización de la propuesta: Esta etapa se refiere a la construcción del prototipo de la propuesta, verificando empíricamente lo estudiado en teoría para así obtener un dispositivo final que cumpla con los requerimientos del proyecto.
1.3.2 Plazos Generales
La primera etapa se inicia con la entrega del proyecto, el día 23 de abril, hasta el día de 14 de mayo, contemplando la investigación del tema, el brainstorming y la elección de la propuesta.
La segunda etapa comienza el día 14 de mayo hasta el día 22 de mayo, fecha de entrega del primer avance del proyecto. Esta etapa contempla el desarrollo de la propuesta elegida considerando metodología de construcción, planificación y análisis de costos.
Finalmente, la tercera etapa comienza el día 22 de mayo y termina el día 15 de junio, fecha de la presentación final del proyecto. Consideramos en esta etapa la compra de materiales, realización de un primer prototipo, pruebas y ensayo final para la entrega del prototipo terminado.
La metodología consiste en delimitar la disyuntiva de cómo vamos a mejorarlo y enfocarnos a la resolución del problema en base a los objetivos que queremos cumplir.
Desarrollar un diseño que cumpla con todas las aspiraciones del proyecto.
Organizar las actividades a todos los integrantes del grupo de forma equitativa una vez que estemos de acuerdo en lo que queremos lograr.
Rellenar con tópicos que tiene la carta gant como a modo de avance o introducción.
1.3.3 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.
Últimos autos de carrera, se ha adoptado la forma elíptica.
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.
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.
Uno de los grandes problemas que existen hoy en día desde la perspectiva de la ciencia y la tecnología, corresponde a la mejora aerodinámica de los aparatos que están involucrados en una estrecha interacción con los fluidos, ya sea para mejorar la rapidez de un deportista o la eficiencia de un medio de transporte. Estos avances se pueden aplicar en diversos campos como son el automovilismo, la aeronáutica, ferroviario y en transporte en general.
El problema al cual nos enfrentamos es la mejora aerodinámica de una bicicleta, el cual resolveremos a partir de la instalación de un dispositivo de plumavit confeccionado por nosotros que optimice de manera clara y sustancial los efectos de la aerodinámica.
Entrando en profundidad con respecto al diseño del objeto, tomamos en cuenta el cálculo de la fuerza de arrastre y los factores que están implicados directamente, en donde enfatizamos la reducción del área transversal del ciclista en su totalidad. Un aspecto que no es muy abordado si analizamos la forma en que hoy se comercializan las bicicletas ordinarias, ya que si nos enfocamos en la posición de una persona que monta una bicicleta, en donde ésta posee una postura casi de 90º, en relación de su tronco con la posición de sus piernas, nos percatamos que el área transversal abarcado en esta postura es extremadamente cuantiosa, por lo que deducimos que existe una nula preocupación ante esta dificultad que quisiéramos solucionar con nuestro diseño. Presentamos una corrección de la postura a partir de un tipo de soporte que se ubica en el espacio que existe entre el marco de la bicicleta y el tronco de la persona proporcionando un ajuste de inclinación del tronco de alrededor de unos 30º, disminuyendo de esa forma el área transversal en contacto con el fluido.
1.2 Objetivos del Proyecto
El objetivo principal de este proyecto es conceptualizar, diseñar y materializar un dispositivo innovador, de fácil instalación y cómodo para el usuario para mejorar la aerodinámica del sistema bicicleta-ciclista.
Como objetivos secundarios podemos considerar los siguientes:
Ser capaces de informarnos acerca del tema de la aerodinámica en sí para internalizar ciertos conceptos básicos que luego aplicaremos en el diseño de nuestro prototipo.
Ser capaces de trabajar en grupo, con plazos determinados y ciertos requerimientos básicos del proyecto.
Ajustarnos a las restricciones presupuestarias y de materiales especificadas en el proyecto.
Crear una propuesta aterrizada respecto a los gastos que pueden haber al momento de incorporar más elementos como también en la implementación o en lo referente al mismo diseño.
Como objetivos específicos del propio dispositivo a diseñar podemos mencionar:
Un dispositivo que asegure una modificación clara y sustancial al problema de la aerodinámica.
Enfocarnos en la variable del área transversal que afecta directamente a la eficiencia aerodinámica.
