Grupo Nº: 2
Nombre 1: Fernanda Arrieta
Nombre 2: Victoria Kellner
Nombre 3: Isidora Martin
Nombre 4: Andrea Salvatierra
1.0 DEFINICIÓN DEL PROYECTO Y PROCESO DE DISEÑO
Desde siempre, el hombre ha buscado formas de transportes más eficientes. Primero se creó la rueda, lo que fue un puntapié para lo que sería la creación de medios de transporte a propulsión humana o animal como carretas, bicicletas, etc. Luego con la creación del motor se pudo mejorar considerablemente la potencia pudiéndose crear autos, motos y hasta aviones. Pero el ser humano nunca se conforma y siempre ha estado en la búsqueda de mejorías en cada medio de transporte. Una parte fundamental de las mejorías se observan en el aerodinamismo. ¿Que es la aerodinámica? La palabra viene a partir de dos palabras griegas: aerios, referentes al aire, y dynamis, que significa fuerza. La aerodinámica se encarga de estudiar las fuerzas sobre un cuerpo en movimiento. Una de las conclusiones que se ha llegado después de largos años es que la forma del cuerpo en movimiento afecta considerablemente la aerodinámica del transporte en cuestión y por lo tanto la velocidad a la que puede llegar. Por esto se han creado distintos tipos de motos y autos las cuales, cambiando la forma de estos, puedan alcanzar altas velocidades.
En los estudios de vehículos mejores y más rápidos se han llegado a distintas conclusiones. Una de estas es que el arrastre es la mayor y más importante fuerza aerodinámica encontrada en autos de pasajeros a velocidades normales de autopista. El arrastre total en los vehículos se deriva de varias fuentes. Existe un gran potencial de reducción de arrastre en esas áreas. Para un vehículo normal, aproximadamente un 65% del arrastre proviene del la carrocería.
· Parte trasera: Un parte importante en la fuerza de arrastre en los vehículos proviene de la parte trasera debido a la zona de separación. Para poder contrarrestar este efecto se utilizan los alerones.
· Parte delantera: En esta parte el diseño es muy importante para lograr un correcto efecto aerodinámico. La localización de la altura de la nariz del vehículo establece el punto de estancamiento y la separación del flujo hacia arriba y abajo del auto. El menor arrastre se obtiene con una altura baja de éste punto y con una forma bien redondeada. Otra parte importante en la parte delantera de un auto es la forma de sus parabrisas.
· Parte inferior: Las suspensiones, el tubo de escape y otros elementos protuberantes en la parte inferior de la carrocería son responsables del arrastre.
· Flujo Protuberancias: Una segunda área de reducción de arrastre son las protuberancias de la carrocería. Por ejemplo, las ruedas producen un flujo turbulento recirculante en las cavidades, aumentando el arrastre.
La importancia del aerodinamismo se ve reflejada en el ahorro de energía, por ejemplo en autos solares donde cualquier ahorro significa un mejor desempeño. En la actualidad se han hecho grandes mejorías en crear autos más aerodinámicos. Un ejemplo de esto es la construcción de autos solares. La meta de los equipos que diseñan los coches solares es alcanzar la fricción aerodinámica extremadamente baja mientras que todavía mantiene una superficie conveniente para las células solares y el espacio adecuado para el conductor y los otros componentes. La prueba de propuestas aerodinámicas se hace generalmente en una de dos maneras. La primera debe construir los modelos a escala que se prueban en un túnel de viento para simular flujo de aire a través del coche. El segundo es utilizar un programa de computadora de gran alcance que haga la misma clase de simulación del flujo de aire usando un modelo originado en un computador.
Hace poco un modelo de automóvil creado y probado rompió el record de velocidad sobre la tierra:
No solo en la industria automovilistica existen estudios de aerodinamica, sino en cualquier aparato que se transporte por un fluido. Un ejemplo de estos es la bicicleta. Existen distintos estudios que muestran como afecta cada componente de las bicicletas comunes en en arrastre. Distintos modelos se han creado en los ultimos años y la conclusión que han llegado es que lo más importante para el arrastre es el área frontal. Esto se puede observar en la imagen a continuación.
