La bicicleta ha estado dando vueltas desde hace más de un siglo, y en este tiempo el diseño general ha ido variando en cuanto a mejorar su seguridad y su aerodinámica.
Bicicleta antigua
Todo ciclista tiene que sobreponerse a la resistencia que opone el viento, pero la mayoría de ellos tienen muy pobres conceptos aerodinámicos. Mientras las nuevas bicicletas son diseñadas con mejores conceptos aerodinámicos, es el cuerpo el que no se desliza bien por el aire, aunque hay maneras de solucionarlo.
Los diseñadores de bicicletas de carrera están atentas a los problemas por la resistencia al viento y durante los últimos años se han desarrollados técnicas para reducir esto. Se ha experimentado en generar alternativas de diseños de bicicletas y vehículos a potencia humana con el énfasis en mejorar el desempeño aerodinámico. Algunos avances significativos han disminuido el arrastre aerodinámico que un ciclista debe sobre llevar.
Competencia de Bicicletas
En orden de querer avanzar hacia delante, los ciclistas tienen que mover la masa de aire frente a ellos. Esto toma energía. La eficiencia aerodinámica permite al ciclista viajar más rápido, con menos esfuerzo. Pero a mayor velocidad el ciclista va, mayor es la resistencia que él experimenta, y más energía debe ocupar.
Metodología o proceso de diseño
- Definición del problema: Aceptar la necesidad y plantear el problema.
- Búsqueda de información: Encontrar información adecuada al problema, o sea que es lo que se conoce y lo que no, decidir que información es útil: Averiguar por medio de libros de mecánica de fluidos e Internet acerca de las fuerzas que intervienen en esta bicicleta mas aerodinámica y como poder llegar a nuestro objetivo.
- Restricciones y criterio: Las restricciones son las dimensiones acotadas de la plumavit y tenemos que crear un dispositivo confiable, seguro y eficiente.
- Generación de soluciones: Aplicación de creatividad.
- Análisis de soluciones: Descarte, elección y justificación de la solución escogida.
- Análisis y diseño detallado de la solución elegida: Análisis y modelación detallada.
- Fabricación de prototipos y pruebas
- Rediseño y optimización: Análisis de resultados, si estamos minimizando loa mas posible el roce con el aire y si la bicicleta cuantitativamente esta siendo mas aerodinámica.
- Evaluación y mejora del diseño en base a desempeño en terreno.
El Problema
El problema que nosotros buscamos resolver es hacer una bicicleta mas eficiente, o sea mas aerodinámica. Tenemos que buscar una forma de implementar el pedazo de plumavit con las restricciones de dimensiones que se nos dieron (1metro, 0,5metro y 0,3 metros), y de alguna manera montarlo en la bicicleta tal que el roce con el aire se minimice lo más posible y la bicicleta tenga mas facilidad para desplazarse.
El Arrastre
En dinámica de fluidos, el arrastre o fricción de fluido es la fricción entre un objeto sólido y el fluido por el que se mueve. Para un sólido que se mueve por un fluido, el arrastre es la suma de todas las fuerzas aerodinámicas en la dirección del flujo del fluido externo: actúa opuestamente al movimiento del objeto.
Arrastre sobre tres superficies
Se ve como se crea turbulencia en los dos primeros casos, pero en el tercero el aire fluye
El arrastre aerodinámico consiste en dos fuerzas: Arrastre y Fricción directa. Los objetos irregulares, mueven el aire a su alrededor de manera perturbada, forzando al aire a separarse de la superficie del objeto en cuestión. Regiones de baja presión desde atrás del objeto producen presión de arrastre contra el objeto. Con alta presión por el frente y baja presión por atrás los ciclistas son literalmente empujados hacia atrás los arrastra. La fricción directa ocurre cuando el viento hace contacto con la superficie externa del ciclista y su bicicleta.
Coeficientes de Arrastre
Para distintas formas del objeto que transita por el fluido
Nuevas Tecnologías
Si se reduce el arrastre en un 1%, un conductor puede aventajar a sus competidores dependiendo de su velocidad; sin embargo, las ventajas ganadas por el ‘arrastre’ se ven excedidas en importancia por las ventajas ganadas por el uso de uniformes más aerodinámicos, tal como son los nuevos trajes ‘skinsuits’ (ropa ajustada) que han sido desarrollados luego de una investigación acuciosa por medio de arrastre experimentos con ciclistas en túneles de viento, reduciendo así la fricción directa.
Ropa ajusta y aire fluyendo por sobre casco
La posición sobre la bicicleta también es importante con respecto a la aerodinámica y el arrastre que se genera. La conocida posición de descenso, donde las manos van apoyadas sobre los mangos del manubrio, con la cabeza gacha, hacen al ciclista tener una resistencia menor al arrastre del aire. Si a esto le agregamos los nuevos cascos que permiten bajar la resistencia por aire frontal que ataca al ciclista cuando va a toda velocidad, tenemos una resistencia aún menor que en el caso anterior.