Implementar un diseño que proporcione una disminución sustantiva en el cálculo de la fuerza de arrastre, a partir de rebajar la magnitud del área transversal.
Un dispositivo que sea factible de implementar, guardando las proporciones de las restricciones al trabajar con un material especificado.
Un objeto que sea fácil de montar y desmontar de una bicicleta a otra, y que además no sea invasivo para el usuario.
Un objeto que provee de una mayor comodidad al momento de montar la bicicleta.
Utilizar elementos que mejoren el aspecto de la bicicleta en vez de empeorarlo al momento de implantar el objeto.
1.3 Metodología de Trabajo
1.3.1 Etapas del Proyecto
El proyecto lo vamos a dividir en tres grandes etapas para definir de mejor forma la metodología de trabajo:
Investigación: Esta etapa consiste en la recopilación de información para tener idea acabada acerca del tema de la aerodinámica en general, aplicarlos a la bicicleta y así generar la solución óptima basándonos en los objetivos mencionados. idear diferentes alternativas que satisfagan los requerimientos del proyecto, comparando fortalezas y debilidades de cada una de ellas
Diseño y conceptualización de la Propuesta: Etapa que se basa en desarrollar la idea elegida en base a las especificaciones establecidas, analizando la propuesta elegida, en profundidad, el diseño físico, planificación, método de construcción y presupuesto.
Materialización de la propuesta: Esta etapa se refiere a la construcción del prototipo de la propuesta, verificando empíricamente lo estudiado en teoría para así obtener un dispositivo final que cumpla con los requerimientos del proyecto.
1.3.2 Plazos Generales
La primera etapa se inicia con la entrega del proyecto, el día 23 de abril, hasta el día de 14 de mayo, contemplando la investigación del tema, el brainstorming y la elección de la propuesta.
La segunda etapa comienza el día 14 de mayo hasta el día 22 de mayo, fecha de entrega del primer avance del proyecto. Esta etapa contempla el desarrollo de la propuesta elegida considerando metodología de construcción, planificación y análisis de costos.
Finalmente, la tercera etapa comienza el día 22 de mayo y termina el día 15 de junio, fecha de la presentación final del proyecto. Consideramos en esta etapa la compra de materiales, realización de un primer prototipo, pruebas y ensayo final para la entrega del prototipo terminado.
La metodología consiste en delimitar la disyuntiva de cómo vamos a mejorarlo y enfocarnos a la resolución del problema en base a los objetivos que queremos cumplir.
Desarrollar un diseño que cumpla con todas las aspiraciones del proyecto.
Organizar las actividades a todos los integrantes del grupo de forma equitativa una vez que estemos de acuerdo en lo que queremos lograr.
Rellenar con tópicos que tiene la carta gant como a modo de avance o introducción.
1.3.3 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.
Últimos autos de carrera, se ha adoptado la forma elíptica.
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.
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.
II. IDENTIFICACIÓN DE METAS Y DIFICULTADES
- 2.1 Metas Generales del Proyecto
La meta fundamental para el proyecto en sí es que nuestra propuesta logre cumplir los requerimientos y especificaciones del proyecto, logrando así construir un dispositivo que mejore sustancialmente la aerodinámica de la bicicleta.
Otra meta importante es el hecho de construir un elemento “comercial”, esto es que el prototipo sea tan eficaz, cómodo y económico, que permita poder producirlo en serie en futuro, tal vez considerando materiales más elaborados como puede ser poliuretano y espuma.
La meta principal en esta primera etapa es cumplir satisfactoriamente los requisitos propuestos en el proyecto, tales como la identificación clara del problema y con ello haberlo abordado de la manera más acabada posible. Asimismo es importante fijarnos como meta tener los conocimientos básicos integrados para así luego resolver el problema.
En la segunda etapa, la meta clara es materializar de manera óptima el dispositivo diseñado, a través de pruebas y ensayos, comparando los experimentos empíricos con los cálculos teóricos obtenidos y así concluir si efectivamente el elemento construido logra mejorar el problema planteado. Además, otra meta importante es mostrar un proyecto viable desde el punto de vista de las limitaciones, como lo es la dimensión del trozo de plumavit y los gastos posteriores considerados en la implementación.
2.2 Actividades para cumplir las metas propuestas
Para cumplir nuestras metas, en primer lugar, está el proceso de información referente a los conocimientos que involucra el conocer la aerodinámica de vehículos, y en particular una bicicleta, es decir los factores que están presentes al momento de hacer un estudio para poder implementar y lograr una idea que cumpla con los objetivos propuestos en el proyecto.
