Video Dispositivo Final (en acción)

Entrega Final Mecánica de Fluídos

1) Introducción:

En nuestro informe anterior nos dedicamos a investigar sobre la forma en que se puede mejorar la aerodinámica de una bicicleta. Estos vehículos no han evolucionado en este sentido de la misma forma que lo han hecho otros medios de transporte, tales como los automóviles y los aviones, en parte debido a regulaciones restrictivas de parte de la Federación de Ciclismo.
Vimos que la aerodinámica de un cuerpo depende de las fuerzas provenientes de diferencias de presión y las denominadas fuerzas de corte viscoso. Ambas provienen del hecho de que el aire es un fluido viscoso.
Las fuerzas de corte viscoso provienen del roce entre el fluido viscoso y la superficie de contacto del cuerpo con este. Estas están directamente relacionadas con el número de Reynolds: un número alto corresponde a un flujo turbulento y uno pequeño a uno laminar.
Las fuerzas de presión están relacionadas con los remolinos o turbulencias producidas por los cuerpos al pasar.

La velocidad y la Presión van relacionadas por la Ecuación de Bernoulli para fluidos no viscosos:

p+1/2(Ro)*V^2+(Ro)*gh=cte

donde p es la presión, (Ro) es la densidad, V es la velocidad, g la aceleración de gravedad y h es la altura.

La velocidad y el área de contacto del cuerpo con el aire están relacionadas por la ecuación de continuidad:

(Ro)A1V1=(Ro)A2V2

donde (Ro) es la densidad, A el área y V es la velocidad.

En la figura mostrada más abajo podemos ver varios tipos de diseño para vehículos. Podemos ver que la forma de este determina la cantidad de turbulencia que el cuerpo creará al pasar. Éstas provocan una pérdida de energía mecánica, dado que la energía que el cuerpo podría utilizar para moverse se gasta en provocar estos remolinos. Podemos ver en el dibujo varios tipos de formas, desde las que provocan un flujo laminar y con ello tienen una baja resistencia al paso del aire, hasta los que provocan gran cantidad de turbulencia y con ello una gran pérdida de energía. Debemos mencionar que el arrastre es proporcional a la turbulencia generada.

El dispositivo que proponemos es una pieza que irá colocada en la parte frontal. Esta cubrirá la rueda delantera y las piernas del ciclista. Como podemos apreciar en la fotografía de más abajo (foto 1) la zona compuesta por las piernas y el frente de la bicicleta forman prácticamente un rectángulo. Esto provoca que el flujo de aire que pasa por la bicicleta se asemeje mucho al segundo dibujo de la figura 1 mostrada anteriormente, el cual es uno de los peores.

Foto 1:

El dispositivo que queremos diseñar tendrá la siguiente forma:

Mediciones y Resultados

Para medir el coeficiente de arrastre utilizamos la siguiente metodología:

Al bajar el ciclista por la pista inclinada, su velocidad terminal se alcanzará cuando la resultante de la fuerza normal se iguale con la resistencia al movimiento aplicada por aire, obteniendo de esta manera la siguiente expresión:

De donde obtenemos una expresión para el coeficiente de arrastre:

Donde:

m = 95 [kg] = masa conjunta del ciclista y la bicicleta.
g = 9,81 [m/s^2] = aceleración de gravedad.
α = 10° = ángulo de la pendiente.
Vf = velocidad terminal.
A = 0,5 [m^2] = área frontal proyectada por el conjunto ciclista y bicicleta.
rho = 1,2 [kg/m3] = masa específica del aire.

A continuación se presenta una tabla para las mediciones de la velocidad terminal y el respectivo coeficiente de arrastre sin la utilización del dispositivo:

Luego, una vez instalado el dispositivo en la bicicleta, se observó un aumento en la velocidad terminal alcanzada por el ciclista y una consiguiente disminución en el coeficiente de arrastre. Los resultados obtenidos para esta etapa son los siguientes:

Se puede observar un aumento de la velocidad terminal promedio de 54,4 a 59,2 [km/hr], es decir, un aumento porcentual del 8,82%.

Por su parte, el coeficiente de arrastre sufrió una disminución de 2,37 a 1,998, es decir, una disminución porcentual del 15,7%.

Los datos anteriores no hacen más que demostrar la eficacia del dispositivo para disminuir el valor del coeficiente de arrastre.

Mediciones finales bicicleta con dispositivo

Estas son fotos de las mediciones finales de velocidad de la bibicleta con el dispositivo.

En esta ocasión la bicicleta alcanzó los 60 Km/hde velocidad terminal, comparados con los 55 Km/h alcanzados en las mediciones anteriores con la bicicleta sin modificaciones.