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.

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.

Bienvenidos

Grupo 18

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