Enseguida hacemos el “Brainstorming”, seleccionando la mejor idea a partir de las ventajas y desventajas que pueden tener las diferentes alternativas y la factibilidad tanto económica como de metodología constructiva de cada una de ellas.
Finalmente terminando con etapa de implementación de la propuesta, calculando y demostrando empíricamente porqué la alternativa seleccionada es la más adecuada ajustándose de manera eficaz a los objetivos propuestos. Adicionalmente es importante comprobar cuantitativamente el aporte del dispositivo a la mejora del problema de la aerodinámica.
2.3 Metas, actividades y etapas concretas del proyecto
El desarrollo del proyecto está dividido en las siguientes etapas, que subdividimos en actividades concretas a realizar en los plazos estipulados que van desde la investigación hasta la construcción del dispositivo:
Investigación (23/04 hasta 14/05) - Investigación del tema
- Análisis aerodinámico de la bicicleta
- “Brainstorming”
- Desarrollo e investigación de propuestas
- Estudio de factibilidad de propuestas
- Elección de la propuesta final
Diseño de la propuesta (14/05 hasta 22/05 ) - Diseño del prototipo
- Análisis de costos y presupuesto
- Confección de informe Entrega 1
- Entrega 1
Materialización de la propuesta (22/05 hasta 15/06) - Compra de materiales
- Realización del primer prototipo
- Validación del prototipo (ver si funciona)
- Mejoras y perfeccionamiento del prototipo (corregir errores, afinar)
- Ensayo Final
- Confección de informe y PPT Entrega 2
- Presentación final
Con esto podemos definir ciertas metas concretas dentro del proceso del proyecto que enumeramos a continuación:
a) Meta 1 [23/04-29/04]: Cumplir con proceso de investigación y contextualización de los integrantes del grupo (conceptos básicos de aerodinámica y variables determinantes).
b) Meta 2 [29/04-06/05]: Realizar el análisis aerodinámico de la bicicleta y realizar el Brainstorming con fortalezas y debilidades de cada uno.
c) Meta 3 [06/05-14/05]: Elegir la propuesta del grupo y comenzar su diseño conceptual.
d) Meta 4 [14/05-22/05]: Definir el diseño conceptual de la propuesta con análisis preliminar de costos, método constructivo y forma física.
e) Meta 5 [22/05-15/04]: Construcción del prototipo incluyendo pruebas y validación en el proceso del mismo.
2.4 Proyección de Dificultades en el proyecto
Para esta primera etapa una de las dificultades que surgieron consistió en delimitar de manera clara lo que queríamos lograr con nuestra propuesta y cumplirla de manera satisfactoria ordenando las ideas y el enfoque central que queríamos darle al proyecto, que fue uno de los puntos mas discutidos.
Asimismo otra dificultad se basa en el método de construcción del dispositivo, el cual en la práctica puede tener mayor complejidad de lo considerado conceptualmente.
En la segunda etapa proyectamos que una de las dificultades será la construcción del elemento y las pruebas de validación del mismo, es decir las mediciones de velocidad, presión, coeficientes aerodinámicos, que serán los factores determinantes para el real aporte del dispositivo.
III.ORGANIZACIÓN Y FUNCIONAMIENTO DEL GRUPO DE TRABAJO
3.1 Planificación de Tareas de integrantes del grupo
La organización del grupo esta basada en la asignación de tareas a partir de las tres grande tareas que abarcan nuestro proyecto.
En una primera y segunda etapa las tareas fueron asignadas de la siguiente manera:
Daniela Alarcón: proponer mecanismos de medición de las condiciones reales a las cuales se ve enfrentada una bicicleta tales como la presión, la velocidad o variables que están involucradas en el calculo de la fuerza de arrastre. Encargada de presentación PowerPoint en las entregas.
Christian Fehrenberg: Explicar la aerodinámica de una bicicleta que se desplaza a través del aire, es decir las variables a considerar para el análisis, modelo del fluido y factores fundamentales a considerar para la innovación en la bicicleta.
Encargado de la actualización de información en el blog del grupo, y revisión de ortografía y redacción en informes para entrega.
