Parte 2

RESUMEN EJECUTIVO
Si observamos los resultados obtenidos, nos damos cuenta que con nuestra propuesta de dispositivo, la fuerza de arrastre se disminuyó en un 18 %, que a pesar de no ser una cifra tan significante demuestra que si se tuvo una mejora en la aerodinámica de la bicicleta. Así podemos decir en base a nuestros objetivos propuestos que se han logrado las metas, creamos un prototipo de fácil montaje, el cual se mantiene en su posición por si solo, hecho con un bloque de plumavit con el cual intentamos cubrir mayormente al ciclista, sin aumentar el área frontal, pero tardando el efecto de separación. Por otro lado, según nuestros resultados vemos que nuestro coeficiente de arrastre disminuyó desde 1.36, sin el dispositivo, hasta 1.13 con el dispositivo instalado, que fueron obtenidos mediante las fórmulas descritas en nuestra primera entrega. Posteriormente se explicará con mayor detalle el mecanismo que usamos para obtener los resultados que comprobaron nuestra mejora, donde ayudados por un auto logramos una velocidad, para luego estudiar la desaceleración y tomar las mediciones necesarias.

Competencias y Habilidades Desarrolladas
En este proyecto pudimos comprobar como afectan algunas propiedades de la mecánica de fluidos a utensilios de uso cotidiano como es una bicicleta. En el desarrollo de este proyecto tuvimos que investigar sobre los distintos efectos que influyen en la aerodinámica de algunos vehículos, para poder contar con la teoría, luego se analizó y se trató de llevar a una bicicleta, con lo que desarrollo la capacidad de realizar analogías, luego se dieron distintas ideas para mejorar la bicicleta, se analizaron viendo cuales eran factibles y mas eficaces, para finalmente llevar a cabo la idea elegida. En la construcción de esta idea se encontraron distintas dificultades las que nos enseñaron que las ideas que parecen más fáciles de construir pueden resultar difíciles de concretar, y que ideas que parecían absurdas, pueden ser bastante útiles y a veces la más efectiva, por lo que en el proceso de idear soluciones no hay que desechar ninguna sin analizarla primero. Dentro de los aprendizajes que nos entrego el curso y que pusimos en práctica en este proyecto cabe destacar: la dinámica de los fluidos (efecto de separación en el flujo viscoso y la idealización del flujo potencial).

6.0 Implementación

Luego de tomar nuestra mejor propuesta donde dimos la idea final en el punto 5.0, nos dedicamos a concretizar la idea, así fueron apareciendo algunas complicaciones mayormente en el diseño y cortes de nuestro prototipo. En esta parte realmente creemos que la elección del material para construir el prototipo no fue muy adecuada, y si nos enfrentáramos nuevamente a este proyecto creemos que es algo importante destacar, ya que no todas las soluciones son de igual magnitud ni complejidad. En nuestro caso nos resultó de mucho trabajo y aún así no pudo ser un trabajo tan limpio en el caso estético, pues la densidad del material y la poca flexibilidad nos imposibilitaron en este aspecto, lo cual no consideramos que es la base del proyecto, donde la relevancia está en las mediciones finales y los resultados de lograr una bicicleta más aerodinámica. Así finalmente creemos que lo mejor sería que se considerara libre el material a elegir, pues depende mucho de la solución planteada y elegida.
Nuestro plan de trabajo en cuanto a fechas no resultó tal como esperábamos, pues el tiempo utilizado en la construcción del prototipo fue demasiado, desplazando todas las siguientes actividades. La organización no tuvo complicaciones y hubo una buena participación en el trabajo de cada integrante del grupo.

Finalmente las vistas de nuestro prototipo son las siguientes:

6.1 Cronología
El tiempo tomado en la construcción del prototipo fue alrededor de unos 9 días, donde mejoramos diseño, haciendo nuevas vistas mejoradas, y sobre todo en, primero cortes de cubos a los cuales del dimos forma según nuestros planos porque debimos pensar en modo en que el bloque de plumavit nos rindiera los mejor posible, luego en las uniones de estas partes, y finalmente en el logro de la forma final.
Repartimos las actividades en distintas áreas, una parte de realizar los planos, las vistas frontal y lateral, más un corte a la altura de 20 cm., esta tarea fue desarrollada por Cristian Barría y Rubí Jiménez. Luego se hicieron unas plantillas a escala para marcar la plumavit, hecho por Francisca Nuñez, mientras Claudio Araya buscó la mejor manera de cortar en aspectos más generales.

