Introducción

Un fluido es todo material que se deforma de manera continua ante una fuerza, no importa de qué valor sea ésta.

A continuación se señalan algunas de las propiedades importantes que rigen la dinámica de los fluidos que merecen ser mencionadas.

- Densidad : es la relación entre la masa de un fluido cualquiera y una masa de referencia como el agua el aire.

- Masa Específica : es la cantidad de masa del fluido por unidad de volumen del mismo.

- Presión : es la fuerza por unidad de superficie en un cuerpo. Está muy unida a la masa específica.

Existen 2 tipos de presiones: la atmosférica y la no atmosférica.

La presión atmosférica: es la presión sobre un cuerpo debido a la fuerza que ejerce las partículas de aire sobre él. Esta columna de aire, se sitúa desde dicho cuerpo, hasta el fin de la atmósfera. A mayor presión, las moléculas de aire están más unidas, y la densidad aumenta, por lo tanto la masa específica es mayor.

La presión no atmosférica, es la presión relativa; es aquella presión que no tiene en cuenta la presión atmosférica; la suma de ambas, se denomina presión absoluta; la presión relativa, por ejemplo, es la causada por la propia dinámica del aire.

Ambas presiones, son las que se encargan de mantener más o menos unidas a las moléculas de aire.

- Viscosidad : es la resistencia que posee todo fluido a deformarse por la acción de una fuerza cualquiera. La viscosidad es una propiedad dinámica; mientras no exista movimiento.

Es la responsable directa de la existencia de la llamada capa límite y sin ella, no existirían las fuerzas aerodinámicas. A partir de esto, por el gradiente de velocidades que se presenta en el fluido que rodea al cuerpo en movimiento, se generan turbulencias.

Tanto la presión, masa especifica y viscosidad están ligadas entre sí; ello significa que el hecho de variar una de ellas, conlleva la variación de las otras. Esta situación se puede definir a través de las Ecuaciones de Estado de un Fluido.

Cuando un cuerpo se pone en movimiento el aire alrededor se pega a él creando una capa muy fina de moléculas. El aire al escurrir sobre esta fina capa y debido a la viscosidad del fluido se genera un gradiente de velocidades a través de las capas circundantes. Así se forma una capa de moléculas de aire donde la última de ellas posee casi la misma velocidad del aire que circunda al cuerpo; esta capa se denomina capa límite.

Podemos concluir diciendo, que la velocidad del aire, justo en la superficie de todo cuerpo en movimiento, es cero. Esta capa límite, es la responsable del siguiente efecto que podemos apreciar.

Esta capa límite contribuye también a los gradientes de presión cerca de las superficies. Es decir, es la causante de que los fluidos se separen, se desprendan de los contornos de las superficies y generen turbulencia en las partes posteriores, las llamadas estelas.

El flujo alrededor de un cuerpo en movimiento puede ser laminar o turbulento. En este caso, trataremos con un flujo turbulento ya que la bicicleta se mueve a velocidades altas. A estas velocidades el flujo laminar se vuelve inestable y las capas del aire comienzan a separarse, como consecuencia el flujo se vuelve turbulento y el roce es mucho mayor. Sin embargo, la mayor fuerza de roce tiene lugar en la región de interfaz entre los dos flujos, sumando sus efectos alcanzando una velocidad de hasta 5 veces mayor que en la región del flujo turbulento. Cuando uno se traslada en bicicleta este rango de transición entre 2 flujos se encuentra entre los 15 y los 20 Km/h.

- Roce aerodinámico : El roce aerodinámico es producido por el choque de las moléculas que componen el aire que al colisionar con el objeto en movimiento hace que el fluido cambie su cantidad de movimiento y ejerza una fuerza normal a la superficie de contacto con el fluido. Cuanto mayor sea la velocidad a la que se desplace el objeto, mayor variación sufrirá la cantidad de movimiento de las moléculas y mayor será la fuerza normal que ejerzan. Por otra parte el deslizamiento de las moléculas también produce un importante roce.

En el caso de la bicicleta la ecuación más simple para calcular el Roce Aerodinámico es la siguiente:

Cv = Coeficiente de Velocidad.

Ca = Coeficiente de Área

v = distribución de velocidad del fluido

CD = Coeficiente de Arrastre

El coeficiente de Arrastre depende de la forma del objeto que circulará a través del fluido y del Número de Reynolds que a su vez depende de las condiciones de flujo del sistema.

Si se consigue evitar la separación en el flujo sobre un cuerpo, la capa límite permanece delgada, disminuyendo la presión de arrastre.

