Si comparamos la fuerza de arrastre entre la diapositiva numero 6 y la numero 7, vemos claramente que la fuerza de arrastre aumentó estando con el dispositivo. Esto debido a fallas en el diseño como la no disminución del área de contacto y al poco conocimiento que tenemos en el uso y trabajo del plumavit, no logrando la forma querida por nosotros.
Se debe agregar que a medida que aumenta la velocidad, la fuerza que hace el viento contra le plumavit, tiende a que nuestro dispositivo se salga de su lugar, haciendo complicada e ineficaces las mediciones.
Se ve una clara tendencia que la fuerza de arrastre aumenta con el cuadrado de la velocidad, tanto en la dispositiva 6 como en la 7
Una mejora que se le haría, seria trabajar de mejor manera el plumavit e inventar una buena manera de ajustar el dispositivo a la bicicleta.
Aprendimos 2 cosas muy importantes a través de este proyecto.
Aplicar la materia vista en el curso de Mecánica de Fluidos, tanto para el dispositivo como para hacer el medidor de presiones que inventamos.
Sin embargo, no logramos obtener las mejores que nos propusimos; confiamos en que nuestro prototipo iba cumplir con las metas propuestas por nosotros, pero nos dimos cuenta que se necesitan considerar otros factores como los mencionados en el comienzo de esta diapositiva
martes, 19 de junio de 2007
Evaluación del proyecto
-La forma buscaba asimilar líneas de corrientes producidas por una fuente en medio de un canal (Ej. TGV, autos modernos)
-Dada la curvatura de dichas líneas, se optó por montar 2 piezas separadas con tal de disminuir la longitud del dispositivo y por ende el peso.
-Por la ecuación de la fuerza de arrastre, se intentó crear un área muy similar a la utilizada por un ciclista sin el dispositivo, pero mejorando el coeficiente de arrastre (Cd).
-La forma obtenida, logra retardar el punto de separación del fluido en contacto con la bicicleta. (Ej. Se considera el efecto de las piernas del cicilista y efecto de la rueda frontal)
De esta manera presentamos el siguiente dispositivo:
-Dada la curvatura de dichas líneas, se optó por montar 2 piezas separadas con tal de disminuir la longitud del dispositivo y por ende el peso.
-Por la ecuación de la fuerza de arrastre, se intentó crear un área muy similar a la utilizada por un ciclista sin el dispositivo, pero mejorando el coeficiente de arrastre (Cd).
-La forma obtenida, logra retardar el punto de separación del fluido en contacto con la bicicleta. (Ej. Se considera el efecto de las piernas del cicilista y efecto de la rueda frontal)
De esta manera presentamos el siguiente dispositivo:
Calculo de Fuerza de arrastre CON DISPOSITIVO
De la misma manera que el procedimiento ocupado sin el dispositivo: 13 grados de pendiente y una masa de 82,5 kilos se presentan los siguientes datos:
La que representa el siguiente gráfico:
Si comparamos la fuerza de arrastre con o sin el dispositivo, vemos claramente que la fuerza de arrastre aumento entre estar sin el dispositivo que estar con el dispositivo. Esto debido a fallas en el diseño como también al poco conocimiento que tenemos en el uso y trabajo del plumavit, lo que provocó que nuestro prototipo no logre la forma querida por nosotros.
Se debe agregar que a medida que aumenta la velocidad, la fuerza que hace el viento contra le plumavit, tiende a que nuestro dispositivo se salga de su lugar, haciendo complicada e ineficaces las mediciones.
Se ve una clara tendencia que la fuerza de arrastre aumenta con el cuadrado de la velocidad, en ambos casos.
Una mejora que se le haría, seria trabajar de mejor manera el plumavit e inventar una buena manera de ajustar el dispositivo a la bicicleta.
La que representa el siguiente gráfico:
Si comparamos la fuerza de arrastre con o sin el dispositivo, vemos claramente que la fuerza de arrastre aumento entre estar sin el dispositivo que estar con el dispositivo. Esto debido a fallas en el diseño como también al poco conocimiento que tenemos en el uso y trabajo del plumavit, lo que provocó que nuestro prototipo no logre la forma querida por nosotros.