Finalmente el pegado y las terminaciones las hicimos en distintas instancias todos los integrantes.

6.2 Costos
En la realización de nuestro prototipo fueron apareciendo nuevos materiales necesarios para su realización, y claro está que la plumavit no será considerada, pues fue otorgada por el profesor. A continuación los gastos reales de nuestro proyecto fueron:

6.3 Evaluación de desempeño

Para poder obtener la fuerza de arrastre, efectuamos una prueba, primero sólo a la bicicleta, en donde logramos una velocidad constante con la ayuda de un automóvil el cual tiraba a la bicicleta, y de esta forma medir la desaceleración que se produjo en la bicicleta, para ello contamos con un velocímetro instalado en ella y medimos el tiempo en que su velocidad disminuyó de 40 a 30 km/hr, obteniendo su aceleración y con la masa la fuerza que esta actuando en contra del movimiento. Así mismo lo efectuamos con la bicicleta con dispositivo lo que nos permite comparar de una manera cuantitativa, las fuerzas de arrastre involucradas en cada caso. Al ser el plumavit un material relativamente liviano, despreciamos su masa y como el roce suelo neumático será el mismo para ambos casos, no será una variable a considerar en nuestro estudio.

Considerando un área frontal de 0.385 m2, y una masa especifica 1000 [kg/m3]

En la fuerza total esta considerada la fuerza de roce y la fuerza de arrastre, sólo basta calcular la fuerza de roce, la cual está dada por:
Fr=cf*m*g, que tiene un valor de 5.37 [m/s2]

1.0 DEFINICIÓN DEL PROYECTO Y PROCESO DE DISEÑO

El proyecto consiste en diseñar y construir un prototipo de un elemento a escala 1:1, que al agregarse a una bicicleta permita mejorar sus condiciones aerodinámicas. Este dispositivo debe ser de un fácil montaje y sin incomodidades para el ciclista.

Esperamos para ello reducir la fuerza de arrastre del sistema bicicleta-usuario, con el fin de lograr una velocidad mayor con el mismo esfuerzo.
Hemos implementado una metodología de trabajo de tal forma que iremos avanzando por etapas:

1. Investigación sobre la aerodinámica y los distintos fenómenos que intervienen en ella, tales como la fuerza de arrastre, el efecto separación y la resistencia al fluido.
2. Observación de las soluciones que se han efectuado en el diseño de dispositivos similares en la actualidad.
3. Propuestas de ideas tendiente al diseño de ingeniería buscado.
4. Análisis de las ideas, y la respectiva elección de la mejor opción.
5. Correcciones del diseño propuesto y confección de los dibujos definitivos, para su posterior construcción en plumavit.
6. Medidas de las variables incluidas en la teoría, para obtener una evaluación del prototipo.

COMPORTAMIENTO AERODINÁMICO DE UNA BICICLETA

La bicicleta ha existido por más de 100 años. Una de las primeras bicicletas era que tenía una rueda delantera grande y una rueda trasera muy pequeña. Pero para 1880, la bicicleta moderna ya había aparecido.

La gran pregunta es si esta bicicleta tiene un comportamiento aerodinámico realmente apropiado. Esta pregunta fue rápidamente respondida en los años 30 cuando aprecio una tan eficiente que lograba superar a los mejores ciclistas de esa época. Esta bicicleta consistía en un asiento en posición baja y donde el ciclista se sentaba de manera reclinada, logrando disminuir en gran medida la resistencia del aire, efecto que juega un papel muy importante en el ciclismo. De hecho, a una velocidad de 8 mph (3.5 metros/segundo) la resistencia aerodinámica de un ciclista y su bicicleta es mayor que la fricción que generan las ruedas al ir rodando contra el suelo. A 20 mph (11 m/s), la resistencia aerodinámica es más del 80% de la resistencia total. Es decir, la bicicleta moderna deja tan expuesto al ciclista, quien no posee una forma aerodinámica adecuada para lograr un trabajo eficiente, que afecta el comportamiento de ésta. Es por esta razón, que para mejorar la aerodinamisidad de la bicicleta, los ciclistas profesionales mantiene una posición agachada al momento de competir, pudiendo disminuir así la resistencia del aire y logrando una forma más aerodinámica entre el cuerpo y la bicicleta, para que el fluido continúe su línea de recorrido, sin necesidad de alcanzar un fenómeno de separación tan considerable.

