martes, 19 de junio de 2007

Informe Proyecto Mecanica de Fluidos Entrega 2

Proyecto Aplicado Mecánica de Fluidos

Bicicleta Aerodinámica

Grupo Nº: 18
Nombre 1: Juan José Besa
Nombre 2: Clemente Ochagavía
Nombre 3: Ignacio Camus
Nombre 4: Juan Pablo González V.


RESUMEN EJECUTIVO

En este experimento que hicimos con la bicicleta, obtuvimos que el coeficiente de arrastre del sistema hombre-bicicleta con el dispositivo en la bicicleta nos daba un valor de 0.68, bastante mejor que el coeficiente de 0.89 que tenía sin el dispositivo insertado en la bicicleta.
En el transcurso del experimento hemos aprendido bastantes cosas que nos ayudarán a nuestra formación futura. De partida, hemos aprendido a ocupar las herramientas de una manera mucho más fina de lo que estábamos acostumbrados a ocuparlas, con la presión de no poder equivocarse debido a que teníamos un solo bloque de plumavit. Aprendimos a coordinarnos en cuanto al trabajo para las entregas, repartiéndonos equitativamente el trabajo. Por otro lado hemos tenido que incentivar a los que no estaban muy entusiasmados con el proyecto, por lo que la comunicación dentro del equipo de trabajo ha sido fundamental. Hemos aprendido también a aprovechar las capacidades de cada uno de los integrantes, ya que hay integrantes que son mejores para trabajos manuales y otros para informes o tecnología, etc.


Principales Resultados del Proyecto

En primera parte, la idea del proyecto es poder hacer un dispositivo que se pueda adherir a la bicicleta sin mucho esfuerzo y que haga que el conjunto hombre-bicicleta sea menos ‘resistente al aire’, es decir, que tenga una menor fuerza de arrastre que el primer conjunto sin dispositivo, comparados ambos en condiciones exactamente iguales.

Como sabemos, la fuerza de arrastre está dada por la fórmula





Por lo que si comparamos a ambos sistemas en condiciones iguales, vale decir, que la velocidad y el p sean iguales, las variables que difieren uno de otro son: la fuerza de arrastre (Fr), el área (A) y el coeficiente de arrastre (C). Dentro de estas 3 variables, podemos calcular el área y la fuerza de arrastre, por lo que podríamos calcular bajo la relación de la fórmula anterior el valor de C, que sería




Por lo que teniendo esta relación, solo necesitábamos medir la fuerza de arrastre del conjunto hombre-bicicleta en condiciones exactamente iguales para los casos con y sin el dispositivo. Para esto ocupamos un dinamómetro, el cuál nos dice la fuerza que se está ejerciendo sobre el sistema (incluyendo todas las fuerzas existentes).

La forma de poder medir esta fuerza fue de la siguiente manera:
El método consiste en un carrito, el cual podremos poner la bicicleta sobre este. Este carrito se le amarra un cordel a la parte delantera, así pudiendo poner un dinamómetro para poder medir la fuerza que opone.






La idea de estos es que inicialmente se hace andar el carrito a velocidad constante y con un dinamómetro medimos la fuerza necesaria para mover el carrito a esa velocidad. Las masas (en este caso 2 sacos de cemento, 84kg) que estén dentro del carrito deben tener en total un peso igual al de la bicicleta (que pesa aproximadamente 4.5 kg) más el peso del hombre que se subirá a la bicicleta (aprox. 80 kg). Luego se sacan las masas, y se coloca la bicicleta sobre la tapa y se vuelve a medir la fuerza ejercida para mantenerlo a velocidad constante. Como la velocidad y masa se mantuvieron constante, la fuerza de roce y de arrastre sobre el carro se mantienen, y la única fuerza extra es la de arrastre sobre la bicicleta. Con esto medimos la fuerza de arrastre sobre la bicicleta.






Conviene de cierta manera distribuir las masas de manera similar a como quedan distribuidas las fuerzas con la bicicleta sobre el carrito.
La ventaja de usar este método es que no tenemos que hacer ninguna aproximación ni despreciar fuerzas externas que generalmente son más notorias que la misma fuerza de arrastre (por ejemplo el roce), ya que al momento de restar la fuerza aplicada con el carrito y las masas con la fuerza aplicada con el carrito y el sistema bicicleta-hombre, todas estas fuerzas extras se eliminan, ya que son iguales. Y además no dependemos de que la persona que vaya arriba del sistema bicicleta-hombre haga movimientos o algo parecido que perjudique a cualquiera de las dos mediciones.
Ahora, para poder obtener los resultados, ocupamos una velocidad constante de 10 km/hrs (2.77 m/s). Las mediciones del dinamómetro fueron las siguientes:
Fr = 5.05 para el sistema sin dispositivo
Fr= 4.10 para el sistema con dispositivo
Para poder obtener estos valores tuvimos que restar la fuerza de arrastre del sistema bicicleta-hombre (con y sin dispositivo) con la fuerza de arrastre que oponía el carrito solo (con las masas dentro).
Los demás datos están explicitados en la tabla. En donde si obtenemos la fuerza de arrastre, podemos calcular el coeficiente de arrastre con la fórmula descrita anteriormente



Estos datos que nos dieron son concordantes con lo que teníamos en primer lugar visto, ya que sabíamos que el sistema hombre-bicicleta tenía un coeficiente entre 0.7 y 0.9, por lo que quedamos satisfechos con el resultado.
En cuanto al diseño del dispositivo, se cumplen a cabalidad las exigencias de dimensión y tamaño del mismo, ya que solamente ocupamos el bloque de plumavit que nos fue entregado. Lo único extra fueron tubos de pvc para poder sujetar el dispositivo a la bicicleta.

