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