“Bicicleta Aerodinámica”
RESUMEN EJECUTIVO
En este proyecto diseñamos y construimos un prototipo que permitiera mejorar las condiciones aerodinámicas de una bicicleta y a través de distintos experimentos medimos las variables físicas que implicadas obteniendo resultados a analizar brevemente a continuación.
Principales Resultados del Proyecto
El diseño realizado es de fácil implementación, ya que consta de dimensiones justas para la bicicleta, de modo que no molesta al usuario mientras la bicicleta está en movimiento, además es desmontable y con un la ayuda de una parrilla de fierro se afirma fácilmente; por lo que consideramos que el prototipo cumplió con las restricciones de diseño. Nuestras mediciones fueron sin inclinación, esto se debe a que utilizamos el motor mosquito, es por eso que podemos observar como se modifica el coeficiente de arrastre de la bicicleta, porque con el prototipo la velocidad de la bicicleta aumentó en comparación con la de la bicicleta sin prototipo, es decir, se disminuyó el coeficiente de arrastre por lo que si logramos las metas del proyecto, quizás no las óptimas, pero si las necesarias aplicando los contenidos del curso.
Competencias y Habilidades Desarrolladas
Durante la realización del proyecto trabajamos en equipo compartiendo y discutiendo ideas, así logramos unirnos y junto con una buena comunicación nos enfocamos en el prototipo y en el cumplimiento de los objetivos del proyecto. Siendo siempre optimistas, aprendimos que hay que apoyar al grupo para así todos juntos avanzar mas eficientemente y rápidamente hacia la meta. Es decir, luego de este semestre trabajado juntos, logramos entender más de este curso gracias a las clases y a los laboratorios, en éstos es donde realmente aplicamos el contenido del curso. Todo esto sirvió para aplicarlo al proyecto y ver que, si bien, la mejor idea no siempre es la más fácil, trabajando en equipo se puede lograr. En el proyecto aplicamos distintos conocimientos del curso como el comportamiento aerodinámico de los fluidos, en especial el aire; observamos el efecto de la fuerza de arrastre sobre el prototipo y como solucionarlo. Además de el fenómeno de separación y las variables como presión, altura, temperatura y comportamiento del fluido.
1.0 DEFINICIÓN DEL PROYECTO Y PROCESO DE DISEÑO
El problema que buscamos resolver es mejorar las condiciones aerodinámicas de una bicicleta junto con su conductor. Para ello, construiremos un prototipo de un elemento que permita mejorar las condiciones aerodinámicas de una bicicleta y su conductor, con las restricciones y reglas del concurso en relación a dimensiones, uso, presupuesto y materiales.
La metodología que deseamos ejecutar para la resolución de este problema, consiste en los siguientes pasos:
1. Definición del problema: Investigar la necesidad y plantear
el problema.
2. Búsqueda de información
3. Restricciones y criterios
4. Generación de soluciones basadas en la creatividad y factibilidad de las soluciones propuestas
5. Análisis de las soluciones: descarte, elección y justificación
6. Análisis y Diseño detallado de la solución elegida
7. Fabricación de prototipo y testeo
8. Rediseño para solucionar problemas y optimizar el diseño
9. Evaluación y mejoras del diseño en base a desempeño en
terreno
La metodología anterior es muy común en diversos campos de la ingeniería y ha demostrado ser de gran eficacia en el diseño de soluciones de ingeniería en sus distintos campos.
2.0 METAS Y DIFICULTADES
Después de ya de tener mayor conocimiento sobre las bicicletas y sus aspectos aerodinámicos, creo que la primera meta que se debe cumplir es comprender a cabalidad el comportamiento del fluido. Luego, aprender como las fuerzas actúan sobre el prototipo, analizando por ejemplo las consecuencias de la fuerza de arrastre y los cambios de presión, como influyen y en que nos pueden beneficiar para que nuestro prototipo sea óptimo. Otra meta y la principal, es a través de la propuesta lograr disminuir la fuerza de arrastre en cualquier bicicleta, también debemos disminuir las turbulencias que se producen, como por ejemplo en las ruedas o en el marco y lograr una buena construcción del prototipo y que en el diseño de éste no afecte la visibilidad ni la comodidad del ciclista.