Aparte del area frontal se a estudiado otras mejorias que se pueden realizar a una bicicleta Existen largos estudios para medir los efectos de estos cambios en la velocidad. Un ejemplo de estos estudios se observa en la tabla anterior:
| | Ventaja Aerodinámica [%] | Tiempo ahorrado en |
| Eliminar botella de agua y porta botella | 2,8 | 26 |
| Tapar con cinta los cordones de las zapatillas | 0,8 | 7 |
| Afeitar las piernas del ciclista | 0,6 | 5 |
| Quitar el pequeño anillo de la cadena | 0,3 | 3 |
| Llenar el neumático delantero a través de una válvula ubicada en el borde | 0,2 | 2 |
| Calcetines de nylon | 0,4 | 4 |
| Cubiertas del zapato de lycra | 1,4 | 13 |
| Casco Aerodinámico | 5,2 | 47 |
| Neumático delantero aerodinámico | 4,8 | 44 |
| Traje de una pieza ceñido al cuerpo | 3,2 | 29 |
| Neumático trasero aerodinámico | 2,0 | 18 |
| Frenos Aerodinámicos | 2,0 | 18 |
| Guantes de lycra | 0,2 | 2 |
| Disco de la rueda en la parte frontal | 7,2 | 66 |
| Pedales sin clip | 1,0 | 9 |
| Disco de la rueda en la parte trasera | 3,6 | 33 |
| Manubrio aerodinámico | 0,2 | 2 |
Comportamiento aerodinámico de una bicicleta
El problema que se enfrenta para este proyecto es crear una modificación a una bicicleta ordinaria, que mejore su condición aerodinámica. Para que un ciclista sea capaz de moverse, este debe vencer la masa de aire que se encuentra por delante de él. A medida que aumenta la cadencia el aire ejerce una fuerza que aumenta agudamente con la velocidad. La fuerza se debe a la fricción entre las superficies expuestas tanto del ciclista como de la bicicleta. Esta acción consume energía y siendo la bicicleta un mecanismo de propulsión humana, mejoras en este sentido son de gran importancia. De hecho a una velocidad de 3.5 m/seg el arrastre del aire es mayor que la fricción de la ruedas, incluso a 11 m/s el arrastre del aire es más de un 80% de la fricción total.
Antes de analizar las posibles mejoras es importante tener algunos conceptos claros de mecánica de fluidos.
· El aire es un fluido y por ende tiene la habilidad de escurrir ante una fuerza de corte.
· La presión se puede considerar un esfuerzo de corte.
· El aire se puede considerar como un gas ideal.
· Para efectos de análisis las variables a considerar constantes serán: Temperatura = 293.15K (
· Ecuación de Continuidad: Los elementos de un fluido en movimiento deben cumplir el requisito básico de la conservación de masa del sistema que conforman.
· Ecuación de Bernoulli
Aparte, existen unos conceptos sumamente importantes que hay que tener en claro para crear las mejorías en la bicicleta. Estas son las variables que tendremos en cuenta para nuestra mediciones. Estos conectos se explican a continuación:
La fuerza de arrastre se descompone en dos partes: la fricción de piel y el arrastre por presión. La fricción de piel o arrastre viscoso es producida por la misma viscosidad del líquido. La “resistencia” a separarse del líquido aumenta con la velocidad y está relacionada con la superficie expuesta al flujo. Es decir es el roce aerodinámico con la superficie entre las moléculas del aire y las de la superficie sólida. Si la superficie es suave y encerada se producirá un menor arrastre que en una rugosa. La magnitud de esta fricción de piel depende de las características de la capa de borde formada por moléculas de baja energía cinética que se encuentran en la superficie del cuerpo. Esta capa limite es una capa muy delgada de aire que se forma en la superficie de cuerpos en movimiento, donde las velocidades varían desde 0 hasta la velocidad del flujo de aire. Esta capa contribuye a los gradientes de presión cerca de las superficies; es además la causante que los fluidos se separen de los contornos de las superficies generando turbulencias en las partes posteriores (estelas).Separación del flujo:
La separación del flujo es el punto donde el fluido deja de seguir el contorno del cuerpo. Esto se debe principalmente a los gradientes de presión sobre la superficie de este. Imaginemos una delgada capa de fluido en la superficie de un cuerpo, esta capa es arrastrada por el empuje viscoso del fluido y además es frenada por la fricción en la superficie. Si la presión decrece en la dirección del flujo, la capa continuará moviéndose hacia adelante, sin embargo si la presión crece en dirección al flujo, el momentum del fluido puede ser insuficiente para que el fluido avance y podría detenerse. Así es como el fluido puede despegarse de la superficie del cuerpo. El punto donde se separa el flujo la vorticidad es cero y su derivada a lo largo de la superficie es positiva.