Definición del Proyecto

Para definir el proyecto veremos primero que es la ”aerodinámica”. La aerodinámica es la parte de la mecánica que estudia el movimiento del aire u otros gases, y los fenómenos relacionados con la resistencia que oponen al desplazamiento de un móvil. Ante esto el proyecto consiste en desarrollar un elemento externo a la bicicleta, o sea sin hacer modificación al móvil, que nos ayude a mejorar las condiciones aerodinámicas en una bicicleta, para esto se tendrá que diseñar y construir un prototipo restringiéndose al tipo de material, su uso y las dimensiones entregadas. Éste deberá ser de una simple implementación; se tendrá que agregar y retirar fácilmente y mantenerse en su lugar mientras es utilizado por el usuario, es decir, permanecer fijo cuando la bicicleta y el usuario estén en movimiento.

Entonces para el proceso del diseño y construcción de este elemento se contará con determinado material, dimensiones y condiciones que las podremos resumir en los siguientes puntos:

- Se debe realizar un prototipo del elemento de tamaño real de manera que pueda ser probado experimentalmente

- El prototipo se tendrá que montar y desmontar fácilmente de la bicicleta.

- El elemento se debe hacer a partir de plumavit de alta densidad, material entregado que tendrá dimensiones de 1.0mx0.5mx0.3m, haciendo uso también de materiales adicionales para cortar, separar o unir.

- La implementación del elemento se realizará a través de una bicicleta cualquiera

Proceso de Diseño y Construcción

En el proceso tenemos que tomar en cuenta los aspectos principales del comportamiento aerodinámico de una bicicleta y las soluciones que se han dado a este tipo de problemas en otros aparatos।

Analizando otro aparato, haremos referencia a los autos de carrera o Fórmula 1. Aquí lo que se busca es tener la mínima resistencia al avance, alto efecto del paso de la corriente de aire por aire por la carrocería que genera un enorme peso adicional para pegar la máquina al piso con los alerones sin aminorar mucho la velocidad y enfriar el motor canalizando el flujo por los radiadores sin mayor reacción. Es decir, por un lado se quiere el menor gasto posible de potencia del motor y por otro se quiere obtener un gran apoyo, dos cosas opuestas que deben relacionarse, estar en “equilibrio”.

Para lograr esto, encontramos los siguientes puntos clave en las distintas partes de este tipo de autos:

- Alerón Delantero: Además de los dos planos horizontales, los autos tienen gran cantidad de lengüetas laterales y sobre el alerón para alejar el aire de las ruedas, que son elementos perturbadores.

- Tijeras Inferiores: Se perfilan las tijeras para que no distorsionen el paso del aire. Al levantar las narices, crece la cantidad de alerón delantero debajo de la trompa y el flujo en las piezas de la suspensión aumenta.

- Deflectores Laterales: Canaliza el aire hacia arriba y por debajo del auto, permitiendo que el aire no impacte directamente sobre el auto.

- "Winglets": Pequeñas aletas, con las cuales se busca carga hacia abajo, parecida a la de los alerones delantero y trasero, ayuda a centrar el falso peso que genera sus formas.

- Difusor: Es un túnel que va en la parte baja y trasera del auto que juega el papel de "acelerador" de las moléculas de aire. Mientras más rápido salgan estas moléculas (después de pasar por el difusor), más vacío generan y se aumenta el apoyo.

- Toma De Aire Del Motor: Sin crear mucha resistencia, esta boca permite que entre al motor todo el aire que necesita y con la velocidad, presuriza la admisión aumentando la potencia. Si un piloto es muy alto, con su casco puede reducir la cantidad de aire que llega y su motor baja de potencia por lo cual su estatura y posición de manejo se consideran en el diseño.

- Capot: Debe tener una forma muy corta y bajar rápidamente para no interferir con el flujo hacia el alerón trasero.

En general, en los autos se busca reducir el efecto del roce aerodinámica modificando la ubicación y tamaño de los alerones, por ejemplo, a través del levantamiento de los alerones y la limitación del número de aletas de atrás, se consigue reducir el apoyo y la velocidad en curvas.

Finalmente, cuando hablamos de proceso diseño, no nos referimos solo al de la bicicleta, sino al mismo proceso utilizado en prácticamente todos los campos de la ingeniería; así el medio o el contexto de utilización puede ser distinto, pero intrínsicamente tienen características parecidas que hacen que el proceso de diseño sea parecido. De acuerdo a esto, podemos ver generalmente los pasos a seguir:

El primer paso en todo diseño, es la necesidad; dicha necesidad corresponde a la optimización y al grado de mejora alcanzable, en el caso de mejorar algo ya diseñado; en el caso del diseño desde un principio para crear algo nuevo, la característica fundamental son los objetivos o las prestaciones a conseguir.