Además del gran problema que hay debido a la gran exposición del ciclista hay que fijarse en la estructura de la bicicleta. El rendimiento de una bicicleta se ve afectado por dos clases de resistencia la aerodinámica: resistencia de presión (o forma) y la resistencia de fricción. La de presión se produce cuando el flujo de aire no logra adaptarse al contorno del objeto que se mueve. Esta separación del aire hace que la distribución de presión varíe sobre el objeto, esta se produce hacia la parte de atrás de la bicicleta, haciendo que la presión del aire allí sea menor que en la superficie delantera, produciendo resistencia. La resistencia de fricción se debe a la viscosidad del aire. Las formas romas, tales como cilindros, esferas, y otras formas habituales en una bicicleta, resultan ineficaces desde el punto de vista aerodinámico, por la razón de que el flujo de aire se separa de ellas, formándose zonas de baja presión detrás de estos objetos, produciendo una resistencia de presión centenares de veces mayor que la de fricción. Ocurriendo todo lo contrario en las formas aerodinámicas, donde el aire fluye suavemente, cerrándose detrás del objeto. La resistencia de presión se reduce bastante pero la resistencia de fricción cobra mayor importancia.

Otro factor que puede provocar un aumento en el comportamiento aerodinámico de la bicicleta sería una mejora en las ruedas. Lo ideal sería un disco y no con rayos, como son actualmente, ya que el espacio permite que el fluido se cuele por ahí, provocando que el flujo de aire se separe y cause turbulencia, lo cual a su vez aumenta la resistencia del aire. La idea de los discos fue pensada alguna vez, pero fue desechada debido a que tienen un mayor peso y no causo mucho interés por parte de los compradores.

Finalmente como idea general, se podría decir que existen 3 formas para reducir la resistencia aerodinámica e la bicicleta. En primer lugar, se puede reducir la cantidad de energía malgastada en la interacción de la bicicleta con el aire. Esto se hace fuselando (perfilando el frente y el dorso de los objetos romos para minimizar la resistencia a la presión), donde se ha comprobado experimentalmente que una forma de gota es lo que hace más aerodinámico un móvil, disminuyendo el fenómeno de separación y las diferencias de presiones y por tanto la fuerza de arrastre. Además se logra suavizando las superficies rugosas para minimizar la resistencia a la fricción (ver figura 5). En segundo lugar, se pude disminuir la cantidad de aire por cada segundo de avance. Esto se consigue disminuyendo el área frontal efectiva del conjunto bicicleta-ciclista. El mismo efecto se puede lograr pedaleando a grandes latitudes. En tercer lugar, el ciclista puede encontrar aire moviéndose de forma tal que produzca viento de cola. El ejemplo más claro es cuando corre muy cerca de la estela de otro vehículo

FUERZA DE ARRASTRE

Todo cuerpo que esté inmerso en la corriente de un fluido estará sometido a fuerzas y momentos de fuerzas que dependen de la forma y orientación con respecto al flujo. La fuerza paralela al flujo se llama arrastre o resistencia al aire.

El arrastre es una fuerza mecánica, con dirección contraria al movimiento del cuerpo y provocada debida al contacto entre un cuerpo rígido y un fluido. La magnitud de esta fuerza puede verse afectada debido a la sección efectiva de impacto o la forma de la superficie.

Existen muchos factores que afectan la magnitud del arrastre. La magnitud de la sección efectiva de impacto y la forma de la superficie.

La fuerza de arrastre produce diversos efectos, tales como, el roce aerodinámico con la superficie llamado efecto piel entre las moléculas del aire y las de la superficie sólida, esto implica que una superficie muy suave y encerada produce menos arrastre. A su vez este efecto depende de la magnitud de las fuerzas viscosas. A lo largo de la superficie se genera una capa de borde formada por moléculas de baja energía cinética y la magnitud de la fricción de piel depende de las características de esta capa que se encuentra en la vecindad inmediata de la superficie del cuerpo.