Nuestro objetivo es introducir una modificación a la bicicleta, la cual puede ser extraida sin modificar la bicileta original (desmontable) la que disminuya el efecto de la fuerza de arrastre en comparación con la original. Primero se debe observar que modificaciones se han hecho a las bicicletas para superar mejorar su forma aerodinamica. Luego, debemos estudiar la forma original de la bibicleta y cuantificar sus puntos criticos en función a la fuerza de arrastre. Por ultimo elegir proponer distintos diseños, estudiar cual es el más probable dentro de nuestro alcance y materiales y por ultimo crear el diseño y medir las variables necesarias para comparar la bicicleta original con el diseño.
Para analizar el comportaminto aerodinamico de una bicileta se calculan ciertas mediciones. Estas se resumen a continuación:
1. F total = (F rueda + F pendiente + F aceleración + F viento)/h
h: eficiencia del tren de manejo [adimensional]
2. F rueda = cr × m × g
cr: coeficiente de roce [adimensional]
m: Masa sistema bicicleta + ciclista [kg]
g: Aceleración de gravedad [9.81 m/s2]
3. F pendiente = s × m × g
s: Pendiente positiva [adimensional]
4. F aceleración = a × m
a: aceleración [m/s2]
5. F viento = r × cw × A × (vwind2 )/2
r: densidad del aire [kg/m3]
cw: coeficiente de la resistencia del aire [adimensional]
A: Area frontal [m2]
v wind: velocidad
6. La potencia requerida para vencer la fricción total es:
P = F total × v
v: velocidad [m/s]
2.0 IDENTIFICACIÓN DE METAS Y DIFICULTADES
Para este trabajo nos veremos enfrentados a distintas metas las que tienen distintos grados de dificultad. Para esto hemos definido las distintas metas y etapas de proyecto.
Iniciación de Actividades
Asignar tareas: Esta etapa no conlleva gran dificultad. Es el primer impulso para empezar a trabajar. Lo única dificultad es designar las tareas en forma equiparada y teniendo en consideración las habilidades de cada persona.
Elaboración página web y actualización: Al principio fue una dificultad porque había que aprender a usar la página pero luego de aprender no hubo ningún problema en las actualizaciones.
Diseño
Identificar el problema: Para esta etapa se requirió un gran estudio previo lo cual tomo tiempo pero no dificultad.
Generación de soluciones: esta fue una de las etapas más difíciles de la primera etapa. Es normal que cada persona tenga sus propias ideas.
Análisis de soluciones: En esta etapa el mayor problema fue descartar entre las buenas ideas de las ideas realistas.
Análisis y diseño detallado de la solución elegida: ya al elegir el diseño, casi la mitad del trabajo esta echa. Luego solo falta implementarla y estudiar la mejor opción para eso.
Ejecución
Cotización y compra de materiales adicionales: Esta etapa es sencilla ya que no necesitamos muchos materiales.
Fabricación del prototipo: Lo más probable que esta sea la parte más difícil de todo el proyecto. Una cosa es la teoría y otra es la práctica. Llevar del papel al plumavit lo más probable es que traiga muchos problemas.
Testeo: Luego de haber construido el objeto y funciona, el testeo no va a ser tan difícil. Solo se necesita paciencia
Entregas: Las entregas consisten en recopilar toda la información necesaria y unirla y desarrollarlas. Esto toma tiempo pero no es difícil.
3.0 ORGANIZACIÓN Y FUNCIONAMIENTO DEL GRUPO DE TRABAJO
Para un buen funcionamiento del grupo decidimos dividirnos el trabajo a realizar en forma equitativa. Para esto creamos una carta Gantt para poder cumplir nuestras metas en el tiempo estipulado.
