V. ALTERNATIVA SELECCIONADA Y PLAN DE TRABAJO

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

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

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

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

5.1 Descripción física del diseño

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

Perspectiva 3D del dispostivo

Vista 3D cilindro base

Corte del dispositivo con cilindros base e interior y soporte

El diseño tendrá dos funciones prioritarias:

· Debe generar confort al ciclista permitiéndole descansar.

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

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

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

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

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

5.2 Plan de trabajo final

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

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

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

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

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

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

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

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

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

5.3 Estimación de costos

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

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

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

5.1 Predicción del desempeño

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

F: Fuerza en Kilogramos

v: Velocidad del viento en km/h

A: Área de la superficie plana en m2

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

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

F: Fuerza en Kilogramos

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

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

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

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

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