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%

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:

1. “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.
2. “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.
3. “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.

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 tares 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.

1.2 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.

1.3 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:

v La compra de materiales será realizada por Daniela Alarcón y Christian Fehrenberg.

v La obtención de herramientas estará a cargo de Siomara Gómez y Felipe Jiménez.

v 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.

v De esta forma los cálculos, la realización y validación del prototipo y sus ensayos serán realizados por todo el grupo en días estipulados.

1.4 Evaluación de propuestas para la metodología de trabajo

Al finalizar el proyecto, podemos realizar conclusiones finales respecto a cómo fue el desempeño del grupo y finalmente si pudimos poner en práctica las propuestas iniciales que entregamos para mejorar nuestra metodología de trabajo.

Ciertamente aplicamos el hecho de dividir las actividades según la cronología establecida en nuestra Carta Gantt, y luego dar tareas específicas para cada integrante. Esto podemos ejemplificarlo con la parte de la finalización del diseño del prototipo. Luego de la primera entrega de proyecto, decidimos mantener la metodología de trabajo en el sentido de que cada integrante se ocupara de tareas individuales para luego ponerlas en común. En una primera instancia, dado que la idea general ya estaba aceptada en equipo, cada uno se dedicó a solucionar cierto aspecto del prototipo que faltaba analizar, los cuales fueron: cómo se instalaba a la bicicleta, cómo crear un sistema de regulación a diferentes alturas, cómo crear el diseño del soporte para que sea cómodo al usuario, y finalmente estructurar las partes del dispositivo y cómo se podrán encajar. Luego de este proceso pasamos por un período de una semana de análisis y discusión grupal para tener el prototipo final ya establecido con las características y medidas completamente listas, luego de esto se realizaron planos computacionales para dar una idea de cómo será el prototipo final según lo establecido. Para la etapa de materialización cada integrante se preocupó de cierto ámbito antes de la construcción, lo cual fue realizado según lo propuesto, dos personas se dedicaron a fijar el presupuesto final y hacer la compra de materiales, y los otros dos a conseguir las herramientas necesarias y terminar los planos y diseño gráfico del dispositivo. La construcción fue relativamente corta, de hecho se realizó en dos tardes, por ende el proceso de construcción duró alrededor de 12 hrs cronológicas, lo cual es menor frente al proceso de diseño. Además no hubo cambios en el diseño pues ya todo estaba establecido y no hubo complicaciones para lograr la forma deseada en el plumavit. Luego de la construcción, se hicieron las mediciones de área transversal con el ciclista para ver la disminución real, y además la velocidad y presión a la bicicleta en movimiento en una pendiente inclinada para ver la efectividad del prototipo. Finalmente sólo quedó realizar las modificaciones al informe hecho para la primera entrega y la realización de la presentación en power point.
Consideramos que una buena metodología de trabajo se basa en que se fijen metas claras, las actividades generales se subdividan en tareas específicas, las cuales se realizarán por diferentes integrantes de manera independiente para lograr mayor rapidez y eficiencia. Luego de esto, es esencial la realización de un análisis grupal acabado para lograr terminar el diseño, y para que así todos comprendan la idea del prototipo respecto de su forma y medidas, y además de su efectividad para mejorar la variable que se estudia. Finalmente y teniendo las dos etapas previas completamente listas, el proceso de materialización es rápido y fácil.

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:

1. 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

2. Diseño de la propuesta (14/05 hasta 22/05 )

• Diseño del prototipo
• Análisis de costos y presupuesto
• Confección de informe Entrega 1
• Entrega 1

3. 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.

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:

1. 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
2. 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.
3. 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. Luego, desarrollar un diseño que cumpla con todas las aspiraciones del proyecto.
Finalmente organizar las actividades a todos los integrantes del grupo de forma equitativa una vez que estemos de acuerdo en lo que queremos lograr.

RESUMEN EJECUTIVO

Principales Resultados del Proyecto

El proyecto final ya concretado nos ha permitido comprender en la práctica cómo el prototipo creado ha logrado realmente mejoras en la aerodinámica de la bicicleta. Considerando nuestro dispositivo y su diseño, el coeficiente de arrastre no ha variado mucho, ya que nuestro análisis se centró en modificar el área transversal con que el aire “choca” cuando se anda en bicicleta. El coeficiente de arrastre en este caso se mantiene casi constante, ya que no modificamos la forma de la bicicleta de tal forma de disminuir la turbulencia, sino que al disminuir el área transversal con un cambio de posición del ciclista, la fuerza de arrastre disminuye linealmente.

