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.