Siomara Gómez: Averiguar como de ha abordado el problema en vehículos que tienen carrocería como los automóviles, las motos o los aviones. Confección de la carta Gant y la planificación del proyecto referente a la proyección de costos, plazos a largo y corto plazo. Encargada de presentación PowerPoint en las entregas.
Felipe Jiménez: Descripción del comportamiento de cuerpos sometidos a interacciones con fluidos en donde aparecen distintos conceptos tales como: capa límite, fenómeno de separación, fuerza de arrastre, coeficiente de arrastre y estela, las cuales están estrechamente relacionados entre sí, para el análisis de cuerpos sometidos a fuerzas de arrastre al interior de los fluidos. Descripción de objetivos e identificación de metas.
Encargado de revisión final de informes para las entregas.
El diseño y elección de la propuesta fue hecha por todos los integrantes del grupo, y el análisis de factibilidad fue realizado por todos los miembros del grupo también.
Otro punto analizado por el grupo en general fue la limitación y descripción del problema que realmente queríamos abordar fue la tarea que llevó mas tiempo de elaboración, debido a la divergencia de opiniones que teníamos acerca de cuales eran realmente los factores fundamentales que afectan a la aerodinámica de la bicicleta.
3.2 Fortalezas y Debilidades del grupo
Dentro de las fortalezas del grupo podemos considerar la buena repartición de las tareas, la planificación y cumplimiento de plazos para la parte de investigación, debido a que consideramos que somos más eficientes teniendo una tarea particular. Luego de esto, reunimos la información de cada uno, la comparamos y la complementamos según las ideas y conocimientos de cada uno de los integrantes. Por ejemplo, para la investigación, repartimos un tema de investigación a cada uno (descritos anteriormente) y después de dos semanas de estudio y análisis individual lo comentamos grupalmente para dar cohesión a la información. Gracias a todo esto nos hemos dado cuenta que como grupo tenemos una idea bastante acabada de los conceptos básicos requeridos para realizar un análisis, en especial los conceptos de fuerza de arrastre y las formas actuales para mejorar la aerodinámica en vehículos en general.
Asimismo, en el caso de la labores administrativas, cada uno se encargó de ciertas actividades según las capacidades, por ejemplo, uno se encargó de la actualización del blog debido a sus conocimientos de Internet, otros dos se encargaron de la presentación en Microsoft PowerPoint para la entrega de avance, y un último integrante se dedicó a revisar la redacción y ortografía del informe de avance antes de la entrega.
Dentro de las debilidades del grupo podemos mencionar que aún cuando estipulamos plazos, creemos que dimos demasiado énfasis a la investigación y contextualización, dejando poco tiempo para el análisis y desarrollo de la propia propuesta elegida. Consideramos que aún faltan ciertos detalles del método constructivo del dispositivo elegido, lo cual necesitamos resolver en un plazo máximo de una semana desde la entrega del primer avance para luego comenzar con la construcción y materialización. Este plazo está determinado mientras se compran los materiales ya definidos y se buscan los implementos a utilizar, así como también realizar los últimos cálculos teóricos para definir el ángulo de inclinación y la forma de la pieza de plumavit.
Otro problema que tuvimos como grupo que sucedió durante la elección de la propuesta final, fue la divergencia de opiniones respecto a las propuestas, ya que aún cuando existían dos que eran bastantes factibles, debimos tomar la decisión de realizar lo más innovador, conclusión que nos llevó cerca de cuatro días, más tiempo del que pensábamos.
3.3 Propuestas de Mejoramiento en Metodología de Trabajo
Es importante completar, para la próxima parte del proyecto, los detalles finales de diseño constructivo del dispositivo, y paralelamente realizar la primera compra de materiales y obtención de herramientas necesarias para la construcción. Asimismo debemos realizar y comprobar los últimos cálculos específicos para la validación teórica de nuestra propuesta y cómo ayuda a la aerodinámica de la bicicleta normal cuantitativamente.
Asimismo debemos tener presente los plazos determinados en nuestra planificación para que de tal forma estemos sincronizados con el proceso del proyecto considerando que sólo tenemos cerca de un mes para terminar la materialización.
Hemos definido nuevas tareas dentro de la materialización, las cuales serán individuales o de dúos de tal forma de ahorrar tiempo y mantenernos en los plazos:
- La compra de materiales será realizada por Daniela Alarcón y Christian Fehrenberg.