Otro efecto muy importante es el de arrastre de forma. La forma de un cuerpo produce una determinada distribución de las presiones debido a las velocidades locales. Integrando estas presiones sobre toda la superficie del cuerpo obtendremos la fuerza de arrastre.

Existen otros tipos de arrastre llamados arrastres inducidos que son producidos por la dinámica del flujo debido a la forma particular del cuerpo, como por ejemplo, los vórtices que se producen en la punta de las alas de los aviones o la formación de ondas de choque al acercarse un cuerpo a la velocidad del sonido en el fluido, lo que provocará además resistencia al movimiento.

Es decir, un cuerpo que se mueve en un fluido viscoso con velocidad constante debe estar sometido permanentemente a la acción de una fuerza. Para compensar el trabajo que sobre ella hace esta fuerza debe existir una disipación de energía. Esta resistencia que impide la aceleración del cuerpo se llama fuerza de arrastre, donde influye el arrastre por la forma del cuerpo y el arrastre viscoso.

Para calcular la fuerza de arrastre se utilizará la fórmula:

Donde S corresponde a es la proyección frontal del área del móvil en el flujo,
ρ a la densidad del fluido, V a la velocidad relativa del móvil y finalmente C_A, denominado coeficiente de penetración o forma depende de una serie de variables, tales como, la forma del móvil, el material de que esté hecho, su velocidad y la temperatura. Para caso que estamos evaluando en este proyecto (la bicicleta) este factor puede ser considerado constante si no cambia la forma en el rango de velocidades en que nos movemos, con muy buena aproximación. Este coeficiente es adimensional y está comprendido, con buena aproximación, entre los valores de 0.6, para profesionales, donde el cuerpo del ciclista adopta una posición parecida a un huevo, y 1.1 para posiciones de paseo donde el cuerpo va totalmente erguido. Cosa similar sucede con S, donde para profesionales toma un valor aproximado de 0.3m² y para posición de paseo 0.6 m².

Al analizar esta fórmula y pensar en nuestro proyecto, las ideas factibles son dos. En primer lugar se podría modificar el área frontal, es decir S, logrando así disminuir la fuerza de arrastre. Pero esta idea se ve bastante difícil, ya que la bicicleta es muy angosta, por lo que no parece muy factible poder modificar este punto. La segunda idea sería disminuir el coeficiente de arrastre C_A. Debido a que éste depende, en parte, de la forma de la bicicleta, es que lo ideal sería conservar el área frontal y a su vez lograr confeccionar con la plumavit un aparato con una forma lo más parecido a una gota o en el caso que se trate de un ciclista profesional, cuya postura es más aerodinámica, lograr continuar la forma de éste, cambiando la parte trasera de la bicicleta

Como vimos la fuerza de arrastre depende tanto de la forma como de la fricción. Nosotros nos enfocaremos en la forma, ya que la fricción con el suelo será igual para ambas, la bicicleta con el dispositivo y sin éste, y la fricción con el aire se podría considerar despreciable, con respecto a la resistencia que provoca la forma, ya que el aire tiene una densidad muy pequeña y porque a grandes velocidades, está comprobado experimentalmente que la resistencia por fricción es despreciable.

FENOMENO DE SEPARACIÓN

Debido a gradientes de presión sobre la superficie de los cuerpos en un flujo, éste deja de seguir el contorno del cuerpo en un determinado punto llamado punto de separación. Sin embargo una delgada capa de fluido se mantiene adyacente a la pared del cuerpo, dentro de la capa límite, donde ésta corresponde una capa de fluido muy delgada que está en contacto con una superficie sólida, dentro de la cual no se pueden despreciar los efectos viscosos y cuya velocidad es afectada por la fuerza cortante en la frontera. Esta capa de fluido mantiene la dirección del fluido, de lugares de mayor presión a lugares con menor presión. Es arrastrada por el empuje viscoso y a su vez retardada por la fricción que se provoca con la pared. Cosa distinta sucede si la presión aumenta en la dirección del flujo, ya que en este caso el momentum del fluido puede ser insuficiente para abrirse paso y esto podría detener completamente el fluido y pudiera incluso tener un retroceso a baja velocidad. Es así como el flujo puede despegarse de la superficie del cuerpo.

