Para poder comprender de manera correcta el comportamiento aerodinámico de una bicicleta, es necesario definir ciertos conceptos, para tener claridad cuando se haga uso de estos:
- Aerodinámica: Rama de la mecánica de fluidos que estudia las acciones que aparecen sobre los cuerpos sólidos cuando existe un movimiento relativo entre estos y el fluido que los baña, siendo este último un gas y no un líquido.
- Fuerza de arrastre: Fuerza paralela al flujo, a esta también es posible reconocerla como la resistencia al aire, que se genera por la interacción y contacto de un cuerpo rígido y un fluido. Tiene sentido positivo cuando la fuerza va en sentido del flujo, por lo que si un objeto va en contra a esta, debe vencer esta fuerza.
- Fenómeno de separación: Se genera cuando un flujo entra en contacto con un borde sólido y se hace escurrir bajo condiciones de gradientes de presión, donde luego la capa límite modifica su comportamiento. Luego, en la zona en que el fluido logra disminuir en forma apreciable la velocidad por la viscosidad, estando ahora la fuerza de inercia nula y cerca de la pared las fuerzas de presión predominarían (en dirección contraria al flujo principal, haciendo que las líneas de corriente se separen en forma decidida de la superficie del cuerpo.
Para la solución de los problemas aerodinámicos, se hace necesario un cálculo de variadas propiedades del fluido, tales como la velocidad, presión, masa específica y temperatura en función del tiempo y una posición en particular en estudio. Así con esto es posible tener un cálculo de las fuerzas y momentos involucrados como también las relaciones entre fuerzas sobre un cuerpo moviéndose en un fluido y las velocidades que lo involucran. Las fuerzas tienen un coeficiente asociado, este se denomina coeficiente aerodinámico.
El problema a solucionar tendrá en parte mucha relación con este coeficiente, ya que lo que buscaremos será disminuirlo. En una bicicleta tradicional, el coeficiente aerodinámico toma un valor de 0.9, entonces la idea es que éste tome el mínimo valor posible. Por medio de distintas opciones trataremos de encontrar la más adecuada.
Para calcular esta constante seguiremos una determinada metodología que será especificada más adelante en el informe.
Fue muy importante para la realización de nuestro trabajo, el estar enterados de cómo es el diseño actual de las bicicletas y entender el funcionamiento dinámico de éstas. También investigamos sobre cómo han influido las investigaciones a lo largo de los años para su funcionamiento tradicional, que hoy en día podemos apreciar.
Desde hace mucho tiempo se ha sabido de la importancia que tiene la postura del ciclista, ya que el ciclista produce entre un 65% a 80% de la resistencia total del aire. La posición agachada para las competencias y los manubrios bajos se han utilizado desde 1890. Pruebas en el túnel de viento, al igual que otros experimentos, han demostrado que la posición adecuada del cuerpo puede reducir la resistencia del aire hasta en un 31% con respecto a una posición vertical.
En la bicicleta el ciclista aplica una fuerza a los pedales que produce un movimiento de rotación de las palancas que, mediante el complejo plato-cadena-piñón, es transferido a la rueda trasera provocando el avance.
La fuerza que el ciclista aplica al pedal se puede descomponer en:
- Fuerza radial: esta componente en dirección de la palanca no produce trabajo (y por lo tanto potencia) debido a que su efecto es anulado por la caja pedalera.
- Fuerza tangencial: esta componente en dirección perpendicular a la palanca es la que produce trabajo (y por lo tanto potencia).
Los nuevos manubrios han permitido que los ciclistas logren obtener una posición aerodinámica óptima. Esta posición consiste en agachar la cabeza, manteniendo la espalda derecha. Aún así se puede pedalear eficientemente. En esta posición la resistencia del aire se reduce en un 25%.
Un casco también puede ayudar a disminuir la resistencia aerodinámica, aproximadamente un 2%. De hecho, los cascos aerodinámicos modernos hacen que la resistencia del aire sea menor, por lo tanto, el casco no sirve solo para proteger la cabeza, sino que puede ayudar hasta a ganar una carrera.
En cuanto a los marcos, en los `80 lo primero que se hizo fue usar tubos ovalados en vez de tubos redondos para aerodinamizar el marco, reduciendo la separación del flujo, ya que la corriente aérea, que se abre para dar paso a la bicicleta, se vuelve a juntar más pronto una vez que ha pasado el ciclista, reduciendo de esta manera la resistencia del aire. Gracias a los materiales modernos, algunos de sus tubos han sido eliminados para reducir la resistencia del aire. Generalmente, se elimina la barra transversal. En otras bicicletas se ha eliminado el tubo del asiento. Para disminuir la resistencia aerodinámica todavía más, los ciclistas olímpicos utilizan bicicletas que están hechas especialmente a la medida de su cuerpo.
La rueda genera mucha resistencia aerodinámica. Una rueda típica de bicicleta tiene 32 o 36 rayos. Conforme la rueda va rotando, el flujo de aire se separa y causa turbulencia, lo cual a su vez aumenta la resistencia del aire. Los rines aerodinámicos ayudan a que la resistencia disminuya. Las ruedas hechas de discos sólidos y las de tres rayos también reducen considerablemente la resistencia producida por las ruedas normales. Con los materiales livianos de hoy se ha logrado que este tipo de ruedas sean más útiles.
Nuestro diseño final fue elegido luego de variadas proposiciones, en que la decisión final fue tomada en base a cual de éstas se adaptaba mejor a las condiciones previamente estipuladas, y cual se acomodaba al mejor diseño de reducción de resistencias aerodinámicas. Para lograr esto será necesario seguir una metodología predeterminada y así lograr los plazos, ya que requiere de tiempo adecuado para la elección de diseño óptimo, compra de materiales, pruebas y otras consideraciones para esta realización.
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