Competencias y Habilidades Desarrolladas

A partir de todo el trabajo dedicado al proyecto hemos podido ‘visualizar’ mejor todos los conceptos que hemos ido aprendiendo durante el transcurso del curso. Hemos podido aplicar conocimientos que muchas veces pensamos que no nos servirán de nada pero al enfrentarse con casos como este, necesariamente deben ser ocupados, por lo que le encontramos el valor a estos conocimientos, que muchas veces son muy teóricos y no sospechamos cómo podrían ser llegados a ocuparse en situaciones reales y cotidianas.
Dentro de esto es muy importante todo el aporte de internet, ya que es una herramienta fundamental, que uno puede llegar a ocupar muy bien y que al ser tan extensa toda la información, uno tiene que aprender a elegir la información relevante que necesitaríamos.
Más específicamente, hemos podido entender los fluidos como una parte que se debe mirar como un todo, como algo continuo y no mirarlo como partículas separadas unas de otras. El concepto de líneas de corriente ha sido fundamental también. El ver ejemplos en internet y en el libro guía nos enseñaron a cómo hacer que el cuerpo tenga el menor arrastre posible haciendo que se parezca lo más posible a un flujo laminar, por lo que entendimos que la forma del los cuerpos es increíblemente relevante en cuanto a disminuir o no esta fuerza contraria al movimiento. Esto también lo hemos podido extrapolar a otros fluidos en donde esta fuerza de arrastre comienza a ser gigantesca incluso a pequeñas velocidades. Por ejemplo hemos podido establecer que la fuerza de arrastre del agua sobre un submarino es tremendamente grande, en especial cuando viaja a mayores velocidades, ya que esta depende de la densidad del agua que es como 800 veces la del aire, es decir, un mismo cuerpo en las mismas condiciones de velocidad, la fuerza de arrastre dentro del agua es 800 veces mayor que en el aire, impresionante.
Otro conocimiento fundamental que hemos tenido que poner en práctica es el de la ecuación de bernoulli, ya que hemos podido entender el porqué se generan las presiones sobre los cuerpos cuando hay una velocidad relativa entre el cuerpo y el fluido mismo, ya que al ser una ecuación de energía, esta es constante, por lo que si aumentamos la presión disminuye la velocidad y viceversa. También el hecho de que se generan capas de fluido alrededor del cuerpo (capa límite) y que las velocidades van variando en esta capa, llegando a velocidad cero pegado al cuerpo, de manera de que podemos entonces calcular la presión en ese punto.
Por otro lado, el trabajo en equipo ha sido fundamental en todo este proyecto, ya que tiene varias partidas en donde no es posible trabajar todos en la misma, por lo que la distribución del trabajo eficientemente es muy necesaria. Por otro lado todo el tema tecnológico es una ayuda fundamental, ya que nos ahorra mucho tiempo pudiéndonos conectar mediante internet en conferencias con todos los integrantes del grupo, pudiendo hacer aportes en tiempo real.
Además de lo aprendido en relación al curso mismo y sus materias específicas, hemos aprendido a trabajar con herramientas que antes no nos había tocado trabajar, para que de esta manera se haga más eficiente y rápido el trabajo de manipular el plumavit y poder dejarlo tal cual queríamos. Tuvimos que averiguar formas de manipulación del plumavit con herramientas especiales y rápidas, pero no pudimos contar con ellas ya que su uso aquí en chile estaba prohibido. Entonces terminamos manipulándolo más ‘artesanalmente’ pero quedamos contentos con el trabajo igualmente ya que quedó de la forma que siempre habíamos pensado.


1.0 DEFINICIÓN DEL PROYECTO Y PROCESO DE DISEÑO


El proyecto consiste en mejorar la aerodinámica del móvil mediante un dispositivo removible. Para generar un diseño aerodinámico se debe comenzar con estudiar la aerodinámica del diseño actual y encontrar las falencias y fallas que presenta esta, para esto hemos investigado los efectos que afectan el movimiento de una bicicleta y así poder crear un aparato que minimice o intente minimizar las fuerzas que impiden el movimiento (fuerza de arrastre).
Claramente en esta parte, tras todos los conocimientos adquiridos en el curso y tras varias investigaciones de cómo funciona todo lo relacionado a la fuerza de arrastre en al actualidad, vemos que hay una tendencia hacia hacer todo más aerodinámico, que se parezcan los móviles a formas más parecidas a un flujo laminar, de manera de disminuir la fuerza de arrastre y poder aprovechar mejor al energía que está siendo desgastada en contrastar a esta fuerza de arrastre. Y cada día esto es más significativo ya que el ahorro de energía es cada vez más importante. Un ejemplo claro de esto lo podemos ver en los automóviles que buscan ser cada vez más económicos, pudiendo así ahorrar mucha energía.
Por otro lado tenemos que concentrarnos en cómo nosotros podríamos mejorar esto en nuestro caso particular, ya que el tema de los autos es muy diferente ya que ocupan equipos carísimos de diseño, además de complejos programas de computador y tubos de viento en donde prueban experimentalmente a sus prototipos.
Lo que nos tenemos que enfocar es cómo hacer un sistema en el cual la bicicleta con su usuario se parezcan, en conjunto, lo más posible al flujo laminar antes mencionado. Para esto vamos a tener que analizar todas las formas que se nos ocurran para poder ver cuál creemos que nos será la más satisfactoria con respecto a esta semejanza con el flujo laminar.
Por lo tanto en primer lugar hacemos el famoso ‘brainstorming’ que nos presentará varias soluciones que luego tendremos que analizar. Luego de tener lista la idea procederemos a construir el diseño con la plumavit entregada, haciendo lo mejor posible en cuanto a los requerimientos antes señalados.

2.0 IDENTIFICACIÓN DE METAS Y DIFICULTADES

Podemos identificar claramente cuales son las metas de este proyecto;
Encontramos primero la de buscar la mejor implementación de un plumavit con los tamaños ya acordados, para usarlo de accesorio en una bicicleta. Y segundo el hacer que la bicicleta con este plumavit moldeado tenga una forma más aerodinámica que la que tiene actualmente. Frente a estas metas encontramos las siguientes dificultades ordenadas por nivel de complejidad:

1) Poder lograr una forma del plumavit que haga más aerodinámica la bicicleta de forma empírica.
2) El cómo moldear el plumavit resulta una dificultad bastante significativa ya que los plumavit son muy frágiles.
3) El cómo hacer que este artefacto de plumavit se ‘encaje’ a la bicicleta.

Estas dificultades fueron las relacionadas con el diseño e implementación del mismo proyecto, pero por otro lado una dificultad no menor fue la de cómo poder medir esta fuerza de arrastre que se presenta sobre la bicicleta sin tener que despreciar las fuerzas de roce. Finalmente se nos ocurrió la idea explicada en lo principales resultados del proyecto, al principio del informe. Quedamos bastante contentos con esta propuesta de medición ya que nos pareció la más exacta y fácil de operar.
El único tema que es complicado en este método es que no el hombre que va arriba de la bicicleta tiene que ir apoyado sobre el carro con sus piernas, por lo que no es exactamente igual que la situación real en la que el hombre va pedaleando, pero este es un error es tan menor que es fácilmente despreciable.
Otro tema que nos complica un poco es que tenemos que buscar un dinamómetro lo más exacto posible ya que tenemos que hacer que la bicicleta vaya a una velocidad baja, de manera de poder ir corriendo a velocidad constante al lado de al bicicleta, por lo que si tenemos un dinamómetro inexacto, las fuerzas medidas no van a ser del todo verdaderas. Y ojalá que el dinamómetro tenga lecturas grandes (numeros), para que de esta forma podamos leer con claridad a medida que vamos corriendo. El método de correr llevando el carro creemos que es el que más se ajusta a nuestras posibilidades ya que puede ser bien controlado y el carro puede aguantar perfectamente las solicitaciones.
Por lo tanto en el tema de la planificación haremos el diseño y moldeado de la plumavit, luego se la añadiremos a la bicicleta y después de eso veremos cómo podemos medir lo mejor posible la fuerza de arrastre con y sin dispositivo. Luego vendrá toda la parte del informe mismo y de los análisis respectivos.