Las dificultades que se nos presentan son lograr una buena calidad del prototipo, ya que el plumavit es un material que no es muy fácil trabajarlo y lograr darle realmente la forma aerodinámica que se quiere. Lograr una idea realmente original y que funcione de verdad y no haya problema para instalarlo y desinstalarlo de la bicicleta, y por último lograr probarlo con anticipación a la entrega por si se requieren modificaciones.
3.0 ORGANIZACIÓN Y FUNCIONAMIENTO DEL GRUPO DE TRABAJO
Para el desarrollo del proyecto nos dividiremos en cinco subtemas relativos al tema principal.
Estos subtemas corresponden a:
- Aspectos aerodinámicos de una bicicleta. Variables que interviene.
- Soluciones propuestas para problemas similares en otros vehículos.
- Propuestas para medir en el prototipo la velocidad, fuerza total y presiones.
- Fuerzas de arrastre sobre la bicicleta original para diferentes velocidades.
- Ideas generales para el diseño del aparato solicitado.
Cada uno de nosotros profundizará sobre cada uno de estos temas, para así poder tener un mayor alcance y nivel en los contenidos.
Luego de que cada uno haya recopilado la información necesaria, entonces procederemos a juntarnos una vez por semana para llevar a cabo el proyecto. Para las entregas futuras mejoraremos a través de la investigación.
Dentro de las fortalezas del grupo se encuentra principalmente la comunicación y organización. Por ejemplo, ya tenemos fijado con horario los días en que nos juntaremos y los horarios de estas también. Otras fortalezas son que somos un grupo con ganas de aprender.
En el caso de las debilidades, la principal es que trabajamos mayormente a través de Internet y no en persona.
El hecho de juntarnos más nos ayudo en la medida de coordinación con lo que todos hacíamos, y así obtener una mejor calidad en las presentaciones. Un ejemplo de lo anterior es la construcción del proyecto, donde cada uno tuvo una participación, aprendiendo todos de esta, para mas tarde realizar un correcto informe del que todos teniamos claridad.
4.0 ELABORACIÓN DE SOLUCIONES
4.1 Propuestas de mediciones en el prototipo
1) Velocidad:
Para medir la velocidad utilizaremos un velocímetro eléctrico, el cual es el que mejor se adopta al prototipo y es más preciso. El funcionamiento es por medio de sensores con embobinado y el elemento móvil con paletas metálicas, es decir, ponemos un sensor en la horquilla (que es el amortiguador) y otro en los rayos de la rueda, entonces cada vez que pasan por el elemento magnético generan un pulso que lo lee el dispositivo (que lo pondremos en el volante de la bicicleta) y nos indica la velocidad instantánea de la bicicleta.
Fuerza Total:
Sabemos que todo cuerpo que se mueve por un fluído experimenta una fuerza de arrastre que es en sentido contrario al movimiento y que se expresa:
Entonces el coeficiente de arrastre es un valor experimental que depende fundamentalmente de la forma del cuerpo y también del nº de Reynolds. En donde encontramos que el valor del coeficiente de arrastre de un ciclista profesional es cercano al 1.
Presiones:
Para medir la presión en los puntos clave de nuestro prototipo utilizaremos la ecuación de Bernoulli, debido a que este Teorema de Bernoulli indica que disminuye de la presión del fluido en movimiento cuando aumenta su velocidad, esto es debido a la conservación de energía. Entonces si sabemos que :
r*g*h1 + p1 + (r*v21) / 2 = r*g*h2 + p2 + (r* v22) / 2
con:
g : aceleración de la gravedad
h : altura respesto la cota de referencia
p : Presión en Pa
r : Densidad en Kg . m
v. velocidad
Buscamos un punto importante del prototipo y calculamos su presión comparándola con otro punto (a presión atmosférica y fuera del prototipo) y obtenemos que:
P= p2 - (r* v21) / 2
Donde se tiene que:
p2: presion atmosférica
v: velocidad del ciclista
4.2 Propuestas de diseño generales para el aparato
Alternativa 1: Escudo elíptico
La primera alternativa que tenemos es la que mostramos en la siguiente figura.