Una vez que sabemos la necesidad y por tanto, dónde queremos llegar, debemos averiguar el estado de la técnica; es decir: qué se ha hecho hasta el momento en relación a lo que queremos diseñar, bien sea desde un principio, o mejorando algo ya hecho.

Luego que sabemos el estado de la técnica, pasamos a una decisión importante, en la cual se trata de elegir, de entre todas las soluciones, métodos o sistemas. Con esta decisión, se elabora un boceto preliminar, que por supuesto no es definitivo, pero que si la elección es acertada, el tiempo total de diseño, se acorta enormemente, y significa mucho ahorro de dinero

Una vez alcanzados estos estadios, ya tenemos el diseño casi definitivo de nuestro modelo; al basarnos en teorías y experimentación; podremos tener ideas comparativas respecto la eficiencia (es lo mejor o ideal), pero hay que tomar en cuenta que no dejan de ser simulaciones de la realidad.

Identificación de Metas y Dificultades

Pudimos encontrar varias dificultades para el desarrollo del proyecto, una de ellas claramente fue el material que se dio a utilizar. Esto se debe a que la plumavit en general es muy difícil de trabajar (para cortar o pegar) por su textura, pero el hecho de que sea de alta densidad hace que el trabajo sea menos dificultoso. Otro gran problema que vimos fue el realizar las medidas de velocidad, pero ante esto hayamos una solución que podrá ser usada para realizar los cálculos en nuestro proyecto:

Métodos De Medición

Sonda de velocidad

A partir de la lectura de ésta, y tal y como se demuestra a continuación, podremos conocer la velocidad relativa de aproximación del fluido. Para ello se deberá colocar la sonda de forma que puedan medirse la componente vertical y tangencial de la velocidad gracias a la altura que marcará el líquido utilizado dentro de la sonda.

En el manómetro diferencial

Fuerzas de arrastre y sustentación sobre un perfil aerodinámico


Se trabajara con un sistema parecido al Venturimetro utilizado para medir la altura de energía en el laboratorio. Así, podremos sacar las variables que necesitamos para saber cuál es la velocidad del aire que rodea a la bicicleta cuando ésta se pone en movimiento

Organización y Funcionamiento del Grupo de Trabajo

Para poder realizar esta primera entrega del proyecto de Mecánica de Fluidos nos organizamos de la siguiente manera:

Jefa de Grupo: Silvana Ávila. Ella se ha encargado de buscar días hábiles para todas para poder juntarnos como grupo y avanzar en el desarrollo del proyecto. Es la encargada de actualizar el Blog, y se dedica a crear un formato para las entregas de los informes.

Búsqueda de información necesaria para desarrollar el proyecto: Todas las integrantes del grupo nos hemos encargado de aprender más acerca del aspecto aerodinámico de los cuerpos dentro de fluidos. Hemos investigado en Internet acerca de los diagramas de flujo, de líneas de corriente y como es el flujo turbulento que queda en el aire al pasar la bicicleta.

Brainstorming: Discutimos las posibles soluciones que se nos ocurrieron al leer las instrucciones para el proyecto. Así, Carolina López y Macarena Quiroz hicieron la selección final de la idea a desarrollar para disminuir la fuerza de arrastre sobre la bicicleta.

Método para realizar el proyecto: La encargada de ver entre las diferentes opciones para manipular la plumavit es Montserrat Portella. Ella decidirá cual es la mejor herramienta para poder crear la forma final del dispositivo a desarrollar. Además verá con qué materiales se puede pegar la plumavit en el caso de necesitar unir 2 o más piezas, y qué materiales será necesario combinar para crear el dispositivo final.

Elaboración de Soluciones

“Brainstorming” : Pensando en todas las variables que se presentan al momento de diseñar un dispositivo adicional aerodinámico para la bicicleta, nos encontramos con diversas alternativas, tales como:

Alternativa 1 : Diseñar una hélice que se ponga detrás de la bicicleta para que nos ayude (tal como se mueve un remolino) a aumentar la velocidad de la bicicleta.

Alternativa 2: Ponerle a la bicicleta una serie de dispositivos aerodinámicos como alas y aletas para cubrir las zonas de mayor roce con el aire.

Alternativa 3: Diseñar una “carcasa” que tape al ciclista para disminuir el área frontal de contacto con el aire.

Alternativa 4 : Crear una superficie cónica en la parte frontal de la bicicleta que simule a un paraguas llamado “paraire”.

