Por años el hombre ha estado constantemente innovando y buscando nuevas soluciones a un problema simple pero de vital importancia en una sociedad: ¿Cómo trasladarse? Ya en épocas primitivas los nómades utilizaban largas y extenuantes jornadas de caminatas y marchas migratorias en busca de alimentos, nuevas zonas de caza o en busca de mejores condiciones climáticas para subsistir. La evolución que fue alcanzando el hombre también permitió el nacimiento y desarrollo de nuevos medios de transporte. La invención de la rueda en la antigua Mesopotania, los inventos chino, como sus primeros móviles con ruedas de bambú, y los primeros dibujos de Da Vinci serían solo el inicio de una verdadera revolución en el ámbito del transporte terrestre: el nacimiento de la bicicleta. Hoy son millones los usuarios y cientos los millones de dólares que se mueven en el mundo de la industria de la bicicleta. La tecnología y los avances permiten que las bicicletas de hoy sean cada vez más rápidas, cómodas, livianas y seguras. Lo que nació como un invento renacentista hoy es uno de los instrumentos de transporte más eficientes y prácticos a lo largo de todo el mundo. La guerra que se libra hoy es por entregar la bicicleta más completa y sofisticada, alcanzando importantes logros en la estética y eficiencia. Todo para suplir las necesidades de los numerosos usuarios de este método de transporte, ocio, deporte y entretención. Hoy poniéndonos en sintonía con una realidad mundial debemos exigir al máximo nuestra capacidad intelectual a través del diseño y construcción de un prototipo que permita mejorar las condiciones aerodinámicas de una bicicleta. Para ello deberemos abocarnos a las reglas y condiciones que el proyecto exige con relación a sus dimensiones, uso y presupuesto. Nuestro trabajo debe además cumplir con las condiciones de ser de fácil implementación y mantenerse sin
intervención externa, con comodidad para el usuario mientras la bicicleta está en movimiento. Se pide un aparato que pueda agregarse y retirarse de la bicicleta sin modificarla. Nuestro grupo, compuesto por Martín Echeverría, Felipe Vásquez, Juan Ignacio Ortiz y Cristián Williamson, esta consiente de la importancia que implica el desarrollo optimo de este proyecto, es por ello nuestro compromiso por trabajar arduamente por cumplir esta misión y salir airosos de este nuevo desafío.

La bicicleta en un fluido

Para comprender la importancia que tienen las resistencias producidas por el aire en ciclismo se pueden exponer algunos datos que nos revelan el costo energético que supone desplazar algunos cientos de kilos de aire por minuto. Mientras que el récord de velocidad en ciclismo deportivo sobre 200 m. es de 71,29 Km/h, establecido por Adamashvili en 1990, el récord conseguido por un vehículo aerodinámico fuselado es de 105,39 Km/h, establecido por Markham en 1986 y en 1985, el norteamericano Howard, consiguió alcanzar los 245,08 Km/h corriendo detrás de un protector de aire.
Otro dato comparado que permite significar la importancia que adquieren las resistencias aerodinámicas es el récord de la hora, mientras que el récord oficial lo consiguió en Noviembre de 1994 el suizo Rominger en 55.291 Km., el récord de la hora en pista cubierta, tras moto, lo consiguió, en 1987, el ruso Romanov en 91.131 Km., algo impensable de cubrir en situaciones normales.
Los datos expuestos reflejan que la mayor fuerza opuesta al desplazamiento del ciclista es la aerodinámica, ésta supone más del 80% de todas las fuerzas de resistencia cuando solo se desplaza a 30 Km/h y muy superiores cuando se incrementa la velocidad.
Se puede afirmar que la fuerza aerodinámica más importante que se opone al desplazamiento en ciclismo es la componente de arrastre, la cual puede considerarse compuesta de un arrastre viscoso o superficial, producido por la fricción laminar del aire contra la bicicleta y el ciclista, más un arrastre de forma producido por el déficit de momento de la estela al existir separación de las líneas de corriente. Cuando el ciclista o cualquier componente de la bicicleta se desplaza a través del aire se produce necesariamente un rozamiento del aire con dicha superficie, lo que constituye una fuerza que reduce la velocidad del ciclista denominada fuerza de arrastre viscoso o superficial. Su mayor o menor intensidad está relacionada con la viscosidad del fluido y el rozamiento de deslizamiento del aire a través de la superficie.
La viscosidad se considera la fuerza necesaria para deslizar una capa de fluido sobre otra, en este sentido, cuando la viscosidad del fluido se incrementa, también se incrementarán las fuerzas de resistencia al desplazamiento, ya que si consideramos que un ciclista se desplaza a cierta velocidad a través de aire en reposo, las capas de aire más próximas se desplazarán con él produciendo un cambio gradual de velocidad entre capas y, consecuentemente, un deslizamiento que se traduce en el incremento del arrastre viscoso o superficial. Debido a la menor densidad de aire, los registros de velocidad conseguidos por ciclistas experimentados en la ciudad de México (2.260 m. de altitud) son entre un 3% y un 5% mejores que los realizados a nivel del mar.
Como se ha comentado, la fuerza de arrastre viscoso tiene su origen en el desplazamiento que se produce entre las capas de aire más próximas a la superficie del ciclista y bicicleta. Dicho desplazamiento es mayor cuando se incrementa el rozamiento de deslizamiento del aire a través de la superficie o, lo que es igual, cuando se incrementa el coeficiente de rozamiento. Por el contrario, un coeficiente de rozamiento pequeño hace que las capas de aire se deslicen a través de la superficie, en lugar de desplazarse con ella, reduciéndose la fuerza de arrastre viscoso. En este sentido, los trajes muy ceñidos, de una sola pieza y de materiales de fibras suaves puede reducir el rozamiento hasta un 30%, comparado con el mismo ciclista vistiendo pantalones ajustados y chaqueta.