Carta Gantt:
En relación al funcionamiento del grupo, se podría decir que funciona prácticamente en forma conjunta y de buena manera. Es un grupo homogéneo donde no existe una persona que trate de imponer sus ideas o que se oponga a las del grupo. Cada uno hace el trabajo que tiene que hacer, en el tiempo estipulado. El problema más grande es que cada persona tiene su propio horario por lo que es difícil encontrar un horario acorde a todas.
4.0 ELABORACIÓN DE SOLUCIONES
a) Dificultades identificadas:
· Marco de Bicicleta: El flujo del aire no logra adaptarse al contorno de la bicicleta. Esta separación de aire hace que la distribución de presión varié sobre el objeto. Esta se produce hacia la parte de atrás de la bicicleta haciendo que la presión allí sea menor que en el frontis, produciendo resistencia. En otras palabras aumenta la fuerza de arrastre debido a la presión. También debido a la forma del marco de la bicicleta (cilindros) se produce una separación en el flujo de aire.
· Posición del ciclista: El ciclista causa de 65% a 80% de la resistencia total del aire.
· Ruedas: Una rueda típica de bicicleta tiene 32 o 36 rayos. Conforme la rueda va rotando, el flujo de aire se separa y causa turbulencia, lo cual a su vez aumenta la resistencia del aire.
· Neumático: El diseño de estos tiene que ver con el agarre de la bicicleta con el suelo sin embargo, estos tienen efectos perjudiciales hacia el aerodinamismo. Según la forma que tiene puede afectar el flujo del aire hacia la parte trasera de la bicicleta.
· Manubrio: Los manubrios actuales conllevan a que el ciclista tenga una posición tal que su área frontal sea del tamaño de su espalda. Esto implica una mayor área frontal y por ende una mayor fuerza de arrastre por los efectos de la turbulencia del aire.
· Posición del sillín: Esta característica no afecta el arrastre del aire sino la posición del ciclista sobre la bicicleta. Según la posición de sillín se pude facilitar una mejor postura del ciclista, mejorando ese punto.
b) Alternativas de solución
Marco de Bicicleta
Una modificación fue cambiar los tubos redondos por tubos ovalados ya que con esto se reduce la separación de la corriente y por ello el fluido tiende a llegar antes tras el ciclista. Utilizando materiales más modernos ha sido posible reducir el tamaño de los marcos eliminando ciertas partes.
Casco
Estudios arrojan que un casco aerodinámico reduce cerca del 2% del arrastre.
Posición del ciclista
La posición del deportista juega un rol trascendental. Mientras más se reduzca el área frontal, mayor es el aerodinamismo. Es posible reducir hasta un 31% la fricción con una posición adecuada. La mejor posición consiste en agachar la cabeza, manteniendo la espalda derecha.
Ruedas
Las ruedas aerodinámicas reducen cerca de un 5% la fricción total. Las ruedas aerodinámicas son ruedas sólidas de forma de disco. Estas impiden que se forme turbulencia por separación del fluido al girar la rueda, ya que esta última aumenta la fricción.
Otra solución para la rueda es agregar un objeto de forma aerodinámica, que impida el contacto directo del flujo en movimiento con la rueda, una barrera de viento.
Por ultimo se pueden disminuir la cantidad de rayos en una bicicleta.
Neumático
Los mejores neumáticos para una superficie plana son neumáticos angostos que tengan una menor área frontal y por ende menor fuerza de arrastre.
Manubrio
Para mejorar el manubrio este se podría desplazar hacia delante o atrás de modo que el ciclista este obligado a adoptar una posición reclinada sobre la bicicleta y de este modo disminuir el área frontal.
Otra forma es cambiar su forma recta por una forma curva hacia adentro (forma de u) para evitar la turbulencia.
Por ultimo se puede agregar un objeto de forma aerodinámica, que impida el contacto directo del flujo en movimiento con el manubrio, una barrera de viento.