Se debe agregar que a medida que aumenta la velocidad, la fuerza que hace el viento contra le plumavit, tiende a que nuestro dispositivo se salga de su lugar, haciendo complicada e ineficaces las mediciones.
Se ve una clara tendencia que la fuerza de arrastre aumenta con el cuadrado de la velocidad, en ambos casos.
Una mejora que se le haría, seria trabajar de mejor manera el plumavit e inventar una buena manera de ajustar el dispositivo a la bicicleta.
Calculo de Fuerza de arrastre SIN DISPOSITIVO
Con la siguiente fórmula,
Reemplazando los valores obtenidos y un valor de 13º como pendiente, y 80 Kg de peso llegamos a la siguiente tabla:
Graficando los valores de la velocidad vs la fuerza de arrastre obtenemos el gráfico:
La curva graficada es de segundo orden, por lo que deducimos que la Fuerza de arrastre depende de la velocidad al cuadrado. Además podemos suponer que inicialmente no hay fuerza de arrastre provocada por el viento por lo que la única fuerza opuesta que actúa es la fuerza de roce opuesta por el pavimento a las ruedas, podemos decir que toma el valor de 130 N. De esta manera podemos estimar el coeficiente de roce:
Así para la fuerza opuesta por el viento:
Fv=cte*V^2
Tomando un promedio entre los valores: Cte = 1,8
De manera que la fuerza de arrastre en función de la velocidad queda expresada como :
Fa= Fr +1,8V^2
Reemplazando los valores obtenidos y un valor de 13º como pendiente, y 80 Kg de peso llegamos a la siguiente tabla:
Graficando los valores de la velocidad vs la fuerza de arrastre obtenemos el gráfico:
La curva graficada es de segundo orden, por lo que deducimos que la Fuerza de arrastre depende de la velocidad al cuadrado. Además podemos suponer que inicialmente no hay fuerza de arrastre provocada por el viento por lo que la única fuerza opuesta que actúa es la fuerza de roce opuesta por el pavimento a las ruedas, podemos decir que toma el valor de 130 N. De esta manera podemos estimar el coeficiente de roce:
Así para la fuerza opuesta por el viento:
Fv=cte*V^2
Tomando un promedio entre los valores: Cte = 1,8
De manera que la fuerza de arrastre en función de la velocidad queda expresada como :
Fa= Fr +1,8V^2
Medición de variables
El día sábado, nos reunimos con el grupo con el fin de determinar las variables: velocidad y presión, sin el dispositivo. Nuestro "conejillo de indias" se lanzó por la pendiente mostrada en la foto:
La pendiente la medimos marcando en una botella con agua, el desnivel que se formaba al apoyarla contra el pavimento. La velocidad estaba dada por un velocimetro instalado en la bicicleta y a medida que este marcaba velocidades, el ciclista, quien sostenía en una mano una grabadora, debía ir gritando las velocidades. De esta manera se determinaron las velocidades en cada tiempo.
En el caso de la medición de las presiones presentamos una comparación de dos puntos captados por nuestra cámara durante el desenso:
P1 = 10000*1,2*10-2 = 120 [N/m] = 120 [Pa]
P2 = 10000*1 *10-2 = 100 [Pa]
P3 se mantuvo prácticamente igual.
En el tubo 1 se vio un aumento de 2cm. más, por lo que el liquido aumenta en total 1,2 + 2, de la misma manera se observa un aumento adicional de 1cm. en el tubo 2.
P1 = 10000*(2+1,2)*10-2 = 320 [Pa]
P2 = 10000*(1+1) *10-2 = 200 [Pa]
P3 es negativa en este momento, esto es debido a las oscilaciones que tiene el liquido producto del movimiento de la bicicleta, por lo que no será considerada.
Nos damos cuenta que las presiones aumentan, a medida que avanza el tiempo. Esto explica el aumento de la fuerza de arrastre a medida que avanza el tiempo.
El dispositivo podría ser mejorado agrandando la sección de las mangueras de manera a que capte mejor el cambio de presión en caso de ser mal acomodada esta durante la medición, también con mangueras totalmente transparentes para que se note el aumento de presión dado por el líquido.