La fuerza de arrastre de forma se produce cuando el aire que se desliza alrededor del objeto es incapaz de seguir su contorno (figura 1). En esta situación, parte del aire se frena cuando choca con la sección transversal del cuerpo perpendicular al flujo y otra parte es incapaz de seguir el contorno de la superficie, produciéndose dos vórtices iguales o corrientes en torbellino detrás del ciclista que, según el teorema del momento cinético, producen una fuerza de arrastre opuesta al desplazamiento. Además, este hecho hace que la velocidad del flujo sea mayor detrás del ciclista que en la parte frontal y, según el teorema de Bernoulle, se produce una fuerza de succión posterior que reduce la velocidad del ciclista.
Según lo expuesto, la magnitud de fuerza de arrastre de forma, dependerá básicamente de la sección transversal o área frontal expuesta al desplazamiento. En este sentido, han puesto de manifiesto como una reducción de 0.16 m2 en el área frontal, motivada por el cambio de posición del ciclista sobre la bicicleta (de vertical a posición de carrera) produce un incremento en la velocidad de 1.13 Km/h, cuando se desplaza a una velocidad de 24 Km/h. Como se comentará más adelante, los cambios de posición no solo afectan sobre la fuerza de arrastre, sino que también tienen implicaciones sobre la transmisión de fuerza sobre el pedal.

Base teorica

Para definir los conceptos de separación y fuerzas de arrastre debemos centrarnos en el comportamiento dinámico de los fluidos, así como de diversos aspectos del flujo viscoso.
En el escurrimiento de los fluidos reales la viscosidad produce la adherencia del fluido a los bordes sólidos. Esto hace que las capas del fluido cercanas disminuyan su velocidad y retarden el escurrimiento de las otras capaz. Si la viscosidad es importante, o bien el número de Reynolds del escurrimiento es bajo, la influencia de las paredes puede comprometer a todo el flujo. Si los efectos de la viscosidad son bajos en comparación a las fuerzas de inercia, el efecto de las paredes es apreciable sólo en la zona cercana a ella.
Este hecho condujo a que Ludwig Prandtl planteara que en muchos casos los escurrimientos de fluidos viscosos pueden ser analizados dividiendo el espacio en dos regiones. Para ello propuso la idea de capa límite.

La idea de la capa límite es separar la zona cercana a las paredes donde los efectos de la viscosidad son importantes del resto del flujo donde no tiene relevancia. En el interior de la capa límite el flujo puede ser laminar o turbulento y su espesor y desarrollo dependen de las propiedades del flujo, del fluido y de la pared. Cuando el flujo se produce en condiciones de gradientes de presión puede producirse el fenómeno de separación. Este consiste en la aparición de contracorrientes del fluido y la separación del flujo principal de los bordes sólidos, dando origen a una zona de mezcla al interior de la cual se produce una uniformización de presiones. La separación se debe a que las fuerzas viscosas detienen el flujo cerca de las paredes haciendo que las fuerzas de inercia se anulen y dejando el fluido a merced de las fuerzas de presión. De manera que si éstas presentan un gradiente negativo con relación a la dirección del flujo principal, el fluido que se encuentra cerca de la pared tiende a avanzar en esta dirección. La aparición de la separación da origen a la llamada fuerza de arrastre o de forma. Ésta, junto a la fuerza de fricción constituyen la fuerza de arrastre total. Si un cuerpo tiene una forma tal que no produce separación se dice que es aerodinámico, o hidrodinámico.