Pedales
Una alternativa para cambiar el efecto de arrastre de los pedales es subirlos de posición
Posición del sillín
La mejor opción es subir el sillín, si se suben los pedales para no perder velocidad, pero tratar dentro de todo que el sillín este a la misma altura del manubrio para ayudar al ciclista a tener una mejor posición.
c) Selección de alternativas (evaluación)
i. Alternativa 1
Nuestra primera solución, es mejorar el flujo del aire por el manubrio de una bicicleta. De todas las alternativas analizadas esta es una de las más sencillas de mejorar al agregar un accesorio y sin modificar ni al ciclista ni a la bicicleta. La idea consiste en crear una especie de barrera para el viento y de esta forma se reduce la turbulencia y el la fuerza de arrastre del aire. Esto puede logarse si al plumavit se le da una forma curva y se coloca por delante del manubrio. De esta forma el aire fluye por el plumavit hacia la parte trasera de la bicicleta. Esto ayudaría a que la bicicleta adquiera una mayor velocidad. Esta puede ser considerada una alternativa viable ya que es sencilla de colocar sobre el manubrio y poder sacarla. Además no dificulta la visón del ciclista. El problema que hay que considerar es que la persona pueda virar sin problemas y que el plumavit tenga una curvatura pareja.
ii. Alternativa 2
Nuestra segunda solución, es mejorar el flujo del aire por los pedales de una bicicleta. Al igual que la alternativa anterior, esta es una de las más sencillas de mejorar en la bicicleta agregando un accesorio, sin modificar ni al ciclista ni a la bicicleta. La idea, similar a la anterior, consiste en crear una especie de barrera para el viento, de esta forma se reduce la turbulencia y el la fuerza de arrastre del aire. Esto puede logarse si al plumavit se le da una forma curva y se coloca por delante de los pedales. De esta forma el aire fluye por el plumavit hacia la parte trasera de la bicicleta. Esto ayudaría a que la bicicleta adquiera una mayor velocidad. Esta puede ser considerada una alternativa viable ya que es sencilla de colocar sobre los pedales y poder sacarla. El problema que hay que considerar es que la persona pueda moverse sin problemas, que la bicicleta no tenga impedimentos y que el plumavit tenga una curvatura uniforme.
5.0 ALTERNATIVA SELECCIONADA Y PLAN DE TRABAJO
Luego de analizar cada alternativa, llegamos a la conclusión de que porque hay que elegir una de las dos, sino combinarlas de tal forma de crear una modificación a la bicicleta que mejore la turbulencia del aire y por ende el arrastre frontal sobre el manubrio y los pedales. Para esto diseñamos la siguiente alternativa.
5.1 Una descripción física del diseño previsto
Nuestro diseño consiste en crear con el plumavit una estructura de forma curva que se coloque en la parte frontal delante del manubrio y sobre la rueda. Este será capaz de dejar que el ciclista pueda manejar la bicicleta sin problemas hacia cualquier dirección ya que la rueda y el manubrio giran simultáneamente. Nuestro accesorio es una prolongación de la bicicleta, dándole una forma curva en la parte frontal, como la carrocería de un auto o una motocicleta. Este accesorio será amarrado a la bicicleta con la ayuda de alambres. Se puede observar lo descrito anteriormente en los diseños a continuación.
Vista lateral:
Vista Frontal:
Vista 20°:
5.1 Plan de trabajo final
Para el proyecto, lo primero es tomar todas las mediciones para la bicicleta original. Desde una pendiente (calle Onofre Jarpa) el ciclista se lanzará desde la cima hasta 100 mts más abajo y mediremos la velocidad promedio (distancia/tiempo). Con esto podemos calcular la fuerza de arrastre. En este caso ocuparemos el coeficiente de arrastre de una área frontal plana.
Luego, construiremos nuestra modificación con plumavit, de acuerdo a las medidas de la bicicleta a experimentar. Estas son:
A: Distancia desde el eje del pedal hasta el centro de la confluencia de los tubos = 42 cms
B: Distancia desde el eje del pedal hasta la parte alta del sillín, siguiendo el tubo oblicuo =65 cms
C: Distancia desde la punta del sillín hasta la mitad del tubo del manubrio = 56 cms.
D: Diferencia entre las alturas verticales del sillín y del manubrio = 0 cms.
E: Distancia entre la vertical que pasa por la punta del sillín y la que pasa por el eje del pedal = 10 cms.