Esta solución consiste en cortar el plumavit con una forma elíptica, para poder aprovechar al máximo el material. La implementación de este consiste en adosarlo en el frente de la bicicleta, para poder mejorar las condiciones del flujo de aire que atravieza el conjunto bicicleta-ciclista, debido a dos efectos:
- Se disminuye el área normal al desplazamiento del aire a través del conjunto bicicleta-ciclista, debido a que fuerza que el ciclista disminuya su área frontal.
- Se disminuyen las diferencias de presiones por desviaciones del fluido en diversas direcciones, que se produce sin el escudo
Si bien este dispositivo es viable, relativamente facil refabricar y montar, además que mejoraría las condiciones aerodinámicas en la parte frontal, éste dispositivo no se ocupa de la parte trasera del conjunto que analizamos, por lo que podemos mejorar esta parte.
Debido a lo último que hicimos otro modelo en 3 dimensiones para realizar otra solución.
Esta solución cumple con el objetivo
Cada solución elaborada debe ser descrita y discutida individualmente. ¿Cómo cumple con el objetivo? ¿Puede ser considerada esta alternativa viable? ¿Existen otro tipo de consideraciones que la hagan impracticable?
Alternativa 2: “Submarino aéreo”
Esta solución propuesta se ilustra en la siguiente figura.
La idea es solucionar el problema de la aerodinámica del conjunto tanto en el frente como en la parte occipital, teniendo una punta redondeada en la parte delantera y una parte.occipital en punta para evitar las bajas de presiones detrás del fluido.
ALTERNATIVA SELECCIONADA Y PLAN DE TRABAJO
Una descripción física del diseño previsto
Esta solución propuesta se ilustra en la siguiente figura.
La unica diferencia es que le sacamos la cola.
Esta solución se ocupa de mejorar la parte frontal y occipital del conjunto, y el plumavit seía usado para dar forma a la punta y la cola del dispositivo, como se muestra en las figuras siguientes.
Plan de trabajo final
Una vez entregado el tocho de plumavit, lo cortaremos para dar forma al dispositivo.
Dadas las dimensiones del plumavit y la libertad de la elección de la bicicleta, elegimos una bici de motor, muy parecida a la de la figura inferior.
El dispositivo se montará en una parrila de bicicletas desmontable que se fija a la parte delantera de la bicicleta.
Estimación de costos
Tanto las parrillas de bicicletas como los tubos de carpa y la bicicleta son de los integrantes del grupo y no tienen costo alguno, debido a que planteamos una solución totalmente casera.
Cotizar los distintos elementos que deberán comprar y evaluar el costo total de la solución adoptada.
Predicción del desempeño
Debido a las caraterísticas de este diseño, la predicción es que mejorará las condiciones generales de la aerodinámica del conjunto bicicleta ciclista, mejorando reduciendo el área normal al desplazamiento del fluido a través del conjunto .
Más adelante, dadas las configuraciones reales podremos hacer buenas aproximaciones del comportamiento aerodinámico de nuestro dispositivo, y en base a esto y a nuestro análisis del desempeño práctico del dispositivo, podremos desempeñar nuestro trabajo como planteamos al principio en nuestra estrategia.
IMPLEMENTACIÓN
Para lograr llevar a cabo el proyecto tuvimos que restringirnos en las medidas dadas por el cubo de plumavit (100cm*50cm*30cm) para el diseño del prototipo y también nos encontramos con dificultades al tomar algunas medidas necesarias para calcular el efecto aerodinámico del prototitpo en la bicicleta, como por ejemplo la velocidad, la cual finalmente se midió con un velocímetro electrónico. Para llevar a cabo el diseño, no fue fácil porque no contábamos con la experiencia ni las herramientas necesarias para moldear la plumavit, lo cual finalmente se realizó con un cuchillo caliente, un soplete y para las terminaciones con un micrón.
El plan de trabajo resultó como esperábamos, aunque con algunos problemas de tiempo y coordinación en el grupo, pero se logró finalmente el objetivo de construir un prototipo para una bicicleta aumentando sus características aerodinámicas.