Fuerza de arrastre: F fricción+ F forma

Donde F fricción= F (esfuerzos de corte en las paredes)
F forma= F (esfuerzos normales sobre la superficie)

En otras palabras, en un fluido real se involucran 2 fuerzas, una debido a la fricción y otra debido a la forma (si es que aparece el fenómeno de separación), denominada fuerza de arrastre.

Se entiende como fuerza de arrastre a la fuerza que el flujo ejerce en el cuerpo en la misma dirección del flujo.

Para disminuir las fuerzas de arrastre sobre cuerpos que deben moverse en un fluido se debe evitar que se produzca separación tratando de mantener las líneas de corriente en contacto con la superficie del cuerpo

Finalmente se puede presentar el coeficiente de arrastre como:

Donde A corresponde al área proyectada, y Fd es la fuerza de arrastre.

Soluciones anteriores

Durante los últimos años se ha tratado de mejorar la eficiencia aerodinámica de diversos vehículos. Para el caso de la motocicleta, uno de las modificaciones que se le han hecho es vestirla con piezas debidamente trabajadas y moldeadas de algún tipo de material resistente, como la fibra de vidrio, lográndose así una mejor penetración de la moto en la masa de aire. El dispositivo descrito anteriormente es llamado carenado. Otra modificación utilizada para mejorar la aerodinámica es modificar la posición del piloto de manera que este esté acorde al carenado de la moto, por lo general en una moto de competición el piloto esta prácticamente tumbado sobre el estanque de bencina de esta.
Dentro de la reglamentación que existe, una las motos mas desarrolladas aerodinámicamente son las de superbike y motogp, en las cuales podemos notar que aparte de que el piloto esta casi acostado en la moto, el carenado tiene una forma similar a la de una lagrima.

En el mismo carenado, se encuentran una serie de dispositivos que permiten ordenar y dirigir el flujo del aire. También gracias a lo visto en clases, y comprobándolo con fotografías, vemos que al reducir el área con la que el aire se va a enfrentar, podremos reducir la resistencia.

Si bien el proyecto que debemos realizar es mejorar la aerodinámica de una bicicleta y no la de una moto, existen varias similitudes, y por ello aprovecharemos los conocimientos que han adquirido especialistas en el tema y trataremos de aplicarlos a nuestra bicicleta. Además, existen diversas soluciones al problema aerodinámico de la bicicleta como se puede ver en la fotografía adjunta. A esta bicicleta, se le a añadido un frente, el cual permite que pase el aire de forma mas suave por su parte delantera, además se le ha agregado una tela que rodea al conductor, cumpliendo la misma labor que el frente pero esta vez para los costados, y si nos fijamos detenidamente se puede apreciar que con los dispositivos utilizados, la forma que presenta la bicicleta mejorada, es similar a una lagrima.

En el siguiente caso hipotético podemos ver como funcionaría tan simple sistema:
Bajo los siguientes supuestos:

alfa 30°
m 100 kg
g 9,81 m/s2
F roce 100 N
F constante 390,5 N

Y sabiendo las velocidades a través del tiempo, partiendo de 0. tenemos:

Recordando que las 3 primeras columnas son observadas y que las 3 siguientes son sumas, restas y cuadrados de los datos obtenidos, podemos identificar que el coeficiente de arrastre es 0,2 para este experimento.
Al desarrollar esto para otras configuraciones obtendremos diferentes coeficientes de arrastre.

Grupo 28

Bienvenidos al Blog del grupo 28, acá encontarás nuestros objetivos, bases teoricas e ideas en un futuro inmediato. Más adelante podrás ver como vamos avanzando, subiendo viedos, tablas de datos y detalladas explicaciones de los procesos.
Semana a semana iremos actualizando esta ventana, por donde te podrás asomar y ver un poco del genio creativo de nuestros integrantes.

Martín Echeverría T
Juan Ignacio Ortiz
Felipe Vasquez
Cristián Williamson