3.0 ORGANIZACIÓN Y FUNCIONAMIENTO DEL GRUPO DE TRABAJO

Dentro de todo lo que es la organización del proyecto, nos hemos juntado varias veces para poder pensar, y hacer un ‘brainstorming’ acerca de las posibles soluciones que íbamos teniendo.
Luego de tener listo y diseñado cómo íbamos a implementar el diseño, Juan josé se encargó de cómo hacer que el dispositivo quede bien sujeto a la bicicleta, Clemente se encargó de conseguirse la bicicleta y ver que el dispositivo realmente cupiese en la misma. Ignacio se encargó de buscar todas las herramientas posibles y ver con qué podríamos moldear el mismo dispositivo y Juan pablo moldeó el dispositivo tal como lo habíamos planeado.
Luego para los informes y blog, nos separamos cada uno una parte del trabajo, siendo Juan Pablo el que revisaría todo al final y vería que no hayan incorcordancias entre los informes paralelos de cada uno.
Creemos que la manera en que trabajamos fue bastante ideal, por que aprovechamos bastante el tiempo, optimizando lo mayor posible. Además aprovechamos de que siendo amigos entre todos, no teníamos problemas en juntarnos unos de repente y otros después por lo que el ambiente de trabajo era bastante bueno, y así podíamos trabajar independientemente por lo que realmente el tiempo era aprovechado.
El único cambio que hubiésemos querido hacer es poder habernos organizado con un poco mas de tiempo de anticipación, ya que de esta manera, podríamos haber ideado más soluciones que de repente podrían haber sido benéficas para el mismo proyecto, aunque de repente no las hubiésemos ocupado, pero nos habríamos quedado más tranquilos, sabiendo que las posibilidades estaban realmente agotadas. Por lo que para algún futuro proyecto sería bueno comenzar a trabajar con más anticipación para poder innovar aún más. Pensamos que un tiempo de alrededor de un mes sería bastante óptimo.
Pero en conclusión en cuanto a la etapa de organización encontramos que nunca tuvimos problemas entre nosotros, por lo que no consideramos que para algún futuro proyecto debiéramos cambiar con la forma con la que lo estábamos haciendo.


4.0 ELABORACIÓN DE SOLUCIONES

Tomando en cuenta los factores que influyen en contra del movimiento de una bicicleta hemos ideado varias formas de moldear este plumavit ya mencionado cosa de disminuir estos factores. Especificando un poco las cosas, nuestro objetivo principal es disminuir la fuerza de arrastre que actúa sobre la bicicleta, cosa de que esta se desplace con mayor facilidad, haciendo que el sistema bicicleta-hombre se parezca lo más posible a un flujo laminar. Las alternativas las explicaremos a continuación:

Alternativa 1: La aplicación de una cubierta frontal de forma semiesférica que impida el choque directo del aire con el ciclista, es decir, una especie de cúpula en la parte frontal que haga que el aire escurra más fácilmente. Como el área de contacto va a tener otra forma la fuerza de arrastre va a ser menor, luego cumple con el objetivo. Esta alternativa puede ser considerada viable pero existe un pequeño problema que puede traernos problemas, moldear el plumavit de manera que quede como una cúpula. Otro factor que nos hizo rechazar esta alternativa, es que para poder hacer una cúpula hubiésemos necesitado un cubo de plumavit, no un paralelepípedo, por lo que para poder hacer una cúpula esta hubiese quedado con muy poco diámetro, no pudiendo crear el efecto deseado.

Alternativa 2: Una recubierta de los rayos en ambas ruedas de manera que no escurra aire por la rueda. Esto va a disminuir la fuerza de arrastre pero no muy significativamente, por eso consideramos que esta alternativa puede ser viable pero poco efectiva. Además consideramos que el moldear el plumavit para dejarlo de esa forma no requiera mayor trabajo pero hay un gran desperdicio de este. Esta alternativa finalmente también fue rechazada ya que viendo algunos datos en internet, la disminución en fuerza de arrastre provocada por los rayos de las ruedas era muchísimo menor que lo provocado por la misma bicicleta con el usuario arriba, por lo que optamos por descartarla.

Alternativa 3: Una especia de bote en la parte inferior de la bicicleta de manera de que el aire escurra de manera fácil sin chocar directamente con las piernas del ciclista. No creemos que esta alternativa sea muy viable ya que aparte de que su construcción requiera mucho trabajo no sabemos si el plumavit va a alcanzar a recubrir toda la parte inferior de manera que el ciclista pueda pedalear sin problemas, por lo que terminamos descartando esta alternativa también.

Alternativa 4: Por delante es igual a la alternativa 1 pero se la agrega un dispositivo que sale del asiento y tiene una forma parecida al artículo delantero solo que de forma más alargada, simulando la parte superior de una gota que cae en caída libre. Esta idea en una primera aproximación fue la mejor para nosotros, de hecho para la entrega uno fue la elegida, pero el problema que teníamos es que luego de ver en terreno mismo el tamaño de la plumavit en comparación con la bicicleta, esta no iba a alcanzar para todo lo que queríamos hacer. Por lo que tuvimos que descartarla no por falta de iniciativa, sino por requerimientos del mismo proyecto, aunque nos hubiese encantado probar esta alternativa, ya que hubiese sido bastante útil poder ver que es lo que realmente sucede con las líneas de corriente si es que tenemos un flujo lo mas parecido al laminar, pero con una franja cortada en sentido transversal al flujo (que es donde iría el usuario sobre la bicicleta) y ver si es que realmente podría haber sido útil.

Alternativa 5: La alternativa 5 es la misma que la alternativa 1 solo que en vez de ser de forma de una cúpula será de una forma más alargada de manera de poder ‘tapar’ al usuario lo más posible. Esta es la idea que creemos que más se ajustará a nuestros requerimientos ya que optimiza lo mayor posible la cantidad de plumavit y lo ocupa para poder forma esta forma de flujo laminar que estamos buscando.

5.0 ALTERNATIVA SELECCIONADA Y PLAN DE TRABAJO

Nosotros finalmente elegimos la alternativa nº5, que creemos que es la que se ajusta lo más posible a los requerimientos que necesitábamos, que eran: que se parezca el sistema bicicleta-usuario lo más posible a un flujo laminar y en segundo lugar que cumpla con lo requerimientos del proyecto mismo, que era que ocupáramos el bloque de plumavit, sin muchos materiales extras.
La alternativa 1 no fue posible por no cumplía con el requerimiento del proyecto en cuanto a las dimensiones del plumavit. La alternativa 2 fue desechada por su poco aporte que tendría a la misma bicicleta. La alternativa 3 la desechamos por su difícil construcción e incomodidad del usuario. La 4 nos pareció la más interesante en cuanto al estudio que significaba, pero no pudimos desarrollarla debido a que no cumplía con la cantidad de plumavit que debíamos ocupar. Entonces terminamos eligiendo la alternativa 5 que es la que cumplía con todos los requerimientos necesarios para poder funcionar lo mejor posible.

