Proyecto Mecánica de Fluidos - Grupo 21: junio 2007

"Bicicleta Aerodinámica"

Grupo 21

Integrantes

Silvana Avila
Carolina López
Montserrat Portella
Macarena Quiroz

Competencias y Habilidades Desarrolladas

Podemos decir que todas las integrantes de este grupo participaron activamente en la realización de este increíble proyecto. Para comenzar a desarrollarlo tuvimos que investigar sobre la aerodinamica en distintos tipos de moviles y las soluciones propuestas para poder mejorar su aerodinamica, una cosas mas complicadas fue aplicar las soluciones ya existentes a la situación presentada. Nosotros nos basamos principalmente en las soluciones propuestas en motos, y de acuerdo a esto diseñamos un aparato para nuestra bicicleta.

Luego de la construccion y experimentación d enuestro dispositivo, nos dimos cuenta que lo aprendido y visto en una pizarra en la sala de clases puede ser aplicado a un problema real. Otro aspecto destacable en habilidad desarrollada; fue que pudimos tener la capacidad de organización en nuestro grupo para poder llevar a cabo este proyecto y asi poder cumplir con todas nuestras metas propuestas.

En cuanto a la materia aplicada, podemos decir que nos basamos mucho en la experimentación y por esta razon las mediciones realizadas nos ayudaron mucho para simplificar los calculos. Aun así, previo a las mediciones tuvimos un periodo de busqueda de información para poder calcular la fuerza de arrastre y poder obtener los valores que nos interesaban.

Principales Resultados del Proyecto

A pesar de que nuestra metodología de trabajo puede parecer demasiado sencilla o incluso tonta para algunos, nuestros resultados fueron positivos. Para poder cumplir con las metas propuestas, como es logico, tuvimos que realizar lo que todo proyecto requiere en un principio: investigación. Luego comenzamos a elaborar una solucion que estuviera acorde con nuestra meta, la cual era disminuir el efecto de la fuerza de arrastre en una bicicleta. Para esto nos basamos principalmente en las soluciones ya propuestas en motos, ya que resulta más productivo tener una idea clara para luego modificarla y poder aplicarla en nuestro caso.

En las motocicletas, las soluciones propuestas se enfocaban en la disminución de la fuerza de arrastre o en la mejora del coeficiente de arrastre. La primera implica disminuir el área frontal, por esto si diseñabamos un dispositivo de baja área frontal, la fuerza de arrastre disminuiría claramente, sin embargo el coeficiente de arrastre no mejoraria. Si diseñabamos un dispositivo que cubriera por completo a nuestro ciclista, lo que implica una mayor área frontal, la fuerza de arrastre no disminuiria, pero a pesar de esto, el coeficiente de arrastre mejoraria.

Ya teniendo claras las opciones que teniamos, nos encontramos en la disyuntiva de tomar la mejor decisión. Finalmente nos decidimos por la segunda opción y construimos una carcasa que cubre casi por completo al ciclista.

Luego nos encontramos con otra problema: decidir como mediriamos la velocidad y la fuerza de arrastre. Nos inclinamos por el procedimiento experimental para medir la velocidad (toma de mediciones en base a distancias y tiempos, con y sin carcasa) y ,por otros métodos ya mencionados en otros puntos, la fuerza y coeficiente de arrastre.

Los datos obtenidos fueron los siguientes

Con estos datos obtenidos podemos concluir que el objetivo propuesto esta cumplido, ya que nos enfocamos en más en mejorar el coeficiente de arrastre que en disminuir la fuerza de arrastre. Como podemos ver en los resultados, el coeficiente de arrastre disminuyó notoriamente de 0.793 a 0.524 con la carcasa construida. Los datos obtenidos son coherentes con la teoría que habíamos analizado, por lo tanto estamos muy conformes con estos resultados.

¿Como calculamos la velocidad, fuerza de arrastre y coeficiente de arrastre ?

Una vez construido nuestro dispositivo, comenzamos con el proceso de mediciones. Para esto concurrimos a una calle de baja pendiente con nuestra bicicleta y ciclista; y grabamos a este mientras recorria una determinada distancia. Luego vimos las grabaciones y medimos el tiempo que demoro nuestro ciclista en recorrer la distancia entre los postes distancia, entre 17 y 18 metros. Hicimos varias mediciones, con cascasa y sin ella, y determinamos una velocidad promedio, la que resulto ser afortunadamente superior en el caso de la bicicleta con el dispositivo. A continuación mostramos en detalle los datos medidos experimentalmente.

Sin Carcasa

Con Carcasa

Para calcular la fuerza de arrastre y el coeficiente de arrastre asociado a ella, aplicamos materias ya aprendidas en cursos pasados

con

Caso 1: Bicicleta con carcasa

Como la aceleración vertical es nula, ya que no hay movimiento en dicho eje, tenemos que

Reemplazando (2) en (1)

como la velocidad varia muy poco podemos considerarla constante, y asimismo considerar que la aceleración horizontal es nula, por lo tanto tenemos que

con

Por lo tanto

Ahora para la Fuerza de arrastre tenemos

con

Calculo del Área de contacto con carcasa

Luego

Caso 2: Bicicleta sin carcasa

Procedemos de la misma forma que en el caso con carcasa, pero considerando W sin el peso de la carcasa y otra velocidad. Las ecuaciones de equilibrio de fuerzas son idénticas, por lo tanto tenemos que :

con

Reemplazando estos datos en las ecuaciones tenemos que

Para Calcular el Coeficiente de arrastre hacemos lo mismo que antes

con Ad = área del ciclista sin carcasa = 0.19.