La correcta posición
Primordial en carreras para evitar el arrastre
La fricción directa es un factor no tan importante como lo es el arrastre en el estudio aerodinámico de la bicicleta. En una ruta plana, el arrastre aerodinámico es por lejos la gran barrera para la velocidad del ciclista, quitándole entre el 70 y 90 % de la resistencia que se siente al pedalear. El único obstáculo mayor es subir una ruta inclinada: el esfuerzo que se necesita aquí para pedalear contra la fuerza de gravedad contra-resta el efecto de la resistencia por viento.
Andar sólo es distinto que meterse en la mitad de un grupo de ciclistas y seguir su ritmo de velocidad, ya que la ‘masa interior’ tiene menor resistencia con el aire debido a que el primero está rompiendo la barrera principal con el viento y aire del frente, mientras que los demás (los de adentro del pelotón) se aprovechan y gastan menos energía para avanzar; es por esto que en carreras por equipos se ve que se cambia el primero de vez en cuando para que todos vayan gastando energía equilibradamente y no sólo uno.
Evolución Aerodinámica del Casco
Se ajustaba a la cabeza, pero ahora permite que el aire fluya sin turbulencias para mejor desempeño sobre la bicicleta
1.2 CALCULOS
Como medir velocidad en prototipo
Para medir la velocidad en nuestro prototipo, proponemos dos opciones:
1.- La primera consiste en poner a nuestra bicicleta un Velocímetro, el cual nos entregará la velocidad promedio. Adicionalmente este dispositivo nos entregará la distancia total recorrida, y el tiempo que demoró el ciclista en recorrerla, datos que nos sirven para calcular de otra manera la velocidad promedio de nuestro prototipo.
2.- La segunda propuesta consiste en hacer varias mediciones del tiempo que demora nuestra bicicleta en recorrer cierta distancia y luego como sabemos que velocidad = distancia/tiempo, podremos obtener la velocidad a la que anduvo el prototipo. Es importante señalar que para medir la velocidad vamos a poner nuestra bicicleta en una pendiente de tal manera que el ciclista no tenga que pedalear para descender, con esto lograremos que no influya la fuerza que pueda ejercer el ciclista sobre la bicicleta.
Como medir la fuerza de arrastre a distintas velocidades en prototipo
Para medir la fuerza de arrastre de nuestro prototipo, proponemos las siguientes dos opciones:
1.- La primera consiste en utilizar un programa computacional que mide la fuerza de arrastre. Para calcular esta fuerza, el programa nos pide como datos, la velocidad de la bicicleta, dato que podemos obtener a partir de las propuestas anteriormente señaladas, junto con la velocidad se nos pide el peso del ciclista, la pendiente y la velocidad del viento, este último dato lo podemos obtener con un anemómetro. Finalmente el programa nos entrega la velocidad relativa, la fuerza de arrastre y la potencia necesaria para obtener la velocidad de la bicicleta constante.
Si un ciclista está andando bajo un flujo de aire en condiciones que existe viento de 20 km/h (12.42 mi/h) en su contra y él pesa 80 kg (176 libra lb) tendrá que contrarrestar un arrastre de casi 9 [Newtons] y utilizar una potencia de 73.4 [Watts] o bien gastará 1.05 Calorías por minuto para poder andar a velocidad constante con una pendiente de 0º, es decir en un plano.
| Ftotal = (Froll + Fslope + Faccel + Fwind)/h |
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| Donde | h : | Eficiencia de propulsión, sin dimensión |
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| Las fuerzas de retardo individual son descritas como: |
| Froll = cr m g | Donde | cr : | Coeficiente de Resistencia a la rodadura, sin dimensión |
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| m : | Masa total del vehículo con conductor en kg. |
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| g : | Aceleración debido a la gravedad » 9.81 m/s2 |
| Fslope = s m g | Donde | s : | Pendiente en subida, sin dimensión |
| Faccel = a m | Donde | a : | Aceleración en m/s2 |
| Fwind = r cw A vwind2 /2 | donde | r : | Densidad del aire en kg./m3 |
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| cw : | Coeficiente de Resistencia por viento, sin dimensión |
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| A : | Área frontal en m2 |
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| vwind | Velocidad del Viento en m/s |
| La potencia requerida para contra-restar el arrastre total es: |
| P = Ftotal v | Donde | v : | Velocidad en m/s |
Cálculo computacional del Arrastre y Potencia Requerida
2.- La otra forma de calcular la fuerza de arrastre es con al siguiente fórmula:
Fuerza de arrastre (Fd):
Tomando en consideración la cantidad de movimiento, podemos derivar la ecuación de la fuerza de arrastre, quedando ésta:
Fd = ρ * V^2 * Af * Cd
ρ: rho del aire (1000 kg/m^3)
Cd: Coeficiente de arrastre --> Esto nos interesa cambiar (achicar lo más posible)
Cd = Cv * Ca; Cv: coeficiente de velocidades; Ca: Coeficiente de contracción; Adimensional
Af: Área frontal del cuerpo (m2) [depende de la geometría]
V: Velocidad del fluido
Como medir presiones
P=(M*g*Rw*V+0.5*sml*A*Cw*V^3)R
en la que:
P en vatios
M= PESO POR CICLISTA EN KG.