5.1 Descripción física del diseño que elegimos.

El diseño de la alternativa nº5 está explicado en las siguientes figuras:







5.2 Plan de Trabajo

Luego de tener listo y diseñado cómo íbamos a implementar el diseño, Juan josé se encargó de cómo hacer que el dispositivo quede bien sujeto a la bicicleta, Clemente se encargó de conseguirse la bicicleta y ver que el dispositivo realmente cupiese en la misma. Ignacio se encargó de buscar todas las herramientas posibles y ver con qué podríamos moldear el mismo dispositivo y Juan pablo moldeó el dispositivo tal como lo habíamos planeado.
Luego para los informes y blog, nos separamos cada uno una parte del trabajo, siendo Juan Pablo el que revisaría todo al final y vería que no hayan incorcordancias entre los informes paralelos de cada uno.
Juan jose: se encarga cómo hacer que el dispositivo quede bien sujeto a la bicicleta entre el martes 5 y el domingo 10 de junio.
Clemente: se encarga de la bicicleta esté en orden y ver que el dispositivo funcione correctamente. Es el corrector de Juan José en este tema. Trabaja conjuntamente con Juan José.
Ignacio: se encarga de las herramientas necesarias para poder moldear el dispositivo y ve que se realice conforme a lo previsto. Trabaja conjuntamente con Juan Pablo
Juan Pablo: se encarga de moldear el dispositivo durante la semana del 4 de junio.
Luego de tener listo el dispositivo e instalado, se realizan las pruebas el domingo 10 de junio, ya que el carrito estaba disponible en esta fecha y todos calzábamos para poder juntarnos.
Teniendo listas las mediciones se procede a analizarlas y hacer los informes, blog y power point. En esta parte cada uno hizo la parte que más le interesaba en un principio, o que le costaba menos hacerla y luego nos juntamos el día domingo 24 de junio para juntar todo y revisar el informe final, para que luego Ignacio hiciese el power point de la entrega. Juan José se encargaba de subir todo al blog.

5.3 Costos.

Los costos asociados al proyecto creemos que serán bastante mínimos, de hecho lo único necesario que se compraría son unas conexiones de pvc, ya que todo lo demás será obtenido de nuestras casas y aprovechando de que en la casa de Juan Pablo están ampliando, por lo que la cantidad de herramientas y distintos materiales son fácilmente disponibles.
5.4 Desempeño.
Luego de investigar bastante en internet pudimos obtener valor aproximados para sistemas bicicleta-usuario rondando entre 0.7 y 0.9 para los coeficientes de arrastre. Trataremos de bajar este valor, pero esto depende de cuánto nos salga la medición sin el dispositivo. Creemos que con el dispositivo debiéramos estar cerca de 0.05 menos que lo que primeramente mediremos sin el dispositivo.


6.0 IMPLEMENTACIÓN

En cuanto a la implementación, no tuvimos muchos problemas ya que todo anduvo perfecto en relación a lo esperado. El plan de trabajo funcionó también a la perfección por lo que confiamos en que en un futuro seguiremos haciéndolo igual.
El único problema fue en hacer que todo calce como se esperaba, pero era un problema que sabíamos que iba a ocurrir, como en todas las cosas manuales que uno experimenta, uno sabe que va a tener dificultades para poder obtener lo que uno quiere pero finalmente se termina haciendo igual, lo único que cambia es la cantidad de tiempo invertido, pero como teníamos un tiempo razonable para poder hacerlo, no nos complicó. Lo único que cambiaríamos serían más horas de brainstorming para poder tratar de ingeniárnosla más aún de lo que hicimos. Pero por otro lado vemos que en el mundo de hoy todo se hace con la presión del tiempo, por lo que es bueno acostumbrarse a esto y así tratar de hacer lo mejor posible con las limitaciones que uno se encuentra.

6.1 Cronología

Juan José se demoró aproximadamente cerca de 1 hora en poder armar el soporte del plumavit, sin contar el tiempo en ir a comprar lo materiales que deben haber sido unos 30 minutos.
Con respecto a clemente es difícil saber la cantidad de tiempo invertido ya que es difícil medir su trabajo en tiempo. Con respecto a la implementación del soporte con el plumavit se demoraron cerca de 3 horas o un poco más ya que tuvieron unos problemas con las fijaciones a la plumavit de manera que no se quebrase.
Ignacio y Juan Pablo se demoraron cerca de 3 horas en conjunto par poder moldear exactamente el dispositivo y otra hora adicional en añadirle papel de diario con cola fría para poder dar resistencia a todo el conjunto en su parte exterior.

Las pruebas fueron más extensas ya que realizamos muchas de manera de poder sacar un promedio de todas las mediciones y así asegurarnos mas o menos de que los resultados fueron consistentes. Para esta parte nos demoramos cerca de 5 horas todos los integrantes.
Los informes y blog podemos contar como si cada uno hubiese trabajado independientemente en su casa por cerca de 4 horas aprox. para que de esta forma queden bien estructurados.

6.2 Costos

Los costos fueron bastante parecidos a lo que nos esperábamos anteriormente, lo único que cambió fue el ingreso de un frasco de cola fría ya que se nos ocurrió a último momento agregarle una capa de cómo papel maché para poder darle dureza al dispositivo. Pero al ser gastos menores no vale la pena mencionarlos.

6.3 Evaluación del desempeño

El desempeño del dispositivo fue bastante positivo, notando una leve ayuda al momento de probar el sistema bicicleta-hombre con el dispositivo incluido. Todo el proceso y los resultados fueron expuestos en la parte de Principales Resultados del proyecto por lo que no creemos que sea necesario repetir todo aquí.
Pero en cuanto a lo que esperábamos, cumplió nuestras expectativas.

6.4 Conclusiones

En cuanto a las conclusiones queremos destacar que la experiencia del proyecto fue bastante agradable y pudimos aprender bastante. Los resultados fueron de nuestro agrado, ya que obtuvimos una disminución de 1.1 en el coeficiente de roce, lo que creemos que es bastante. Lo único que podríamos pensar de que no nos funcionó es q al momento de hacer las mediciones, el dinamómetro no era totalmente legible, por lo que tuvimos que hacer aproximaciones que nos llevaron a estos resultados. Creemos que todo el experimento fue hecho bastante bien, todo súper claro y conciso, de manera de poder entender lo mejor posible todo lo que iba ocurriendo, pero podría perfectamente haber un error de las mediciones, ya que la lectura del dinamómetro era leída por el ojo del mismo integrante del equipo que iba llevando el carro a 10km/hrs por lo que perfectamente pudo haber algún inconveniente en este aspecto, pero tratamos de mejorarlo haciendo todos los integrantes (menos Ignacio que iba en la bicicleta) la misma carrera a la misma velocidad (estaba medida por Ignacio que iba en la bicicleta, con esos relojes de bicicleta que miden la velocidad).
Creemos que podríamos hacer bastante mejoras al diseño, pero nos saldríamos del proyecto mismo con sus dimensiones de la plumavit, ya que nos interesaba bastante la solución nº4 que habíamos propuesto, y que creemos que sería bastante mejor. En cuanto a introducir mejoras en este mismo proyecto creo que de repente haberle puesto algún material más liso por encima del plumavit de manera de generar un menor roce entre el aire y el mismo dispositivo podría ser bastante significativo, haciendo la relación que en los autos si es que están rayados, los pintan nuevamente de manera de que queden lo más lisos posibles.
Por otro lado queríamos hacer un comentario con respecto a este mismo proyecto. Creemos que con el hecho de encasillarnos con el tamaño del plumavit no nos dejaron hacer volar nuestra imaginación, ya que teníamos varias ideas, pero al estar acotadas por esta restricción, no pudieron ser ejecutadas. Nos interesaría que para una próxima oportunidad se dé algo más de libertad, de manera de que uno pueda ‘inventar’ más cosas distintas a lo común y ver si es que realmente funcionan como pretendemos que funcionen, haciendo cosas más innovadoras, más complicadas pero al mismo tiempo más gratificantes hacia el mismo alumno.