Aquí se ilustran imágenes donde se observa el fenómeno de separación para cuerpos con distintas formas.

Se puede apreciar que luego de la separación se forman vórtices detrás del cilindro en un sector que llamamos estela. Esta estela puede ser grande o pequeña dependiendo del lugar de la superficie del cuerpo donde se produzca la separación. En la estela la presión es constante existiendo variaciones solamente en la parte donde el flujo aún no se separa. Todo esto hace que la suma de las fuerzas debida a las presiones sobre la superficie resulte en una fuerza neta que arrastra al cuerpo en la dirección del flujo. Es un hecho experimental que mientras menor sea la estela menor será el arrastre de forma. Conviene pues demorar la separación si queremos un arrastre menor. Es por esto, que la forma similar una gota se transforma en una de las formas más aerodinámicas que permite a los cuerpos reducir su fuerza de arrastre. Y así como analizamos anteriormente, la idea será modificar la bicicleta de manera tal que en su conjunto quede con forma de gota, logrando un comportamiento aerodinámico más óptimo y por tanto una estela menor.

Aerodinámica en vehículos con carrocería.
A través de la historia, desde que se creó el primer automóvil, el hombre siempre ha buscado sacarle el máximo provecho, mejorando la eficiencia y las prestaciones, para lograr un bajo consumo de energía y así aumentar su velocidad.
Dentro de este marco la aerodinámica es vital, por ello la ingeniería se ha enfocado, entre otros, a lograr la menor resistencia al fluido (en nuestro caso el aire). A pesar que esta característica depende de múltiples variables como la viscosidad del fluido dimensiones y geometrías del problema, etc.. Existe un “perfil ideal” similar a un gota de agua recostada o ala de avión, como lo muestra la figura

Es un hecho experimental que mientras menor sea la estela menor será el arrastre de forma. Conviene (como ya lo hemos visto antes) pues demorar el fenómeno de separación si queremos un arrastre menor y por consiguiente una resistencia menor. Por lo que tendremos que darle a los cuerpos una forma tal que la estela disminuya en tamaño.
Por esta razón las motocicletas de velocidad han incorporado un caparazón en la parte delantera aunque con distintos objetivos, de acuerdo a los diferentes tipos de moto que buscan penetrar o proteger. Proteger es meter al conductor, dentro de la burbuja que se forma por el desprendimiento de la corriente, la estela es grande y por tanto la potencia a la rueda se consume en su gran mayoría para vencer la resistencia aerodinámica, esto en el caso de motocicletas urbanas, scooters o incluso customs con parabrisas, para viajes largos y autopista.
Penetrar es conseguir que el piloto se integre en el carenado de la moto y que la corriente se desprenda lo más tarde (separación), por tanto la resistencia aerodinámica sea lo menor posible; para el caso de motos de circuitos y velocidad pura.

Entonces el problema se acentúa aún más en los vehículos que corren a grandes velocidades, en donde su fuerza de arrastre aumenta notoriamente, en forma cuadrática con respecto a la velocidad, es por esto que en los deportes de altas velocidades, como la Formula 1 y MotoGP en autos y motos respectivamente, siempre se está en la vanguardia con respecto a este tema. Tanta es la importancia de este efecto, que los trajes de los pilotos de carrera de las motocicletas tienen incorporado en la espalda un perfil aerodinámico (Aerodynamic wedge)

Para el caso de los coches opera el mismo principio, los autos de formula han sido carenados pensando en la mínima resistencia al aire, un ejemplo son las barras de amortiguación y la trompa que están hechas de forma que la resistencia baje drásticamente.

Aunque a diferencia de las motocicletas, en los coches toma importancia el efecto de sustentación para mantener el auto “pegado” al suelo y obtener mayor adherencia en las curvas, la llamada carga aerodinámica, esta es necesaria ya que en la medida en que la resistencia al aire se hace demasiado baja, el coche pierde sustentación, tiende a elevarse y despegarse del suelo, para regular este efecto es que se han creado los alerones o spoilers. Los diseñadores e ingenieros buscan encontrar el equilibrio entre los dos efectos dependiendo del circuito, a mayor cantidad de curvas mas carga aerodinámica y si se presentan rectas más largas, donde importa más la velocidad final, es la menor resistencia la que interesa.
A modo de ejemplo se encuentra el Audi TT, en su versión original y que debido a numerosos accidentes y reclamos por parte de los usuarios, la marca alemana decidió instalar un spoiler trasero para mayor agarre y seguridad

