martes, 22 de mayo de 2007

Por buen camino...

Finalizando esta entrega, nos damos cuenta que vamos por buen camino para cumplir las metas que nos propusimos al comenzar este proyecto:

  • Lograr diseñar un elemento que mejore las condiciones aerodinámicas de una bicicleta, que sea original y creativo, cumpliendo las restricciones establecidas.
  • Adquirir experiencia tanto en las aplicaciones de la aerodinámica, como en el diseño y construcción de prototipos.

Organización del Trabajo

La organización y repartición del trabajo fue la siguiente:

Búsqueda de información: Todos los integrantes del grupo.
Organización de la información: María Paz Valdés y Lucas Vergara
Introducción: Magdalena del Río y Carlos Marín
Powerpoint: Magdalena del Río y Carlos Marín
Webmaster: Lucas Vergara
Dibujos: María Paz Valdés
Métodos para medir las variables: Todos los integrantes del grupo
Ideas para el diseño del prototipo: Todos los integrantes del grupo

En general, todos colaboramos y trabajamos juntos en la mayor parte del proyecto, logrando una excelente comunicación y trabajo en grupo.

Análisis y selección de ideas

Como hemos visto anteriormente, el elemento aerodinámico que le agregaremos a la bicicleta debe producir una disminución en la resistencia que produce el aire sobre el móvil. Para esto enfocaremos nuestras ideas en las dos formas que existen para lograrlo: disminuyendo la superficie frontal del cuerpo, lo cual genera una menor resistencia por fricción; o mejorando la forma del cuerpo para reducir las fuerzas por separación. Para esto se evaluaron las siguientes ideas:

  • Un dispositivo en la parte trasera que creara una terminación tipo "kammback" (como el que se ve en la figura), lo que produce que el flujo se mantenga laminar hasta el final de su paso por el cuerpo, disminuyendo la resistencia por separación







  • Un dispositivo en la parte delantera de la bicicleta, que abra las líneas de corriente del aire en una forma regular, generando un flujo laminar alrededor del ciclista.







  • Una combinación de los dos anteriores, ocupando la carcasa delantera para abrir el flujo en forma laminar, y el dispositivo trasero para mantenerlo así hasta terminar su paso alrededor de la bicicleta.






Ahora podemos decidir, en base a los datos obtenidos durante la investigación, cual de las 3 ideas planteadas es la que se ajusta de mejor forma a nuestros objetivos.

El dispositivo trasero, como dijimos, ayuda mantener el flujo laminar hasta el final de su paso por el cuerpo, pero para que esto ocurra se necesita que el flujo ya esté laminar al encontrarse con su superficie. Esto no ocurre dado que las líneas de corriente pasan primero por el ciclista, generando un flujo turbulento antes de llegar a la carcasa, por lo que no presenta ninguna utilidad.

Si mantenemos el dispositivo trasero y agregamos un carenado delantero que separe las líneas de corriente en forma regular, se genera un flujo laminar al rededor de este, que ayuda con las perdidas de energía por fricción, pero debido a la gran distancia que hay entre la carcasa delantera y la trasera, se vuelve a hacer turbulento antes de llegar a la parte de atrás, por lo que en este punto nos encontramos nuevamente con el caso anterior, por lo que usar el dispositivo trasero resulta poco practico en las condiciones de nuestro proyecto.
Entonces concluimos que la mejor solución es construir un dispositivo delantero que haga las veces de un carenado de motocicleta, que disminuya las perdidas por fricción generando un flujo laminar, el cual se intentara mantener durante la mayor distancia posible a través de la bicicleta para atenuar de alguna forma los efectos de la separación.

Medición de fuerza, presiones y velocidad

Medición de fuerza y presiones


Nosotros pensamos en medir la presión que ejerce el aire contra la bicicleta o el ciclista en movimiento mediante el aparato que se ve en el dibujo.Consiste en un tubo de área A con un resorte adentro, cuya constante k es conocida. El tubo se pone con la apertura hacia delante y por la presión el resorte se comprimirá. Entonces, conociendo la distancia x que se comprime el resorte podemos conocer la fuerza que se aplica sobre él, dada por F=k x. Conocida la fuerza se puede calcular la presión, ya que F=PA, luego:



Este aparato nos permitiría medir la presión del aire y la fuerza con que éste impacta sobre la parte frontal de nuestra bicicleta, pero para realizar las mediciones de presión en distintos puntos de la bicicleta o el ciclista ocuparemos un barómetro del cual disponemos.