7.0 COMENTARIOS DEL PROFESOR Y NOTA DEL INFORME

domingo, 20 de mayo de 2007

Informe de Trabajo Entrega 1

Proyecto Aplicado Mecánica de Fluidos

Bicicleta Aerodinámica



Grupo Nº:3
Nombre 1:Juan José Besa
Nombre 2:Clemente Ochagavia

Nombre 3:Juan Pablo Gonzalez
Nombre 4:Ignacio Camus

Principales Resultados del Proyecto


En esta parte, al no estar finalizado el proyecto solamente hemos podido saber cómo actúa una bicicleta inmersa en un fluido y que fuerzas influyen sobre esta, pudiendo calcularlas y viendo qué efectos tienen estas sobre ella.

Competencias y Habilidades Desarrolladas


A raíz de todo lo hecho, hemos aprendido varias cosas. En primer lugar el trabajo en equipo a sido fundamental, ya que al estar todos los puntos relacionados entre sí es fundamental la comunicación entre todos y ver que no se estén repitiendo los conceptos y discutir acerca de las cosas que no coinciden en nuestros informes, es decir, complementarnos. En este punto a sido bastante importante internet ya que nos facilita la entrega de información entre nosotros mismos. Por otro lado, los conocimientos del curso han sido fundamentales en la manera de pensar de cómo se comportan los fluidos, ya que veníamos con una idea inicial de pensar el fluido como partículas y no como un todo. Otra fuente que nos ha ayudado mucho para el desarrollo de esta primera etapa es el libro guía del curso, ya que nos ha servido para entender mejor algunos de los conceptos tratados.
El conocimiento fundamental que hemos tenido que poner en práctica es el de la ecuación de bernoulli, ya que hemos podido entender el porqué se generan las presiones sobre los cuerpos cuando hay una velocidad relativa entre el cuerpo y el fluido mismo, ya que al ser una ecuación de energía, esta es constante, por lo que si aumentamos la presión disminuye la velocidad y viceversa. También el hecho de que se generan capas de fluido alrededor del cuerpo (capa límite) y que las velocidades van variando en esta capa, llegando a velocidad cero pegado al cuerpo, de manera de que podemos entonces calcular la presión en ese punto.

1.0 DEFINICIÓN DEL PROYECTO Y PROCESO DE DISEÑO

El proyecto consiste en mejorar la aerodinámica del móvil mediante un dispositivo removible. Para generar un diseño aerodinámico se debe comenzar con estudiar la aerodinámica del diseño actual y encontrar las falencias y fallas que presenta esta, para esto hemos investigado los efectos que afectan el movimiento de una bicicleta y así poder crear un aparato que minimice o intente minimizar las fuerzas que impiden el movimiento.
A partir de esta base de conocimiento podemos comenzar con una lluvia de ideas o ‘brainstorming’ para poder visualizar las posibles soluciones a este problema. Ya teniendo varias ideas se continúa con evaluar la factibilidad de cada una de estas para crear un prototipo único. Es importante que la idea propuesta cumpla con las condiciones de material y dimensiones que exige el trabajo.
Por último se finaliza el proyecto con un informe completo de lo que ha sido el trabajo y la construcción del prototipo propuesto a partir de un plumavit de medidas 1*0.5*0.3 (metros).

2.0 IDENTIFICACIÓN DE METAS Y DIFICULTADES


Podemos identificar claramente cuales son las metas de este proyecto;
Encontramos primero la de buscar la mejor implementación de un plumavit con los tamaños ya acordados, para usarlo de accesorio en una bicicleta. Y segundo el hacer que la bicicleta con este plumavit moldeado tenga una forma más aerodinámica que la que tiene actualmente. Frente a estas metas encontramos las siguientes dificultades ordenadas por nivel de complejidad:
1) Poder lograr una forma del plumavit que haga más aerodinámica la bicicleta de forma empírica.
2) El cómo moldear el plumavit resulta una dificultad bastante significativa ya que los plumavit son muy frágiles.
3) El cómo hacer que este artefacto de plumavit se ‘encaje’ a la bicicleta.

3.0 ORGANIZACIÓN Y FUNCIONAMIENTO DEL GRUPO DE TRABAJO

Para llevar a cabo esta entrega de la primera parte del proyecto, tomamos la siguiente estrategia: Nos dividimos el trabajo en 4 partes, las cuales serán desarrolladas cada una por un integrante del grupo. Estas cuatro partes están especificadas en la ‘Definición del Encargo’, documento que está publicado en la página de internet del curso. Luego, al ser similares la primera y la cuarta entre ellas y la segunda y tercera entre ellas, nos reunimos en una primera instancia entre estos dos grupos separadamente de manera de asegurarnos de que no estuviésemos siendo contradictorios. Luego al tener las partes listas, nos reunimos entre todos para poder, en conjunto, realizar este documento, el power point, armar el blog y revisar las partes de cada uno para que de esta manera de poder hacer las últimas modificaciones a estas mismas.


4.0 ELABORACIÓN DE SOLUCIONES

Tomando en cuenta los factores que influyen en contra del movimiento de una bicicleta hemos ideado varias formas de moldear este plumavit ya mencionado cosa de disminuir estos factores. Especificando un poco las cosas, nuestro objetivo principal es disminuir la fuerza de arrastre que actúa sobre la bicicleta, cosa de que esta se desplace con mayor facilidad. Las alternativas las explicaremos a continuación:

Alternativa 1: La aplicación de una cubierta frontal de forma semiesférica que impida el choque directo del aire con el ciclista, es decir, una especie de cúpula en la parte frontal que haga que el aire escurra más fácilmente. Como el área de contacto va a tener otra forma la fuerza de arrastre va a ser menor, luego cumple con el objetivo. Esta alternativa puede ser considerada viable pero existe un pequeño problema que puede traernos problemas, moldear el plumavit de manera que quede como una cúpula.

Alternativa 2: Una recubierta de los rayos en ambas ruedas de manera que no escurra aire por la rueda. Esto va a disminuir la fuerza de arrastre pero no muy significativamente, por eso consideramos que esta alternativa puede ser viable pero poco efectiva. Además consideramos que el moldear el plumavit para dejarlo de esa forma no requiera mayor trabajo pero hay un gran desperdicio de este.

Alternativa 3: Una especia de bote en la parte inferior de la bicicleta de manera de que el aire escurra de manera fácil sin chocar directamente con las piernas del ciclista. No creemos que esta alternativa sea muy viable ya que aparte de que su construcción requiera mucho trabajo no sabemos si el plumavit va a alcanzar a recubrir toda la parte inferior de manera que el ciclista pueda pedalear sin problemas.

Alternativa 4: Por delante es igual a la alternativa 1 pero se la agrega un dispositivo que sale del asiento y tiene una forma parecida al artículo delantero solo que de forma más alargada, simulando la parte superior de una gota que cae en caída libre. Creemos que esta idea es viable pero tenemos que estudiar bien todavía los factores que pueden impedir su realización, es decir, la fuerza de arrastre que podría generar este artefacto posterior.