2.0 IDENTIFICACIÓN DE METAS Y DIFICULTADES

En la concepción del proyecto encontraremos diferentes dificultades dentro de las más relevantes podemos mencionar las mediciones para comprobar que tan eficiente es el prototipo, como el área frontal proyectada A (la cual cambia notablemente con la posición del ciclista), la velocidad relativa del aire con respecto a la superficie sobre la que se está circulando, en este caso la bicicleta.

Una de las mayores dificultades se encuentra en la maniobrabilidad del material disponible, debido a que no es tan fácil de darle forma puesto que los cortes no dejarán la superficie lisa, lo que conllevara a un roce del aire distinto al deseado o teórico, además por no tener una gran resistencia al corte será difícil de mantener en su posición sobre todo si la velocidad de prueba es alta, así como también su montaje será complicado, pues deberá tener algún mecanismo por el cual se integre a la bicicleta.

Para llevar a cabo este proyecto deberemos:
1. Estudiar el omportamiento erodinámico e un móvil que se desplaza en el aire, específicamente de una bicicleta.
2. Analizar como influyen la fuerza de arrastre, el fenómeno de separación. Averiguar cómo se ha abordado este problema en vehículos que tienen carrocería, en especial motos y automóviles, ver que características de estos se pueden aplicar a la bicicleta, cuales se pueden modificar, o de acuerdo al objetivo que persigan, realizar algo análogo pero para la bicicleta.
3. Idear o buscar la manera para medir en la bicicleta con el prototipo: la velocidad, fuerza total y presiones.
4. Tomar datos sobre las fuerzas de arrastre y el rozamiento aerodinámico sobre la bicicleta original para diferentes velocidades con el fin de comparar los resultados con los obtenidos cuando la bicicleta incluye el prototipo.
5. Diseñar el prototipo de acuerdo a lo estudiado, es decir, introduciendo cambios que disminuyan el roce del aire, y otras características aerodinámicas que permitan una mayor eficiencia en el uso de la bicicleta.
6. Estudiar la factibilidad del diseño de acuerdo a los materiales que se pueden ocupar. Realizar las modificaciones pertinentes
7. Realizar el diseño en la práctica, es decir, implementar la idea en la bicicleta.
8. Tomar datos con la bicicleta usando el aparato, y compararlos con los tomados anteriormente, si estos no producen una mejoría se vuelve al paso 5, se rediseña implementando los nuevos cambios, hasta obtener resultados satisfactorios.

De los pasos señalados anteriormente los que presentan un mayor trabajo y cuidado son, el idear la forma de tomar datos (3), y el (5) crear y diseñar la forma de mejorar la eficiencia de la bicicleta.

Nuestra principal meta será producir un aparato que realmente mejores las condiciones aerodinámicas de una bicicleta, para lo cual nos proponemos: realizar un mínimo de 3 pruebas (incluyendo modificaciones en el diseño de elemento después de cada prueba) a distintas velocidades, tener una carta gantt bien organizada y tratar de guiarse por ella para los plazos de cada etapa.

3.0 ORGANIZACIÓN Y FUNCIONAMIENTO DEL GRUPO DE TRABAJO

Para organizarnos de mejor manera debemos tener ciertas responsabilidades tanto grupales como también las tareas específicas de cada uno de los integrantes. Para esto, lo primero fue identificar las actividades que debimos realizar para llevar a cabo esta primera etapa del proyecto, luego así confeccionar una carta Gantt con la cual estimamos duraciones y fecha de las actividades, ésta es presentada a continuación:












A: Investigación de conceptos: acá nos referimos a toda la información necesaria que tuvimos que estudiar para poder entender de mejor manera el concepto aerodinámico de un móvil, en este caso una bicicleta. Entendimos conceptos de fuerza de arrastre, fenómeno de separación y las variables que participan. Además de averiguar este problema en vehículos como motos y automóviles. Finalmente ver como se puede medir la situación real de una bicicleta. Esta tarea fue asignada a realizar por todos los integrantes, ya que es búsqueda de información para que cada uno adquiera conocimientos.