Medición de la velocidad:

Para obtener la velocidad v de la bicicleta, mediremos la distancia x que vamos a recorrer y luego el tiempo t que se demora el ciclista. Luego:

Pero esa expresión sólo nos entrega un promedio de la velocidad. Entonces, para poder tener las velocidades instantáneas, trataremos de conseguirnos un velocímetro y calcular con él la velocidad.

Aerodinámica en otro móviles

La resistencia aerodinámica es el factor principal de pérdida de energía en un móvil a alta velocidad, llegando incluso a usarse el 93% de la potencia suministrada por el motor para vencer las fuerzas producidas por el roce con el aire.

Sin embargo, en los inicios de la fabricación de automóviles no se prestaba mayor importancia a los factores aerodinámicos: Los parabrisas y radiadores eran verticales, la carrocería estaba llena de irregularidades y la línea del coche terminaba abruptamente de forma vertical, lo cual creaba un vacío parcial en el aire que frenaba al vehículo cuando alcanzaba altas velocidades.
El primer vehículo que tuvo en cuenta los principios de aerodinámica fue Rumpler Tropfenwagen (ver foto), en la década de los años 20, Éste fue el primer automóvil con forma de lágrima y tenía un asombroso Cx (Coeficiente de penetración) de 0.28 (muy superior a la mayoría de los autos modernos), pero muy poco práctico.
En la década del 70, la crisis de los combustibles despertó un mayor interés por la aerodinámica y en las formas de obtener un mejor rendimiento.

La cantidad de superficie del móvil que se enfrenta al viento, junto con el coeficiente aerodinámico, son los dos factores que determinan la resistencia aerodinámica final, por lo que pequeños detalles como el enrasado de las ventanillas, la eliminación de los vierteaguas, el carenado del limpiaparabrisas y un tapón de deposito de gasolina liso, pueden mejorar la
aerodinámica del vehículo.
En general, las formas suaves (en parachoques, retrovisores, faros) mejoran la aerodinámica, sin embargo, un final del techo o del maletero en esquina y dirigido hacia abajo es mejor que un final de techo o maletero redondeado.
Las carrocerías bajas son una solución poco utilizada, pero efectiva. Además, se pueden utilizar para pegar más el coche al suelo, con muy poca influencia en la resistencia.
Los automóviles modernos normales tienen un Cx de entre 0,30 y 0,35. Los todoterrenos de entre 0,35 y 0,45. Algunos vehículos especiales pueden bajar a valores de entre 0,25-0,30.
Los coches de carreras se diseñan para mejorar deliberadamente el Cx, evitando así que el coche se levante del suelo.

En el caso de las motocicletas, las deportivas están equipadas en su mayoría de un carenado (carrocería) que mejora su aerodinámica, con el fin de alcanzar altas velocidades, habitualmente por encima de los 250km/h. La posición del conductor de una moto deportiva es usualmente muy agresiva, en el sentido de que obliga al cuerpo a estar muy adelantado. Con ello se gana estabilidad en la dirección y facilita la aerodinámica.

jueves, 17 de mayo de 2007

Comportamiento aerodinámico

La aerodinámica es una rama de la mecánica de fluidos que estudia el movimiento de cuerpos sumergidos en un fluido, específicamente un gas. Los sólidos que se desplazan en él están sometidos a fuerzas y momentos aerodinámicos.

Nosotros estudiaremos las fuerzas a las que se someten los móviles al desplazarse por el aire, especialmente en las bicicletas.

El ciclista en su movimiento se enfrenta a tres tipos de resistencia. La resistencia de rodadura es la que se genera por la fricción de las ruedas sobre el suelo, y entre los elementos mecánicos que forman la bicicleta. La resistencia de gravedad es la que debe superar por el cambio de altura, la que es proporcional al peso y a la diferencia de altura. Y la más importante y la que analizaremos es la resistencia aerodinámica, la que aumenta en forma exponencial al aumentar la velocidad.