- La obtención de herramientas estará a cargo de Siomara Gómez y Felipe Jiménez.
- Nuevamente mantenemos la actualización del blog a un integante, mientras que la presentación de PowerPoint a Felipe Jiménez y Siomara Gómez, mientras que la revisión final del informe para Daniela Alarcón.
- De esta forma los cálculos, la realización y validación del prototipo y sus ensayos serán realizados por todo el grupo en días estipulados.
IV. ELABORACIÓN DE SOLUCIONES
4.1 Análisis de variables
Para poder mejorar las condiciones de aerodinamismo debemos considerar esencialmente dos variables que influyen en la fuerza de arrastre y que podemos modificar para mejorar la bicicleta actual, los cuales son:
· El área transversal del sistema ciclista-bicicleta
· El coeficiente de arrastre, el cual depende de la forma y tamaño del sistema.
Adicionalmente a esto es importante considerar los puntos de contacto o interacción entre ciclista y bicicleta, ya que ellos aportan con la estabilidad del propio ciclista durante la conducción y si se usan adecuadamente pueden también lograr mejorar el aerodinamismo de la bicicleta en sí.
Nosotros consideramos que el tamaño y posición del ciclista determinan fundamentalmente la posible mejora de la bicicleta, ya que ésta en sí es lo bastante aerodinámica en su diseño actual. La idea es relacionar las bicicletas convencionales y compararlas con las bicicletas de carrera, que buscan optimizar la aerodinámica, de tal forma de traer ciertos elementos que ayuden a los ciclistas en general.
4.2 Síntesis de alternativas propuestas
En esta etapa de “Lluvia de ideas” hemos tenido varias ideas para crear dispositivos que ayuden al aerodinamismo de la bicicleta, los cuales se basan principalmente en disminuir la fuerza de arrastre, ya sea por el área transversal del sistema ciclista-bicicleta o por el coeficiente de arrastre, y además para tratar de minimizar el roce del aire con el sistema de la bicicleta.
En una primera instancia nuestras ideas fueron las siguientes:
- “Punta de avión”: Crear un dispositivo para la parte delantera de la bicicleta, similar a la de una punta de avión que pueda hacer que la parte del manubrio tenga una superficie más lisa y con ello el aire pueda escurrir de manera más uniforme a través de la parte delantera. Esto nace a partir de la idea que superficies más simples logran mejor aerodinamismo, por ejemplo en casos de aviones y autos, las partes delanteras normalmente son superficies lisas, en muchos casos bajas, de tal forma que el aire escurre en forma laminar y no se forman turbulencias.
- “Manubrio extenso”: Realizar una “extensión” del manubrio, de tal forma que el ciclista se vea obligado a tener una posición más extendida hacia delante para así disminuir el área transversal del sistema ciclista-bicicleta. El dispositivo sería básicamente otro manubrio fabricado de plumavit, en donde el ciclista podría sujetarse y tomar una posición más agachada. Para usar los cambios o frenar es necesario que el ciclista ocupe el manubrio original. Esto se origina en la idea de cambiar el tamaño del área transversal para disminuir la fuerza de arrastre de la bicicleta.
- “Soporte Aerodinámico”: Crear un dispositivo de soporte para el ciclista entre el asiento y el manubrio que ayude a éste a tomar una posición más inclinada y de esta forma lograr que disminuya el área transversal. Esta idea parte también de intentar modificar el área transversal y coeficiente de arrastre en la bicicleta.
4.3 Evaluación de propuestas
Después de haber conceptualizado esencialmente estas tres alternativas, observamos las fortalezas y debilidades, así como también la factibilidad económica y de materialización de cada una de las propuestas, y finalmente evaluamos cuál de ellas cumplía con los siguientes requisitos:
- Mejora sustancial de la aerodinámica de la bicicleta.
- Dispositivo menos invasivo para la bicicleta existente
- Dispositivo fácilmente desprendible
- Comodidad del usuario
- Económico
Ahora describiremos los aspectos descritos anteriormente para cada una de las propuestas:
4.3.1 Alternativa 1: “Punta de avión”
Este es un elemento que ayuda a disminuir el roce viscoso de la parte delantera de la bicicleta al tener una superficie más lisa (ocultando frenos y cambios del manubrio). El dispositivo sería instalado en la parte del fierro que soporta el manubrio, a través de un fierro cilíndrico que se fija en el fierro a través de un perno, de tal forma que no perturbe el movimiento de la rueda delantera.