La pendiente la medimos marcando en una botella con agua, el desnivel que se formaba al apoyarla contra el pavimento. La velocidad estaba dada por un velocimetro instalado en la bicicleta y a medida que este marcaba velocidades, el ciclista, quien sostenía en una mano una grabadora, debía ir gritando las velocidades. De esta manera se determinaron las velocidades en cada tiempo.
En el caso de la medición de las presiones presentamos una comparación de dos puntos captados por nuestra cámara durante el desenso:
P1 = 10000*1,2*10-2 = 120 [N/m] = 120 [Pa]
P2 = 10000*1 *10-2 = 100 [Pa]
P3 se mantuvo prácticamente igual.
En el tubo 1 se vio un aumento de 2cm. más, por lo que el liquido aumenta en total 1,2 + 2, de la misma manera se observa un aumento adicional de 1cm. en el tubo 2.
P1 = 10000*(2+1,2)*10-2 = 320 [Pa]
P2 = 10000*(1+1) *10-2 = 200 [Pa]
P3 es negativa en este momento, esto es debido a las oscilaciones que tiene el liquido producto del movimiento de la bicicleta, por lo que no será considerada.
Nos damos cuenta que las presiones aumentan, a medida que avanza el tiempo. Esto explica el aumento de la fuerza de arrastre a medida que avanza el tiempo.
El dispositivo podría ser mejorado agrandando la sección de las mangueras de manera a que capte mejor el cambio de presión en caso de ser mal acomodada esta durante la medición, también con mangueras totalmente transparentes para que se note el aumento de presión dado por el líquido.
Medición de la presión
Ante el problema de medir la presión en un ciclista decidimos idear una solución más práctica que teórica (anteriormente abarcada), de manera que se diseño un dispositivo.
Una extremidad de la manguera esta fija a la espalda del ciclista, en esta será considerada una presión relativa de 0 (presion atmosférica) las otras extremidades de cada una de las mangueras serán conectadas a:
•Tubo 1: Manubrio
•Tubo 2: Rodilla del ciclista
•Tubo 3: cintura del ciclista
•Tubo 4: falló
Así, el liquido sufrirá un desplazamiento causado por la diferencia de presiones, este desplazamiento será captado por una cámara digital apoyada en el soporte del dispositivo. Determinaremos la presión por la siguiente relación:
P=γ*h
donde γ es la masa específica por la gravedad. De esta manera consideraremos la masa específica del líquido (Jugo Yupi) un poco mayor a la del agua de manera que γ=10000, h es la diferencia de alturas entre t1 y t2. Las mangueras están graduadas cada 0,5 cm. Se hará una estimación “al ojo”. Cabe destacar que lo que estamos calculando son presiones relativas.
Una extremidad de la manguera esta fija a la espalda del ciclista, en esta será considerada una presión relativa de 0 (presion atmosférica) las otras extremidades de cada una de las mangueras serán conectadas a:
•Tubo 1: Manubrio
•Tubo 2: Rodilla del ciclista
•Tubo 3: cintura del ciclista
•Tubo 4: falló
Así, el liquido sufrirá un desplazamiento causado por la diferencia de presiones, este desplazamiento será captado por una cámara digital apoyada en el soporte del dispositivo. Determinaremos la presión por la siguiente relación:
P=γ*h
donde γ es la masa específica por la gravedad. De esta manera consideraremos la masa específica del líquido (Jugo Yupi) un poco mayor a la del agua de manera que γ=10000, h es la diferencia de alturas entre t1 y t2. Las mangueras están graduadas cada 0,5 cm. Se hará una estimación “al ojo”. Cabe destacar que lo que estamos calculando son presiones relativas.
sábado, 9 de junio de 2007
Modificación del procedimiento de medición para la fuerza de arrastre
Anteriormente presentamos un modelo para calcular la fuerza de arrastre de acuerdo a ciertos datos de entrada. Habíamos dicho que ocuparíamos la ecuacion de Bernoulli:
Esta ecuación solo puede ser aplicada para los casos donde el fluido sea permanente, ideal e incompresible. En nuestro caso estaríamos considerando como fluido a la misma bicicleta bajando por una cuesta, de manera que corresponde a un fluido de régimen IMPERMANENTE. De esta manera consideramos nuestro procedimiento como erróneo.