5.0 ALTERNATIVA SELECCIONADA Y PLAN DE TRABAJO

En primera parte al analizar las posibles soluciones vemos que la alternativa 2 la podríamos descartar, ya que no nos beneficia tanto en el tema de disminuir el arrastre, pero es una muy buena medida por lo que si sobra plumavit es una muy buena opción para no desperdiciarlo. La tercera alternativa tampoco nos parece muy viable ya que al estar en las piernas del ciclista se dificulta mucho todo lo que es pedalear o buscar apoyo ante cualquier emergencia, ya que estaría el plumavit debajo de las piernas.
Por último, creemos que la alternativa 1 es bastante buena pero solo si se complementa con un artefacto que haga que la salida del aire por detrás del ciclista sea menos brusca, lo que se traduce en que menos arrastre. Esto es lo que es nuestra alternativa 4. Entonces creemos que la alternativa número cuatro es la que vamos a seleccionar pero todavía no hay nada seguro. En este dibujo se muestra mas específicamente cual es nuestra idea:


La idea es que este artefacto se produzca con la plumavit que nos den y lo único que tendríamos que comprar es los agarres que creemos que alambre sería una buena alternativa, resistente y barato. Creemos que con el plumavit de 1*0.5*0.3 será suficiente para nuestros requerimientos.
Nosotros creemos que esto disminuirá bastante el coeficiente de resistencia que tiene el sistema bicicleta-ciclista. Por el momento, un ciclista normal, que sabe relativamente bien andar en bicicleta tiene un coeficiente de 0.9, por lo que nosotros pensamos que con esto, dicho coeficiente podría llegar a bajar a 0.60 que es lo mismo que tiene un ciclista de competición, por lo que podríamos andar bastante bien en contra de ellos. Claramente el diseño del artefacto estará en base a una persona que vaya sentada y erguida, ya que también podríamos diseñar un artefacto para los ciclistas profesionales que se diseñe en base a que van recogidos en cima de la bicicleta, cosa de tener menos arrastre.
La construcción de este artefacto tendrá lugar en la casa de uno de los integrantes con la bicicleta del mismo. Esto esperamos que sea a lo más dentro de dos semanas para poder programarnos y sortear alguna dificultad que podamos tener más adelante.
Los costos para este proyecto los estimamos alrededor de 2000 pesos para todo el trabajo, ya que lo único que necesitaríamos es algunos metros de alambre, que de repente puedan ser obtenidos de algunas de nuestras casas.

viernes, 18 de mayo de 2007

Medicion Real de Variables Relevantes: Velocidad, Fuerza de Arrastre y Presion

Para la evaluación y control del prototipo, se deben realizar experiencias empíricas con el prototipo. Aquí explicitamos los métodos mas viables, y los cuales hemos decidido aplicar. Lo que nos interesa medir son Velocidades, Fuerza de Arrastre y Presion en distinto puntos.

Velocidad

Aquí se presentan varias soluciones. La mas exacta, pero mas costosa, sería la utilización de un sistema de GPS, en donde satelitalmente sabríamos la velocidad exacta del movil (Bicicleta). Pero aquí nos vemos bastante limitados por los costos.
Una forma mas fácil, y bastante mas económica, es la utilización de un velocímetro en la bicicleta. Es velocímetro es un instrumento que se coloca en la rueda de la bicicleta y con un sistema de imanes, toma el tiempo que demora la rueda en dar una vuelta completa. Con este dato y programándole el radio de la rueda, el velocímetro calcula la velocidad de la bicicleta.

Fuerza de Arrastre

La fuerza de arrastre la podemos medir experimentalmente. Primero que nada, sabemos que cuando la bicicleta empiece su movimiento, habran dos fuerzas que serán contrarios al movimiento de la bicicleta, la fuerza de arrastre, y las fuerzas de roce en los rodamientos de la bicicleta.
Primeramente analizaremos la fuerza al roce cinético. Sabemos que existe una capa de lubricante en los rodamientos que produce una tensión que impide el movimiento, esta tensión es de la forma:


Donde se hizo la aproximación lineal ya que el espesor es bastante bajo. La fuerza resultante seria por lo tanto:


Donde n es el numero de rodamientos. Como todas las variables menos la velocidad son constantes, se agrupan en una gran constante C1. Ahora, hay que encontrar la constante C1. Esta la encontramos experimentalmente. Lo que hacemos es con un dinamómetro medir a velocidad constante la fuerza aplicada para mover la bicicleta. Esto debe ser hecho a una velocidad bastante baja, para que la fuerza de arrastre no afecte de gran manera. C1 lo obtenemos según:


Ahora, falta encontrar una expresión para la fuerza de arrastre. Sabemos que la ecuación de la fuerza de arrastre se rige según la ecuación:


Con Cd coeficiente de arrastre, S superficie perpendicular al fluido proyecta y L largo del experimento. Como todo es constante menos v, agrupamos todo en una constante llamada C2. Lo que faltaría es encontrar C2. Hacemos lo mismo que antes, es decir, con un dinamómetro medimos experimentalmente la fuerza contraria a velocidad constante, y ahora tenemos que C2 sera:


Ahora ya tenemos C2, y tenemos una expresión general para la fuerza de arrastre en función de velocidad, que podrá ser medida experimentalmente como ya esta descrito. Cabe notar que lo mas probable es que todo se podría abreviar en un solo paso, con el solo calculo de C2 tomando como única fuerza contraria al movimiento la fuerza de arrastre, en caso de que los rodamientos estén en buenas condiciones, ya que la resistencia de estos será despreciable al lado de la resistencia al aire a una velocidad considerable.
Aunque se realizaron variadas aproximaciones en el proceso, cabe destacar que lo importante era demostrar que mientras el roce viscoso en los rodamientos depende linealmente de la velocidad, la fuerza de arrastre lo hace cuadráticamente, y con eso ya se puede calcular los coeficientes experimentalmente.
En la practica, como grupo hemos diseñado un sistema que nos ayudara a calcular la fuerza de arrastre real, con el fin de hacer comparación y mediciones experimentales al probar nuestro prototipo. El metodo consiste en un carrito, idealmente sobre un riel, el cual tendra un compartimiento en el cual se pueden incorporar masas de distinto peso.


La idea de estos es que inicialmente se hace andar el carrito a velocidad constante y con un dinamómetro medimos la fuerza necesaria para mover el carrito a esa velocidad. Las masas que esten dentro del carrito deben tener en total un peso igual al de la bicicleta. Luego se sacan las masas, y se coloca la bicicleta sobre la tapa y se vuelve a medir la fuerza ejercida para mantenerlo a velocidad constante. Como la velcidad y masa se mantuvieron constante, la fuerza de roce y de arrastre sobre el carro se mantienen, y la unica fuerza extra es la de arrastre sobre la bicicleta. Con esto medimos la fuerza de arrastre sobre la bicicleta.


Conviene de cierta manera distribuir las masas de manera similar a como quedan distribuidas las fuerzas con la bicicleta sobre el carrito.


Presión


La presion es algo complicado, ya que mientras usando teoría es bastante complicado, ya que habría que definir bien analíticamente la forma de la bicicleta y un uso de calculo bastante largo. Además, este sería un calculo solo teorico que tal vez se distancie un poco de la realidad.
La forma mas practica, sería con la utilización de barómetros electricos, colocados en los lugares que interesan, como son el frente mismo de la bicicleta en el manubrio y rueda, en los lados de la bicicleta, etc. Los tipos de barómetros que podríamos utilizar serían de los tipos Piezoelectric, Traductores de Presión Magnéticas, y sensores de presión ópticos. De estos los con mayor presición seria los con sensores opticos, por lo que tenderíamos a utilizar estos.