B: Lluvia de ideas: Acá dejamos fluir las ideas y vimos que solución podíamos encontrar para nuestro proyecto, nos reunimos con tiempo para poder discutir y ver cuales eran las propuestas que tenía cada uno.
C: Evaluación de propuestas y elección de la mejor: Acá nuevamente debimos participar todos, ya que era hora de tomar la decisión de que realizaremos para nuestro proyecto. Acá nos juntamos y evaluamos cada idea surgida anteriormente. Vimos que era lo mas efectivo y de fácil montaje sin provocar dificultades, ni impedimentos y tomamos la decisión final.

D: Diseño del prototipo: Acá con nuestra idea ya elegida y conversada con todo el grupo, nos enfocamos en ver la parte del diseño en sí de nuestro aparato. Esta tarea fue asignada a Cristian Barría y Rubí Jiménez, donde debimos enfrentar los problemas finales de la forma de agarre, forma final del prototipo, etc.

E: Realización de Entrega 1: Hay variados puntos acá, por lo cual todos debimos hacer partes, fue un trabajo más bien grupal, ya que todos discutimos y conversamos de cada puntos de éste, pero finalmente repartimos las tareas para aprovechar mejor el tiempo.

F: Actualización del Blog: Finalmente los preocupados por la actualización y cosas respecto a la parte del diseño de éste fueron Claudio Araya y Francisca Nuñez, aunque fue discutido con anterioridad por el grupo, ellos fueron los encargados del diseño final del blog.

4.0 ELABORACIÓN DE SOLUCIONES

BRAIN STORMING

Al iniciar este proyecto comenzamos a pensar cuales eran las razones por las cuales un ciclista aumentaba la fuerza de arrastre al comenzar a andar. Investigando descubrimos que la fuerza de arrastre se divide en dos. Una fuerza provocada a la fricción y otra debido a la forma del móvil. Pero como sabemos la densidad del aire es muy pequeña, vamos a considerar la fricción realizada por éste despreciable y la fuerza por fricción que se produce al contacto con el suelo será la misma para la bicicleta con o sin dispositivo implementado. Por lo tanto, el punto en el que nos enfocaremos para empezar con las ideas será la búsqueda de un dispositivo que cambie la forma del conjunto bicicleta-ciclista a una forma que reduzca el fenómeno de separación y por el contrario permita al fluido continuar una línea y reducir las diferencias de presiones entre el frente y la parte trasera de la bicicleta, para lograr disminuir la resistencia, es decir, disminuir la fuerza de arrastre.

Así las ideas pensadas fueron:

· Realizar un cambio a los pedales. Si nos fijamos, al momento de pedalear, cada pierna choca con el aire de frente, debido a que la sección es considerable, ésta separa el fluido, provocando vórtices que aumentaran la resistencia de la bicicleta.
Nuestra idea consiste crear con el plumavit un dispositivo que disminuya el fenómeno de separación al variar la forma de los pedales. La intención es cubrir el pedal y parte de la pierna de manera que quede una punta hacia adelante al momento de pedalear y el aire encontrarse con la planta del pie y pedal, pero de manera tal que no se modifique el área frontal. Y así fijándonos en la fórmula de fuerza de arrastre y debido a que modificamos el pedal con una forma más aerodinámica lograríamos disminuir el coeficiente de arrastre y todo lo demás se mantendría constante disminuyendo así la fuerza de arrastre.


· Pensamos también en mejorar las ruedas de la bicicleta. Como vimos anteriormente un problema en el comportamiento aerodinámico de la bicicleta son los rayos de la bicicleta, los que permiten el paso del aire, provocando que el flujo de aire se separe y cause turbulencia, lo cual a su vez aumenta la resistencia del aire. Por lo que pensamos en crear un dispositivo que permitiese cubrir completamente los espacios que forman los rayos de las ruedas, quedando estas como un disco.
Al lograr dejar las ruedas como un disco, ya no hay paso del aire por entremedio de éstas, por lo tanto, ya no se provocarían turbulencias y el aire podría avanzar con mayor fluidez por los bordes de la bicicleta, sin desviaciones ni cortes considerables. Las ventajas de esta idea es que nos parece bastante viable, ya que no sería difícil enganchar el plumavit a las ruedas y el efecto causado parece ser bastante óptimo, ya que el hecho de disminuir el fenómeno de separación y la turbulencias, es decir de darle fluidez al recorrido del aire permite en consecuencia una disminución de la fuerza de arrastre. Y si nos fijamos en esta fuerza todo se mantendrá constante en la fórmula, ya que el área no cambiará, a excepción del coeficiente de arrastre que con el cambio debería disminuir, ayudando a aumentar la velocidad al momento de andar en la bicicleta y realizando la misma cantidad de trabajo.