G= 9.81 m/s^2
Rw= coeficiente de la resistencia al avance
V=Velocidad ciclista en m/s.
SML=Masa específica del aire en kg/m^3 es de 1.2.
A=Superficie carga debida al viento ciclista más bicicleta en m^2.
Cw=Coeficiente de la resistencia del aire
R=Rendimiento transmisión cadena
1.3 SOLUCIONES EN VEHICULOS CON MOTOR
Fuerzas Aerodinámicas sobre el auto
Arrastre, Empuje y Efecto Suelo
Tal como en la bicicleta se ha ido desarrollando mucho el concepto aerodinámico con el tiempo, en las carreras de vehículos con motor también se ha querido bajar esta resistencia al aire o arrastre para obtener mejores tiempos en relación con los competidores.
Particularmente, la significancia del arrastre aerodinámico ha sido conocida desde los inicios de las 500 millas de Indianápolis, en la cual las formas ajustadas al flujo del aire contra el vehículo han sido los diseños característicos en estas carreras de autos y está claro que la preocupación mayor se ha centrado siempre en la suspensión, motores, llantas, etc.
En los vehículos de calle no se suele tener en cuenta ni aprovechar la sustentación, pero en muchos tipos de vehículos de competición, como pueden ser los de la Fórmula 1, se busca que el vehículo sea empujado hacia el suelo con el objetivo de obtener un mejor agarre o apoyo aerodinámico, mediante superficies como alerones o el aprovechamiento del efecto suelo.
Vehículo que aprovecha el efecto suelo
Ir pegado al suelo
Además, en algunos de estos vehículos, dependiendo entre otras cosas de la distribución de masas y del tipo de tracción, se buscan apoyos aerodinámicos diferentes para cada eje, por lo que puede haber un coeficiente diferente asociado a cada uno de ellos.
Aprovechando las nuevas tecnologías creadas para la investigación del diseño más aerodinámico se creó el alerón, el cual está diseñado con una cara recta y una cara curva, o con ambas caras curvas pero con una de ellas de mayor desarrollo o longitud, de modo que el aire que pase por la curva lo tenga que hacer más rápido que el de la cara recta. Esto, de acuerdo al principio de Bernoulli, genera una caída de presión en la cara curva y, en consecuencia, una fuerza debido a la succión.
Línea de flujo sobre un vehículo
Soluciones propuestas para problemas similares en otros vehículos
Es posible solamente colocar un alerón de dimensiones limitadas ya que la mayoría de los reglamentos limitan las dimensiones de éste. Un diseñador tratará de conseguir la mayor fuerza hacia abajo posible, provocada por el viento que presiona el auto hacia el suelo, que le permita el reglamento.
El "Gurney" es otro dispositivo que los equipos utilizan para ajustar la fuerza hacia abajo provocada por el viento. En términos aerodinámicos el "Gurney" también llamado "Flap Gurney" es un Borde flujo (borde trasero de la superficie aérea, ya sea el ala o la hélice). Es sabido que los aviones usan flaps para incrementar la sustentación en el momento del despegue o el aterrizaje. Un flap Gurney mejora el desempeño del aire ante grandes ángulos de ataque del alerón. El mismo concepto se usa para automóviles.
Efecto que se produce por el alerón con flap
Cuando los ángulos de ataque son elevados, el aire está impedido de copiar el contorno de la cara donde el aire circula más lentamente y se separa perjudicando la eficiencia del ala. Como resultado de esto la fuerza hacia abajo decrece y la resistencia al viento aumenta.
Efecto del Flap de Gurney
En resumen se tienen algunos dispositivos que causan que el coche presione contra el suelo y se mantenga más cerca de él, destacamos de ellos:
a) Alerón: este diseño cuenta con una cara recta y una curva, con una de ellas de mayor longitud, de modo que el aire que pase por la curva lo tenga que hacer más rápido que el de la cara recta. De acuerdo al principio de Bernoulli, genera una caída de presión en la cara curva y por ende, una fuerza debido a la succión
b) Flap Gurney: mejora el desempeño del aire ante grandes ángulos de ataque del alerón.
c) Strake: se utiliza en aviones y se emplea en combinación con un ala montada en la parte de atrás del avión, con lo cual produce gran sustentación en el aire.