Reemplazando en (3)

Luego podemos concluir que nuestra meta esta cumplida, ya que a pesar de que el area de contacto es mayor, hemos mejorado el coeficiente de arrastre.

Implementacion

Se nos presentaron algunos problemas al momento de llevar a cabo nuestro proyecto, ya que algunos días el tiempo no nos favoreció por lo que no pudimos probar la bicicleta y medir bien la velocidad para luego obtener la fuerza de arrastre con y sin nuestro aparato aerodinámico.

También tuvimos problemas al querer cortar la plumavit, ya que no queríamos equivocarnos al momento de cortar la pieza entera en 2 (cosa que hicimos para luego moldear nuestro proyecto). Fue tedioso todo lo relacionado con la fabricación, ya que debíamos unificar criterios en cada instante, como qué materiales usar para modelar, qué forma debía tener, cómo partir cortando la plumavit para no tener grandes pérdidas y poder desarrollar nuestro trabajo como queríamos.

El proyecto resultó muy por sobre nuestras expectativas. Nunca creímos que nos iba a quedar tan aerodinámico ni que iba a quedar tan estético (se asemeja mucho a una moto). Lo pasamos muy bien reuniéndonos para cortar la plumavit, aunque fue un poco caótico porque aunque no se quiera confirmar, trabajar con plumavit es fácil porque no necesitas muchos aparatos especiales, pero no es fácil limpiar después.

En general no nos guiamos mucho por el plan de trabajo, fuimos todas muy líderes al tomar las decisiones y nunca nos atropellamos cuando conversábamos las ideas. Como a muchos les debe haber pasado, no le dimos mucha importancia a la planificación del proyecto, por lo que nos atrasamos un poco para poder lograr tomar las mediciones de velocidad con el aparato.

Una mejora que propondríamos es que se debe respetar la metodología de trabajo aunque alguna piense que es mejor hacerlo de otra manera, pero como todo estaba bien estipulado de antemano creemos que cuando se cambian las reglas a medida que transcurre el tiempo produce caos y descoordinación en cuanto a la realización del proyecto y las labores de cada una en el grupo

Cronología:

Lo primero que hicimos fue idear el aparato y ver qué forma debía tener para lograr algo aerodinámico y que mejorara la fuerza de arrastre de la bicicleta. Para ello, Macarena Quiroz, Carolina López y Silvana Ávila investigaron mucho sobre los distintos diseños aerodinámicos que existen en la actualidad para poder guiarnos un poco y sacar conclusiones de ellos.

Nos juntamos un día en la universidad para unificar criterios y quedamos de acuerdo en que nuestro aparato debía ser semejante a una “trompa” de motocicleta, es decir, que debía estar formada por algo más puntudo que tapara la parte frontal de la rueda, y un semicírculo que tapara el área del conductor, como también subir el asiento a lo máximo que se pudiera para poder andar en bicicleta sin perder el control.

Luego tuvimos que designar a la que iba a manejar la bicicleta en la entrega final. Decidimos que Macarena Quiroz iba a ser la encargada de presentarles nuestro proyecto al resto de las personas, porque es la que pesa menos en el grupo además porque le gusta mucho andar en bicicleta.

Una vez tomadas esas decisiones preliminares nos juntamos en casa de Montserrat Portella para hacer el resto del proyecto, es decir, cortar la plumavit y moldearla hasta lograr la forma deseada.

Silvana Ávila y Montserrat Portella comenzaron a realizar el proyecto, es decir, cortar, moldear, lijar, ensuciar… limpiar cada cierto tiempo, y luego se unió Carolina López para terminar la segunda parte de nuestro modelo. Las 2 partes de nuestro proyecto debían calzar de manera que no se cayeran de la bicicleta, por lo que fue un trabajo difícil lograrlo.

Una vez terminada la carcasa aerodinámica procedimos a probar la bicicleta con y sin carcasa.

Salimos a la calle para poder medir distancias y con ayuda de una cámara digital registramos el tiempo que Macarena se demoró en recorrer aproximadamente 90 metros con y sin carcasa. Una vez terminadas las pruebas volvimos a trabajar en la parte teórica del proyecto, es decir, para calcular la fuerza de arrastre.

Del blog está encargada Silvana Ávila, y ella ha ido modificando algunas cosas de la página e incorporando otras para poder tener un blog como se espera.

Costos

- $ = 2 cierras para cortar plumavit en forma fina.

- $229 = 4 lijas finas para dar un mejor acabado a la plumavit.

6.3 Evaluación de desempeño

Probamos el dispositivo en la calle con una pendiente de aproximadamente 4º, medimos la velocidad media que se demoró Macarena en recorrer 90 m con y sin dispositivo.

Los resultados se muestran a continuación:

Conclusiones

Estamos muy conformes con los resultados obtenidos. Pudimos disminuir la fuerza de arrastre en forma considerable, y se pudo notar que aumentó la velocidad de la bicicleta ante un mismo esfuerzo. Macarena dijo que no le daba frío andar en bicicleta con nuestro dispositivo, cosa que nos alegra mucho porque significa que estamos creando una estela que sobrepasa los límites corporales de ella.

Nosotras creemos que una mejora para nuestro dispositivo es poder ponerle un apoya brazos para que sea más cómodo y poder utilizar otro material en la parte de la cara para poder agacharse más y seguir teniendo la misma perspectiva que antes para poder andar en bicicleta.