Alternativa 5 : Cambiar la posición en general del ciclista (asiento, manubrio, pedales, ruedas) de manera de dejarlo en posición horizontal con respecto al suelo (como lamina) mirando hacia el cielo.

Alternativa 6 : Cambiar la posición del ciclista subiendo el asiento mucho para que el tronco quede de manera más compacta con respecto a las piernas, así el ciclista quedara como un ciclista profesional mirando hacia el suelo como un ovillo de lana.

Alternativa 7 : Crear una mochila para el ciclista que simule la forma de un casco de ciclista para que no se cambie la posición cómoda (de paseo) del ciclista pero si se aumente la forma aerodinámica del sistema bicicleta-ciclista.

Alternativa Seleccionada y Plan de Trabajo

Ante las alternativas planteadas, elegimos hacer una “carcasa” la cual intentará disminuir el área frontal de contacto con el aire, permitiéndonos que la fuerza de arrastre o el roce aerodinámico producido disminuya. Para tener esta decisión tomamos en cuenta el material a utilizar, ya que al ser plumavit, a pesar que es difícil tener instrumentos para realizar cortes o uniones, es más fácil trabajar para moldear, no así por ejemplo en madera. Tomamos también en cuenta que este material es de un peso no considerable, por lo que no influirá demasiado en la bicicleta (términos de peso). Otro punto a considerar fue que la bicicleta no podía tener algún tipo de modificación por lo que solo se podía trabajar con el material entregado, allí solo tenemos entonces que moldear o trabajar en la plumavit.

En cuanto a una descripción, podemos decir que la carcasa consistirá en superficie mas o menos cónica (combinamos un poco con la alternativa 2) que será de tal forma que al mirar frontalmente a la bicicleta, el usuario será cubierto por esta carcasa que canalizará el aire hacia arriba y debajo de la bicicleta.

Para la realización todos los integrantes participaran en la construcción y diseño, aportando nuevas ideas, para lo que el grupo estará siempre en disposición de hacer cambios o modificaciones, ya que todo aporte será válido y de alguna forma considerado.

Refiriéndonos a costos, el material principal, plumavit, será entregado en un comienzo, por lo que solo costearemos a parte materiales adicionales como por ejemplo: cortador especial para plumavit, pegamento y en caso de algún error en ejecutar cortes o uniones, se podrá contar con otro volumen de plumavit que será costeado por nosotras.

Implementación

Los principales problemas que han aparecido se refieren al momento de decidir que idea realizar. Esto porque debemos considerar todos los factores que influyen en el tema, además de tener que tomar en cuenta los materiales disponibles para llevar acabo el proyecto.

Tomando en cuenta que nos encontramos en la parte inicial del proyecto। Lo inconvenientes surgidos se refieren a la búsqueda de información para optimizar la forma del dispositivo de manera de disminuir el roce aerodinámico. En este sentido, estos problemas no han sido de mayor relevancia, puesto que ya logramos una forma acorde a lo que se pide considerando el material a utilizar que será el plumavit.

La siguiente dificultad aparece en el momento de pensar en cómo medir la velocidad que lleva el aire। Para esto, como ya se menciono en la parte de Identificación de metas y dificultades, encontramos un método que emplea una sonda que mide las velocidades tangenciales y verticales y que por medio de un cálculo simple, podremos obtener el valor que se busca.

Hasta el momento, las contrariedades que han aparecido han sido resueltas de manera eficaz. Sin embargo, lo que más nos preocupa como grupo, es poder organizarnos considerando nuestros horarios. Encontrar horas en las cuales la mayoría pueda participar en la realización del proyecto no ha sido fácil debido a que cada una tiene sus propios deberes. Para esto, nuestra jefa de grupo ha sido designada para encontrar horas en las que podamos juntarnos y así seguir desarrollando el proyecto. Es decir, todas las dificultades que han ido apareciendo se han solucionado rápidamente. Por el momento lo que más nos ha costado ha sido ajustar nuestros horarios. Más adelante, aparecerán más obstáculos relacionados con la implementación en si, que deberemos considerar para el siguiente informe.

Los costos estimados son considerados por utensilios que sirven para manipular el plumavit (ya que no es fácil trabajar con sólo un cuchillo cartonero), un trozo de plumavit de respaldo y pegamento

Como organización cronológica, luego de terminado este primer informe que nos sirvió para recolectar toda la información posible para saber como debe ser un dispositivo que disminuya el roce aerodinámico, tenemos planeado comenzar con la construcción de este, con reuniones de 2 a 3 veces por semana para ir corrigiendo errores y finalmente poder implementarlo.

extra

Algunos Dispositivos ya diseñados