La resistencia aerodinámica depende de la superficie frontal de la bicicleta con el ciclista y del coeficiente de penetración, que representa la efectividad de la forma de un cuerpo para el desplazamiento a través del fluido.
La fuerza de arrastre es la fuerza que se produce por la fricción de un sólido y el fluido (en nuestro caso el aire) y por la forma del objeto

Con la fórmula de la fuerza de arrastre nos damos cuenta que al comparar dos móviles en igualdad de condiciones (mismo fluido y velocidad) la fuerza depende únicamente de la superficie frontal y su coeficiente de resistencia (penetración).
La resistencia del movimiento también se ve afectada por la capa límite, que es la zona existente alrededor del cuerpo en contacto con el fluido. Ésta puede ser laminar o turbulenta. El flujo laminar es perfectamente ordenado, donde las líneas de corriente no se mezclan, en cambio el turbulento forma remolinos. La capa límite laminar proporciona una menor resistencia.

Fenómeno 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. Consideramos una delgada capa de fluido adyascente a la pared de un cuerpo la cual es arrastrada por el empuje viscoso del fluido que la rodea y es retardada por la fricción en la pared. Si la presión es favorable, es decir, si decrece en la dirección del flujo, la delgada capa continuará moviéndose hacia adelante. Pero la velocidad cerca de la pared es pequeña y si la presión crece en la dirección del flujo 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. Como se ve en la fugura, el punto S indica el punto de separación, la línea L es la línea de separación y la M es el límite de inversión de la velocidad.




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 produza la separación.
En la estela la presión es constante existiendo variaciones sólamente 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, lo que conocemos como fuerza de arrastre por forma.
Experimentalmente se puede observar que mientras menor sea la estela, menor va a ser la fuerza de arrastre por forma, tal como se ve en las fotos que la estela producida por una semiesfera es notoriamente mayor a la producida por una esfera completa.
Entonces, si nuestro objetivo es disminuir la fuerza de arrastre, tendremos que darle al cuerpo, en nuestro caso el conjunto bicicleta-ciclista, una forma tal que la estela disminuya de tamaño.

miércoles, 16 de mayo de 2007

Algunas dificultades

Algunas dificultades que observamos para enfrentar el proyecto:

• Poco conocimiento y experiencia en el diseño y construcción de prototipos, y en aplicaciones de la aerodinámica, hará más lento y díficil el proceso.

• Medición del área frontal del sistema bicicleta-ciclista: Para obtener elvalor de la fuerza de arrastre necesitamos conocer la superficie proyectada dela bicicleta y la persona sobre ella. Pero esta área es casi imposible de medir, por lo que el valor que le daremos será solo una aproximación.

• Falta de instrumentos adecuados para las mediciones de presión y fuerzas sobre la bicicleta en movimiento.

• Originalidad del diseño: Dada la definición del problema, creemos que no existen muchas posibilidades de diseño del dispositivo, por lo que es muy díficil proponer elementos originales y que a la vez sean eficientes en sufunción.

Introducción al proyecto






El problema que intentaremos resolver en este proyecto es disminuir la pérdida de energía debido al roce con el aire al andar en bicicleta. Para esto, diseñaremos y construiremos un prototipo de un elemento que mejore las condiciones aerodinámicas de una bicicleta. Para el diseño de este prototipo debemos tomar en cuenta algunas restricciones y reglas tales como presupuesto limitado, dimensiones del dispositivo, materiales con que lo construiremos, el elemento que diseñemos no debe afectar la comodidad del usuario, debe ser fácil de implementar y que se pueda montar y desmontar a la bicicleta sin modificarla. Para esto, lo primero que debemos hacer es introducirnos en la teoría de la aerodinámica, investigar y estudiar la forma en que el roce con el aire afecta el comportamiento de un móvil, en este caso, el de una bicicleta. Teniendo claros estos principios, podemos empezar a proponer ideas para el diseño del prototipo.

jueves, 3 de mayo de 2007

Inauguración Blog

Hola a todos!
Con este mensaje inauguramos el blog del Grupo 31, dedicado al proyecto semestral del curso de Mecánica de Fluidos.

Nuestro grupo está formado por:

- Magdalena Del Río
- María Paz Valdés
- Carlos Marín
- Lucas Vergara

Esperamos hacer un trabajo de calidad y a través de este medio mostrar los avances del trabajo y las entregas de cada etapa.

Saludos.

Grupo 31.