El diseño inicial, que luego cambió en cierto grado durante el proceso, sí cumple con los requerimientos de dimensión, ya que su medida máxima es de 30 cm de altura, 25 cm de largo y 15 de ancho, con lo cual no es un cambio a la bicicleta en sí. Asimismo el prototipo se coloca fácilmente en cualquier bicicleta mediante dos fijaciones de plástico al fierro central, y además es ajustable para los diferentes usuarios. Finalmente, como se trata de un dispositivo que consta de 3 partes ajustables separadas y además es muy liviano, la instalación y utilización de éste se hace rápida y fácilmente.

Adicionalmente a lo mencionado, hemos logrado satisfacer el objetivo principal, ya que pudimos realizar y concretar un dispositivo que pueda mejorar la aerodinámica de la bicicleta, lo cual es visible a través de las mediciones de velocidad realizadas en la bicicleta inicialmente y luego de instalar el prototipo, las cuales arrojaron resultado de mejoría cercanos al 25% de efectividad, es decir, la velocidad bajo las mismas condiciones mejoró en un 25 % con el dispositivo respecto a la bicicleta inicialmente. Destacamos el hecho que nuestro prototipo es muy innovador respecto a la variable que consideramos para disminuir la fuerza de arrastre, ya que en vez de preocuparnos de cambiar o intentar tener un flujo suave no turbulento, analizamos el área con que choca el aire, la cual es directamente proporcional a la fuerza de arrastre. Es debido a esto mismo que el dispositivo se centra en dar soporte en vez de cambiar la turbulencia del aire. Es importante mencionar además que logramos cumplir ciertas metas y requerimientos específicos del proyecto, como es el hecho de lograr utilizar sólo una pieza de plumavit como material primario, y ciertos elementos de bajo costo para dar realizar un prototipo más elaborado. Es fácil de montar debido a dos sujetadores de plástico con pernos, es liviano y cómodo para el usuario.

Con todo esto podemos concluir que hemos logrado crear un dispositivo con todas las características mencionadas, en los plazos estipulados, dentro de un presupuesto y que realmente aporta al objetivo esencial del proyecto, el cual es mejorar substancialmente la aerodinámica de la bicicleta.

Competencias y Habilidades Desarrolladas

Se debe indicar qué tipo de habilidades o competencias han podido reforzar o desarrollar a través de la realización de este proyecto. Qué cosas nuevas han podido aprender en relación al trabajo en equipo y al curso. Qué conocimientos de mecánica de fluidos han podido poner en práctica.

Hemos logrado desarrollar varias habilidades durante el curso de este proceso, tanto individual como grupalmente.

Lo fundamental acerca de esta experiencia es el hecho que logramos ver cómo toda la teoría de la mecánica de fluidos puede realmente ser puesta en práctica a través de un proyecto como el realizado, mejorando efectivamente dispositivos ya existentes. Logramos comprender el concepto y la teoría detrás de la Fuerza de Arrastre, Capa límite, las características de los flujos viscosos y cómo éstos se comportan frente a un cuerpo sólido en movimiento y la turbulencia en los flujos generada por ciertas geometrías.

Dentro de otros aspectos en los que hemos aprendido durante este proceso es la importancia de realizar un diseño inicial para construir un dispositivo, o en general para llevar a cabo un proyecto, el cual debe ser lo más detallado y concreto posible desde un inicio, y además tener en cuenta que ciertamente tal diseño irá variando según ciertas dificultades y/o modificaciones que se presenten. Asimismo hemos reforzado y mejorado la planificación de actividades, teniendo una calendarización mucho más específica con actividades y no sólo ciertas metas generales, lo cual genera una mayor capacidad de prevenir problemas en las etapas finales de materialización del proyecto. Otro aspecto importante que mejoramos fue comprender la importancia de definir el problema, establecer objetivos y luego definir metas claras, ya que sólo de esta forma se puede obtener un proyecto efectivo considerando los requerimientos iniciales.

Como grupo, logramos establecer una metodología que creemos fue efectiva y que fuimos perfeccionando durante el transcurso del proyecto. Definimos tareas específicas para cada uno en la etapa de recopilación de información, lo cual es mucho más eficiente, pero en esa primera etapa nos faltó incorporar en general lo aprendido por cada uno de tal forma de tener una idea general de los conocimientos básicos para generar una propuesta. Es por ello que en la segunda etapa, de diseño y luego en la tercera, de materialización, definimos tareas específicas y luego tuvimos plazos más largos para poner en común lo hecho por cada uno y así discutir las mejores soluciones. A través de este cambio en nuestro procedimiento de trabajo, creemos que logramos mejorar el diseño inicial que teníamos, tanto en efectividad como en los detalles de instalación, forma y estructura del prototipo.

Informe Final Dispositivo "AeroSupport"

A continuación presentamos el informe final del proyecto de Mecánica de Fluidos dividido por capítulos, además de la información recopilada durante el proceso y finalmente el diseño de nuestro prototipo final llamado "AeroSuport".

Grupo 09

Autores:
Daniela Alarcón
Siomara Gómez
Felipe Jimenez
Christian Fehrenberg