Cronología
Las tareas se dividieron principalmente en la elaboración del informe y el power point por separado con un encargado de mantener el blog al día y la construcción y prueba del prototipo. Ésta última estuvo a cargo de Emilio De la Jara, el power point lo realizó Rodrigo Saravia y el informe y el resto de los cálculos a cargo de Claudia Ahumada, Fernanda Besomi y Josefina Correa. El grupo completo trabajó en las pruebas que se realizarón con y sin el prototipo y anteriormente a la división de tareas se discutieron cual sería el prototipo final y la manera de cómo adherirlo a la bicicleta para que sea fácilmente desmontable y que se comporte rígidamente en la bicicleta, para esto último se decidió colocar en la parte delantera una parrilla de bicicleta en donde se encajó el prototipo.
El tiempo en que nos demoramos en construir el molde y montarlo en la bicicleta fue toda una tarde, aproximadamente unas 6 horas, el cual estará listo el 20 de junio, día en que se expondrá y probará el prototipo.
Costos
El principal material que se utilizó fue el cubo de plumavit que fue otorgado por la universidad, los demás materiales y herramientas que se necesitaron, fueron aportadas por cada participante del grupo de sus casas y también en el caso de herramientas se trabajó en el laboratorio de la universidad, por lo que no tuvimos costos extras.
Evaluación de desempeño
Para realizar las pruebas del dispositivo, éste se instaló en una bicicleta con motor mosquito, por lo que la prueba se realizó en un plano (calle), ya que pudimos imprimirle una fuerza igual en ambas mediciones, con y sin prototipo. Por lo tanto se realizaron 2 pruebas a lo largo de 80metros, con 0º de inclinación y los resultados obtenidos a través de un velocímetro digital que se instaló en la bicicleta fueron los siguientes:
Sin prototipo
Velocidad Inicial (Vi) = 2 km/hr
Velocidad Final (Vf) = 51 km/hr
Con prototipo
Velocidad Inicial (Vi) = 2 km/hr
Velocidad Final (Vf) = 46 km/hr
Los cuales nos reflejan un claro aumento en la velocidad utilizando el prototipo. Para calcular la fuerza de arrastre y el coeficiente de arratre a través de estos resultados se utilizaron las siguientes ecuaciones respectivamente:
Farrrastre = masa*g - masa*( V final - V inicial )/ tiempo
Coeficiente de arrastre = (2* Farrrastre)/(densidad aire*Vf² *Área)
En donde:
Masa sin prototipo (ciclista+bicicleta) = 12.75kg
Masa con prototipo (ciclista+bicicleta+prototipo) = 13.06kg
Tiempo sin prototipo = 13seg
Tiempo con prototipo = 11seg
Aceleración de gravedad (g) = 9.8m7seg²
Densidad aire = 1.3 kilos/metro³
Área sin prototipo = 0,5564metro²
Área con prototipo = 0,3948metro²
Fuerza de arrrastre (Newton)
Sin prototipo = 113.005
Con prototipo = 111.833
Coeficiente arrastre
Sin prototipo = 1.913
Con prototipo = 0.338
Si tuviéramos que enfrentarnos de nuevo a este proyecto mejoraríamos la idea de manera más creativa, optaríamos por una mejor organización y sincronización dentro del grupo, una mayor profundización en el tema y buscaríamos una manera más exacta de realizar las mediciones para así no tener errores en los resultados.
Conclusiones
A pesar de haber imitado la parte delantera de un avión, vimos que no se pudo reducir considerablemente la fuerza de arrastre, esto en gran medida a lo rústico de nuestro aparato.
El material que ocupamos para desarrollar nuestro proyecto, parece no ser el mejor, por lo menos para ser usado en la capa externa del prototipo. Ser moldeado en forma pareja no es fácil y tampoco queda con la suavidad esperada.
Apoyándonos en la materia expuesta por el ramo de Mecánica de Fluidos, logramos llevar la teoría a la práctica. Y logramos crear una bicicleta con mejor aerodinámica, con la sola implementación de un modelo creado por nosotros mismos, concluyendo la importancia que tiene el área proyectada en la aerodinámica, por lo tanto mientras esta área se mantenga igual o disminuya, y al mismo tiempo la fuerza de arrastre como su coeficiente disminuyan, es un buen resultado. Así en este caso, formamos una línea de corriente entre el molde y el ciclista, evitando los rotores producidos.
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