Este dispositivo no interviene en la comodidad del usuario y es un elemento económico debido a que se puede modelar (construir) con instrumentos fáciles de manejar tales como corta-cartón y alambre.
Sin embargo, algunos aspectos que lo hacen inviable es su método constructivo, ya que la forma del dispositivo debe ser redondeada y simétrica, lo cual es difícil de conseguir con un material como el plumavit y con herramientas básicas. Otra debilidad es que la forma del dispositivo no puede simplemente copiarse de un prototipo que sirve a otros tipos de vehículo, por ende para poder diseñarlo es necesario un análisis más detallado y específico. Consideramos además que en el caso de esta alternativa no se tiene un gran concepto de innovación, ya que es la primera idea que surge al hacer una analogía con el diseño aerodinámico de aviones y autos.
4.3.2 Alternativa 2: “Manubrio extenso”
Su relevancia se basa en que con este elemento se logra cambiar la posición del usuario hacia delante, disminuyendo el área transversal y logrando así que la fuerza de arrastre disminuya.
En este dispositivo se tiene una fácil construcción a partir de la pieza de plumavit ya que la forma está dada por un cilindro análogo a un manubrio convencional, y por ende podemos realizar un molde de tal forma de obtener el diseño requerido. Las herramientas también son básicas y lo más complejo sería la construcción de un molde de un material como pasta-muro. La instalación sería a través de un fierro que se fija al soporte del manubrio, con forma de L al revés para dar mayor prolongación hacia delante. Esto se fijaría a través de un perno.
Las debilidades se basan primeramente en que afecta la comodidad del ciclista, ya que aún cuando se logra hacer que el se agache y tenga soporte para los brazos (al sostenerlos en este nuevo manubrio), el torso debe mantenerse bajo sin tener punto de contacto con la bicicleta, haciendo que finalmente se canse mucho más rápido al estar en una posición incómoda. En este mismo ámbito es incómodo además debido a que el manubrio original posee otros elementos como cambios y frenos que dificultarían el mantener los brazos totalmente extendidos hacia delante.
4.3.3 Alternativa 3: “Soporte Aerodinámico”
Este dispositivo también se enfoca en el ámbito de disminuir la Fuerza de Arrastre haciendo que el ciclista cambie su posición hacia delante, disminuyendo el área transversal.
Se basa en crear un soporte para el torso del ciclista en el espacio entre el asiento y el manubrio de tal manera que permita al usuario tener otro punto de contacto con la bicicleta y esté en una posición más cómoda (ya que sostiene su torso en el soporte) logrando extenderse hacia delante similar a lo que hacen los ciclistas profesionales en carreras. Este tipo de soportes se ha utilizado en ciertas motocicletas que buscan mejorar el aerodinamismo.
Este elemento se fijaría en el fierro soporte horizontal que une el asiento y el soporte del manubrio a través de un fierro tipo anillo que se fija con un perno y posee un fierro vertical que tendrá la pieza de plumavit con una forma parecida a la del torso de una persona para que sea cómodo. Además en el fierro que une el anillo con el soporte en sí puede anexarse un sistema de extensión para regular la altura según el usuario.
Consideramos que el método constructivo es primero dar forma al plumavit por medio de tijeras, corta cartón y derritiendo con pistola de silicona. Luego construir el sujetador por medio del anillo y el fierro vertical, para luego fijarlo en el fierro de la bicicleta. Además daremos mayor resistencia al plumavit al poner un entramado de alambres.
Así, hemos elegido la alternativa 3 como nuestra propuesta ya que, en primer lugar, creemos que es totalmente innovadora, logra cambiar la forma del área transversal y disminuirla haciendo que la fuerza de arrastre disminuya, y además da mayor comodidad al usuario. Aún cuando no tenemos el diseño del prototipo en sí absolutamente terminado, creemos que esta elección es la más adecuada para lograr mejorar sustancialmente tanto la aerodinámica de la bicicleta como la comodidad del 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:
Resistencia de Rodadura. Es la resistencia que se genera por la fricción de las ruedas sobre el asfalto.
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:
· Broche a presión: el cuál afirmará el dispositivo a la bicicleta.
· Regulador de altura: Que permita al dispositivo adaptarse a distintos tamaños bicicleta y a diversos usuarios.