Abordamiento de la Aerodinámica en Vehículos con Carrocería

La aerodinámica en vehículos con carrocería ha sido un tema tratado por mucho tiempo por ingenieros y diseñadores durante muchos años. Como hemos visto anteriormente, a bajas velocidades, la fuerza de arrastre provocada por el aire no afecta en gran manera, ya que la única fuerza provocada es producto del choque de las partículas con el objeto, sin embargo, cuando la velocidad es mayor, el problema crece en gran medida debido a la estela que genera el vehiculo en la capa de aire.
Este problema afecta mucho a las motos y autos (entre otros) debido a la gran velocidad con que se mueven, generando una estela de grandes proporciones. Es así, como los ingenieros de cada marca trabajan para lograr el mayor aerodinamismo en sus motos y autos, intentando mediante experimentación e investigación, reducir la estela a lo mínimo.
Debido a que el problema en ambos casos es el mismo, la experimentación y la investigación es parecida, sin embargo, ya que las dimensiones y la estabilidad difieren, los resultados también deben diferir un poco.
El estudio y la investigación de la aerodinámica de un móvil no es menor, sin embargo, la dificultad en la experimentación a provocado históricamente muchos problemas. Por lo general, para la experimentación en cada una de las áreas de la ciencia se utilizan modelos a escala. En el caso de un fluido, se a probado que el tamaño y la fuerza de la estela es proporcional al tamaño del cuerpo, por lo tanto, si utilizamos modelos a escala, los resultados no serán los mismos. Entonces, si se quiere experimentar por ejemplo, con una moto en una escala de 0.2 a 1, a una velocidad de 150 km/hr, entonces el viento debe escurrir a una velocidad de 750 km/hr para generar los mismos resultados. Como vemos, la velocidad es tremendamente grande, y en un laboratorio de experimentación, los costos y la energía que se requiere para obtener dichas velocidades son demasiado altos, por lo que la experimentación se hace difícil.
En el caso de la motocicleta, uno de los primeros ajustes que se le hizo a la moto de competencia fue una especia de caparazón que generara unas líneas de flujo mas regular debido a la gran cantidad de deformidades que presentaba el modelo antiguo, lo que generaba turbulencias. Este era un gran peso de mas, sin embargo, redujo considerablemente la fuerza de arrastre provocada sobre el vehiculo.


En la siguiente tabla podemos ver los resultados que arrojo la aplicacion del caparazón:




Así, pese a que aumento el peso de la carrocería, disminuyo el gasto de combustible en aproximadamente un 20%.
La aceleración presento un aumento del 15% aproximadamente.
Por ultimo, la velocidad máxima aumentó un 10% aproximadamente.
Como vemos, la aerodinámica aumentó considerablemente debido a la disminución de la estela provocada por la separación de las capas de aire.
De manera de disminuir la estela y con esto, la fuerza de arrastre, se ha experimentado con diferentes tipos de formas. Se llego a la conclusión de que una carrocería larga y angosta seria lo ideal, sin embargo, una carrocería larga no podía ser empleada en competencia, debido a la mala maniobrabilidad que presentaría. Solo podía ser ocupada para establecer record de velocidad. Un personaje de nombre Kamm fue el primero en utilizar un corte de una cola muy larga, la cual se llamo cola de Kamm, la que presento un muy bajo efecto de estela y fuerza de arrastre.

En la imagen de arriba podemos ver como se comporta el flujo para diferentes superficies. En al imagen de abajo, podemos ver la moto que tiene el record actual de velocidad. Como vemos, es muy larga.

Claramente, hasta ahora no hemos considerado la aerodinámica del piloto, la cual no puede ser despreciada considerando que las dimensiones de una moto no son mucho mayores que las de la persona. La manera en que se aborda el conjunto piloto-moto en el estudio de su aerodinámica intenta considerarlos lo mas parecido a un solo cuerpo, siempre buscando la continuidad de un cuerpo con respecto al otro, de manera de minimizar las deformaciones en la superficie, sin dejar de lado la maniobrabilidad del piloto. Es así, como las motos fabricadas para grandes velocidades presentan asientos inclinados hacia delante, de manera que el piloto pueda ir semi acostado sobre el vehiculo, disminuyendo la superficie libre. También, el piloto utiliza un traje apegado a la piel, de manera que no se produzcan pliegues con el aire y un casco aerodinámico, que no genere turbulencias.
En el estudio de la aerodinámica de un móvil como la moto también se debe considerar la fuerza de levantamiento o fuerza de sustentación que genera el aire a gran velocidad. Esta fuerza puede ser muy peligrosa ya que genera un torque sobre la rueda trasera de la moto, inclinándola hacia atrás. Con esta fuerza, la moto pierde tracción sobre la rueda delantera, expidiendo el manejo adecuado de la dirección. Para contrarrestar esta fuerza, se ideo un sistema parecido al ocupado en los autos, conocido como alerón, el que utilizando la fuerza de arrastre del aire, empuja el vehiculo hacia abajo, permitiendo una mayor tracción en las ruedas. Esto también presentaba un problema, ya que a diferencia de los autos, las motos necesitan inclinarse mucho al doblar, entonces, al inclinarse, la fuerza ya no era hacia abajo, sino, en diagonal hacia un costado, generando una componente horizontal hacia fuera y otra vertical hacia abajo. Este problema lo solucionaron aplicando un alerón inclinable, el cual siempre se mantiene horizontal haciendo que la fuerza sea siempre vertical hacia abajo. Esto se puede apreciar de mejor manera en la siguiente figura:


Para el estudio de la aerodinámica de un automóvil debemos considerar principalmente dos fenómenos. Al igual que en la moto, la fuerza de arrastre debe ser muy estudiada, sin embargo, en el caso del auto, toma gran importancia la fuerza de sustentación, la que también esta presente en la moto, pero no con la relevancia del auto.
Ya que las fuerzas que actúan en un auto y en una moto son las mismas, las soluciones y las aerodinámicas se basan en las mismas teorías. Es por eso que la forma de un auto cumple con los mismos principios que los de una moto. Para el caso del auto, lo que se busca en su aerodinámica es producir el menor efecto de separación, disminuyendo la fuerza de arrastre, y también equilibrar la fuerza de sustentación en el caso de autos creados para enfrentar grandes velocidades.
Considerando las teorías antes vistas, la aerodinámica de un auto depende, entre otros factores, de su alto y de su largo. El mismo auto alto y corto es menos aerodinámico que ese auto pero más bajo y largo. Ya que los autos muy largos pueden ser incómodos y poco eficientes debido al peso y a la maniobrabilidad, se prefiere por lo general el modelo de Kamm, por lo que los autos comunes están cortados en su cola.





En la imagen se puede ver el modelo Audi A2 2001, el cual es el auto de calle más aerodinámico del mundo que salió hasta el 2001.
Ya que el auto genera una alta fuerza de sustentación, a este se le han aplicado diversos dispositivos que generan sustentación negativa, es decir, una fuerza hacia abajo que les permite mantenerse pegados al suelo sin perder estabilidad ni capacidad de frenado. Por ejemplo, en la formula 1 se utilizan alerones de grandes dimensiones para generar una fuerza de sustentación negativa suficiente para mantener la estabilidad y así poder tomar una curva a mayor velocidad.