· En base al perfil característico de un gota de agua, ideamos un sistema que la asemejara, instalando en el manubrio planchas de plumavit en V, pero redondeada, de forma de proteger al cuerpo del ciclista de la acción del aire, de manera que cuando la línea del plumavit termine, las estelas continúen por la línea del ciclista y el tardar lo más posible el efecto de separación. Para que éste dispositivo sea más eficiente añadimos otro en la cola de la bicicleta, a la altura del sillín, con la función de finalizar la gota de agua en forma de punta, para minimizar los vórtices que se puedan producir y así lograr una estela menor o una fuerza de arrastre menor

5.0 ALTERNATIVA SELECCIONADA Y PLAN DE TRABAJO

ALTERNATIVA SELECCIONADA

Para el caso del sistema en los pedales, luego de analizarla, nos dimos cuenta que era absolutamente viable y fácil de realizar pero que deberíamos hacer una modificación, ya que una terminación en punta no es la forma más aerodinámica, sino que lo es una gota, lo que suponía redondear la punta del dispositivo y hacerle una terminación más en punta para lograr la continuidad del fluido.
Finalmente optamos por desechar esta idea, porque consideramos el área del pedal y el pie muy pequeña en comparación con el resto del cuerpo y de la bicicleta, por lo que no creemos se produzca una diferencia muy grande en la fuerza de arrastre.
A pesar que esta idea de forrar las ruedas se ha comprobado experimentalmente en las bicicletas de competición, nos parece que el efecto de la resistencia del aire en el ciclista es más importante que en la bicicleta, además de parecernos muy poco original, de hecho con otro tipo de material existen ruedas así, por lo que preferimos pensar en otra idea.En conclusión nuestra opción elegida fue la construir un dispositivo en la parte delantera y trasera de la bicicleta, de manera de asemejarlo a una gota de agua, algo similar como sucede en las motocicletas de velocidad. Esto a pesar que nos puede traer complicaciones para formas las zonas redondeadas y al cómo montarla a la bicicleta, sin embargo nos dará una mejor optimización aerodinámica.

El material base que usaremos será una plumavit de alta densidad (1.0m x 0.5 m x 0.3m), además de una especie de pernos para sostener el aparato a la bicicleta, evitando que se desprenda cuando esté en funcionamiento.

Vemos en la vista superior como queremos lograr el efecto de una “gota”, para esto teniendo 2 partes, una que instalaremos en la parte frontal, donde se encuentra el manubrio y la otra que montaremos en la parte del asiento. Cuando el ciclista este en posición podremos ver que la idea además es que éste completará las líneas de la “gota” que nuestro aparato no cubrirá, pues debemos evitar la intervención de la comodidad del usuario cuando la bicicleta esté en movimiento.

Además en la vista lateral también podemos apreciar como queremos respetar las líneas de una “gota”, donde tratamos de evitar los cortes para que con la continuidad en las líneas del modelo se logre disminuir la fuerza de arrastre, teniendo en cuenta el fenómeno de separación.

En la construcción de nuestro prototipo iremos logrando los cortes necesarios a través de algo caliente, ya sea un cuchillo, alambre o algo parecido, según lo que queremos lograr. Debemos considerar también que queremos un aparato más bien con terminaciones redondas, lo cual resultará más complicado, pero beneficioso, para lograr esto por ejemplo para la parte frontal haremos gran número de cortes, haciendo una especie de capas, para que así quede un resultado bastante bueno, pues la plumavit resulta fácil de cortar, pero no así de moldear. El mayor detalle de la construcción y diseño irá evolucionando con el tiempo, para lograr mejor el objetivo.

Haciendo una estimación de costos preliminar para nuestro proyecto, será necesario gastar en:
- Plumavit $ 600
-Pegamento $ 1.990