F: Ancho manubrio = 51 cms
G: Largo = 173 cms.
H: Altura = 94 cms.
I: Altura desde el centro de la rueda hasta el manubrio = 63 cms.
Con esto medimos nuestro modelo y lo adaptamos a la bicicleta. Las medidas de nuestra modificación se observan a continuación.
Lo amarraremos a esta utilizando alambres. Para darle la forma al plumavit utilizaremos alambre caliente al rojo para darle mejor forma. Luego de construirla lo probaremos en la misma pendiente calculando la velocidad de la misma manera que la anterior pero utilizando el Cd de la bala.
A continuación, una breve descripción teórica de cómo mediremos nuestra variable:
Medición velocidad:
Para poder medir la velocidad mediremos el tiempo que se demora la bicicleta en recorrer una distancia determinada. Luego haciendo el cociente distancia/tiempo, obtenemos la velocidad en cada caso.
Fuerza de arrastre:
Fa= ½ × Cd × r × A × v2 (1)
Cd: Coeficiente de arrastre
r: Densidad del aire
A: Área frontal proyectada
v: La velocidad relativa del aire con respecto a la superficie sobre la que se está circulando, en este caso la bicicleta.
Cd y r se pueden considerar constantes, así que
En nuestro caso la densidad del aire será aproximadamente 1.3 kg/m3.
Para realizar los experimentos la posición del ciclista será la misma en todas las pruebas por lo que el área frontal proyectada también se considerará constante. De esta forma
Fa = K × v2 (2)
Donde k = ½ Cd × r × A (3)
Para calcular la constante k, lo haremos en una cuesta de pendiente constante y sin dar pedales. Cuando esto ocurre
Luego, se aplica la ecuación:
Fr = (Frm1 + Fa) = P × sena (4)
Frm1: fuerza de roce de las ruedas
Fa: fuerza de arrastre
P: peso
Una vez calculado Fr, P y Frm1, obtenemos de la ecuación anterior (4)
Medición presión:
El flujo sobre la bicicleta está gobernado por la relación entre velocidad y presión expresada en la ecuación de Bernoulli:
P estática + P dinámica = P total à P estatica + ½ × Re × V2 = P total
Donde la presión estática es simplemente la ambiental antes de aproximarse el fluido de aire. La presión dinámica es producida por la velocidad relativa, que es constante para todas las líneas de corriente aproximándose a la bicicleta. Por lo tanto la presión total es la misma para todas las líneas de corriente. Además al aproximarse el fluido a la bicicleta, las líneas de corriente se "parten", algunas van a la parte de arriba, otras a la parte de abajo y a los costados de la bicicleta.
5.1 Estimación de costos
Para nuestro proyecto los costos son muy bajos. La mayoría de los materiales ya están a nuestra disposición y el resto tienen un costo muy bajo.
5.1 Predicción del desempeño
Sabemos que la velocidad de un ciclista no profesional es de aproximadamente de 20 km/hr. Con esto, y utilizando un coeficiente de arrastre para un frontis plano de 1.28 podemos calcular la fuerza de arrastre teórica aproximada de la bicicleta sin modificaciones (calculando el área frontal en forma aproximada como el alto por el ancho de la bicicleta):
Fa= ½ × Cd × r × A × v2
= ½ × 1.28 × 1.3 [kg/m3] × (0.94 × 0.51) [m]2 × 5.5562 [m/s]2
= 12.3 [kg×m/s2]
= 12.3 [N]
Al realizar nuestro modificación esperamos reducir esta fuerza en por lo menos un tercio hasta 8.2 [N], y como el coeficiente que utilizaremos es el de la bala, por la forma de nuestro frontis, esperamos que la velocidad aumente lo siguiente:
Fa= ½ × Cd × r × A × v2
8.2 [kg×m/s2] = ½ × 0.295 × 1.3 [kg/m3] × (0.70 × 0.90) [m]2 × x2 [km/h]2
X = 8.2 [m/s]
X = 29.5 [km/hr]
Con esto predecimos una mejoría en el rendimiento de un 47.5% en la velocidad de la bicicleta.
1 comentario:
Parece que hay problemas con el servidor, ya que no aparecen las imagenes y se deconfigura el formato.
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