· Punto de Apoyo: 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:
Resistencia de Rodadura. Es la resistencia que se genera por la fricción de las ruedas sobre el asfalto.
Resistencia a la Gravedad. Siempre que hay un cambio de altura tenemos que vencer la resistencia de la gravedad.
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 previsto
El dispositivo será un “brazo” que irá sujeto del marco de la bicicleta entre el asiento y el manubrio. En la parte superior el ciclista podrá poyarse adoptando una posición horizontal y con la cabeza agachada.
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 previsto
El dispositivo será un “brazo” que irá sujeto del marco de la bicicleta entre el asiento y el manubrio. En la parte superior el ciclista podrá poyarse adoptando una posición horizontal y con la cabeza agachada.
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:
· Broche a presión: el cuál afirmará el dispositivo a la bicicleta.
· Regulador de altura: Que permita al dispositivo adaptarse a distintos tamaños bicicleta y a diversos usuarios.
· Punto de Apoyo: Donde el ciclista podrá descansar adoptando al mismo tiempo una posición que favorezca a la aerodinámica.
5.2 Plan de trabajo finalEl 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.
5.4 Predicción del desempeño
En General, el empuje del viento sobre una superficie plana perpendicular a él viene dado por:
F = 0,007*v^2*S
F: Fuerza en Kilogramos
v: Velocidad del viento en km/h
S: Área de la superficie plana en
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 = 0,7*0,007*v^2*S
F = 0,005*v^2*S
F: Fuerza en Kilogramos
v: Velocidad relativa del ciclista con respecto al aire km/h
S: Área de la superficie del ciclista y la bicicleta expuesta al aire en
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%
[1] Referencia de precios: Homecenter Sodimac
jueves, 10 de mayo de 2007
¿Cuáles son los factores que aumentan la velocidad al andar en bicicleta?
Para que tengas una idea más clara de las variables que afectan el comportamiento aerodinámico y en especial la velocidad en los ciclistas a nivel general te proponemos que veas los siguientes links de información:
1. Como factores fundamentales para mejorar la velocidad cuando se corre en bicicleta (en especial para corredores profesionales) debemos considerar los elementos de apoyo o contacto entre el ciclista y la bicicleta, ya que éstos lugares conforman la posición de la persona para adquirir una mayor velocidad, los cuales son el asiento, los pedales y el manubrio. El asiento es fundamental para dar estabilidad al ciclista tanto por el material como por la inclinación con respecto del suelo. Por otro lado los pedales generan el trabajo necesario para mover la bibicleta, por ende la forma en que se apoyan los pies en ellos influye para dar mayor velocidad. Finalmente el manubrio da control de la bibicleta y actúa como segundo soporte de estabilidad... Para más información visita el link de la revista UltraCycling de fanáticos de la bicicleta: http://www.ultracycling.com/equipment/setup.html
2. Te recomendamos también este video de una carrera de ciclismo para que visualices la importancia de la postura, comodidad y forma en que los ciclistas utilizan los puntos de contacto con la bicicleta.... visita: http://www.youtube.com/watch?v=a5OQA1M5dz0&mode=related&search
Definición del Proyecto y Objetivos
Para iniciar nuestra propuesta consideramos necesario establecer y definir el proyecto a rasgos generales y sus objetivos de tal forma que podamos dejar claro lo que buscamos conseguir:
Proyecto "Bicicleta Aerodinámica"
Resumen Enunciado del Proyecto:
"Este proyecto se basa en crear un dispositivo móvil (a nivel de prototipo), fabricado fundamentalmente con plumavit, que permita mejorar las condiciones aerodinámicas de una bicicleta sin comprometer una fácil implementación y la comodidad del usuario"
Objetivos:
El objetivo Fundamental es poder mejorar las "condiciones aerodinámicas" de la bicicleta, esto es poder aumentar la eficiencia del usuario al andar en bicicleta, haciendo que deba realizar un menor trabajo debido a nuestro dispositivo. Adicionalmente a esto, es importante considerar la comodidad del usuario, es decir, que el prototipo no cree mayores dificultades al ciclista al andar dadas condiciones normales del ambiente.
Finalmente, consideramos esencial que el elemento sea de fácil implementación, con lo cual si fuera producido en serie, lograra adaptarse a cualquier bicicleta y usuario.
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