Otro aspecto tratado en la formula uno es la estela y la turbulencia que genera el casco del piloto además de la incomodidad y la fuerza que debe resistir, lo que puede causar desconcentración y provocar un accidente. Es por ello que han diseñado una toma de aire sobre la cabeza, la cual agarra el aire turbulento y lo limpia, evitando estelas.




Para el caso del casco, y con la idea de evitar también la fuerza de sustentación, se le han diseñado alas y alerones, al igual que al vehiculo para evitar accidentes y mantener cómodo al piloto.

Fuerza de Arrastre, el Fenómeno de Separación y las Variables que Participan

Para poder entender y manejar el concepto de fuerza de arrastre primero hay que entender el concepto de capa límite del aire que es uno de los aspectos básicos del desarrollo de la mecánica de fluidos, esta es una capa muy delgada de aire cercana a los bordes donde los efectos de la viscosidad son importantes, mas específicamente es aquella capa de aire que se forma sobre la superficie de los cuerpos en movimiento y en la cual se ha demostrado que la velocidad del aire varía desde cero hasta la velocidad del flujo de aire sin obstáculos. Esta capa nos entrega también los gradientes de presión cerca de las superficies ya mencionadas y es la causante de que se desprendan los contornos de estas generando las llamadas estelas. En la siguiente figura podemos ver esquematizado el concepto de capa límite con velocidad constante:
En la región A la velocidad es la del fluido libre; en B la velocidad del fluido cambia de cero a 0,99V; en la región C hay turbulencia.


Existe también el llamado punto de separación, que es el punto en el que el flujo, debido a gradientes de presión que encontramos sobre la superficie de los cuerpos, deja de seguir el contorno del cuerpo (en este caso es el punto c). Ahora, si analizamos la capa límite, esta es arrastrada por el empuje del fluido y es retardada por la fricción en la pared, si la presión es favorable (que decrece en dirección del flujo), esta capa seguirá moviéndose hacia adelante. Pero como la velocidad cerca de la superficie es pequeña y la presión es favorable, el momentum del fluido puede ser insuficiente para abrirse el paso y esto podría hacer que el fluido se detenga o incluso retroceda. Es así como el flujo puede despegarse de la pared del cuerpo provocando el llamado fenómeno de separación.
Podemos ver este fenómeno en la siguiente figura, donde S es el punto de separación y L la línea de separación.



Podemos definir entonces la fuerza de arrastre como la fricción entre un objeto y el fluido por el que se mueve que actúa de manera opuesta al movimiento. Matemáticamente hablando la fuerza de arrastre es:
Donde las variables son:
Cd :coeficiente de arrastre.
rf : densidad del medio.
A : área de la sección transversal al movimiento.
v :la velocidad.
Sabemos tambíen que Cd es una función del número de Reynolds, Re( número valioso que sirve para definir el comportamiento de un fluido principalmente la transición del flujo laminar al turbulento). Re vale:
donde
l : longitud del objeto medida a lo largo de su sección transversal .
h : viscosidad dinámica del fluido.
Para un amplio intervalo de números Re, la forma funcional del coeficiente de arrastre Cd se puede escribir.
Para Re<1, el primer término domina. Para 1000 < Re < 200000, el coeficiente de arrastre Cd es aproximadamente igual a 0.4.
Como podemos ver, las variables que participan en la fuerza de arrastre son:

Comportamiento aerodinámico de un móvil, bicicleta, que se desplaza en el aire.

Primero, es importante saber que la aerodinámica es la rama de la mecánica de fluidos que estudia las acciones que aparecen sobre los cuerpos sólidos cuando existe un movimiento relativo entre estos y el fluido que los baña, siendo éste último un gas y no un líquido.


Figura Nº1



Para el efecto de esta presentación hablaremos que el móvil se está moviendo siempre, mientras que el aire se mantiene calmo, para poder así facilitar las explicaciones.
Un concepto bastante importante en esta parte es el de resistencia aerodinámica, que es la resistencia que ofrece al móvil el fluido que lo circunda, siendo esta una fuerza que actúa en sentido contrario a la dirección del móvil. Para poder calcular esta resistencia se utiliza la siguiente fórmula:



Este último, llamado coeficiente de resistencia, o vulgarmente, coeficiente aerodinámico, es un coeficiente que se obtiene por lo general experimentalmente, dentro de túneles de viento, para poder ver qué tanto le afecta al móvil el viento en contra. Este coeficiente va desde valores relativamente pequeños como 0.001 para flujos laminares hasta valores grandes como 0.7 o 1.1 para automóviles de la fórmula 1.
Para nuestro caso, el de la bicicleta, este valor está entre 0.6 para un ciclista de competición y 0.9 para un ciclista perfil medio.
Entonces ahora que ya sabemos un poco de los conceptos básicos, podemos hacer referencia a cómo se mueve un móvil en el aire. Al estar el aire quieto, y nosotros como móvil desplazarnos por él, el aire trata de pasar a través de nosotros, pero al estar nosotros, el aire ‘choca’ contra nosotros, produciéndose una fuerza en contra, que es la que explicábamos anteriormente. Al chocar este aire, este trata de escapar y sale por los lados, rodeando el obstáculo, tal como se muestra en la figura Nº1. Si el lado por el que sale es suave, como el que se muestra en la figura, no hay mucha complicación, ya que el aire sale fácilmente, pero si el móvil termina abruptamente (como en el caso de un humano en una bicicleta), se producen turbulencias por la parte posterior del móvil, ya que al presentarse este término abrupto, se generan vacíos o zonas de bajas presiones, por lo que el aire trata de entrar a ese lugar de baja presión, revolviéndose con las demás partículas del lugar.
Para el caso específico de la bicicleta, podemos entonces calcular la resistencia que ofrece el aire al paso de esta, para esto hagamos un ejemplo didáctico. Digamos que tenemos los siguientes datos:

superficie frontal estipulada para una persona normal en una bicicleta (esto toma en cuenta la bicicleta y el ciclista).

coeficiente de resistencia de un ciclista perfil medio.


Hay que tener en cuenta que esta es la fuerza que ejerce el aire sobre el sistema ciclista-bicicleta en sentido contrario a su movimiento, pero no es la única fuerza que actúa, ya que el peso mismo y la fuerza de roce de las ruedas sobre el suelo también ejercen fuerzas que el ciclista debe vencer para poder avanzar, además de las pérdidas mecánicas de la misma bicicleta.

Por otro lado, comentamos anteriormente que detrás de los ciclistas se producen zonas de baja presión debido al avance que tienen éstos sobre el aire, que se transforman en turbulencias en sus espaldas. Bueno estas zonas pueden ser aprovechadas por ciclistas que estén detrás, ya que estas zonas ofrecen menos resistencia al paso de los mismos ciclistas generadas por las bajas de presión, lo que se denomina ‘drafting’ en inglés. Esto es bastante aprovechado en carreras de equipos, que se van turnando quién va delante, en un acto que es como ‘ir cortando el aire’ para los que van detrás, lo mismo ocurre en carreras de automóviles, especialmente en el náscar.

miércoles, 2 de mayo de 2007

Bienvenidos

Grupo 18

Integrantes:
Clemente Ochagavia
Ignacio Camus
Juan Pablo Gonzalez
Juan José Besa