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.