El procedimiento que ocuparemos es el siguiente:
Uno de los integrantes del grupo se dejará caer con la bicicleta, por una cuesta de un cierta ángulo de inclinación. Este irá grabando con una camara digital la velocidad marcada por el velocimetro, de esta manera obtendremos las velocidades en ciertos intervalos de tiempo y aplicaremos la siguiente fórmula:
Consideraremos como fuerzas: la fuerza del peso ciclista+bicicleta , la fuerza de roce opuesta por el pavimento y la fuerza de arrastre.
De esta manera la ecuación queda:
La fuerza de roce puede ser considerada como constante (ya que el roce dinamico es constante), así llevaremos a un gráfico: Fuerza de arrastre VS Velocidad para determinar la relación entre ambas.
Esta ecuación solo puede ser aplicada para los casos donde el fluido sea permanente, ideal e incompresible. En nuestro caso estaríamos considerando como fluido a la misma bicicleta bajando por una cuesta, de manera que corresponde a un fluido de régimen IMPERMANENTE. De esta manera consideramos nuestro procedimiento como erróneo.
El procedimiento que ocuparemos es el siguiente:
Uno de los integrantes del grupo se dejará caer con la bicicleta, por una cuesta de un cierta ángulo de inclinación. Este irá grabando con una camara digital la velocidad marcada por el velocimetro, de esta manera obtendremos las velocidades en ciertos intervalos de tiempo y aplicaremos la siguiente fórmula:
Consideraremos como fuerzas: la fuerza del peso ciclista+bicicleta , la fuerza de roce opuesta por el pavimento y la fuerza de arrastre.
De esta manera la ecuación queda:
La fuerza de roce puede ser considerada como constante (ya que el roce dinamico es constante), así llevaremos a un gráfico: Fuerza de arrastre VS Velocidad para determinar la relación entre ambas.
lunes, 21 de mayo de 2007
Ideas Generales para solucionar nuestro problema
Después de comprender nuestro problema surgieron algunas ideas para poder solucionarlo. Dentro de las cuales tenemos hacer una especie de carenado a la bicicleta, donde el ciclista pueda ir y así evitar la fricción con el aire. También poner una especie de cola a la bicicleta para así darle un ``camino`` a seguir al fluido.
Otra idea que surgió durante el estudio de este problema, fue hacer una especie de carenado pero sólo para las piernas. Investigamos con respecto a este tema, y nunca lo han llevado a cabo. Nuestra idea es hacer una especie de caparazón para las piernas de tal manera de evitar el roce que producen éstas por el contacto con el aire.
Nuestras soluciones se resumen en las dos planteadas anteriormente. Después de discutirlas y ver cúal era más viable, decidimos hacer la primera, debido a que encontramos que puede ser una buena manera comparar los valores teóricos con los reales. Además, creemos que la primera solución puede producir efectos más significativos.
Otra idea que surgió durante el estudio de este problema, fue hacer una especie de carenado pero sólo para las piernas. Investigamos con respecto a este tema, y nunca lo han llevado a cabo. Nuestra idea es hacer una especie de caparazón para las piernas de tal manera de evitar el roce que producen éstas por el contacto con el aire.
Nuestras soluciones se resumen en las dos planteadas anteriormente. Después de discutirlas y ver cúal era más viable, decidimos hacer la primera, debido a que encontramos que puede ser una buena manera comparar los valores teóricos con los reales. Además, creemos que la primera solución puede producir efectos más significativos.
Medición de Variables
1. Velocidad:
En relación a la velocidad, podemos usar un cronómetro para medir el tiempo y dada una distancia determinada, calcular la rapidez dividiendo la distancia por el tiempo. También se puede instalar un velocímetro en los aros de la rueda de la bicicleta para tener un valor más exacto y en cada instante.
2. Presión: Para medir la presión, se puede usar un túnel de viento utilizando un modelo a escala debido a las pequeñas dimensiones del túnel existente ( Túnel de viento de la escuela politécnica de ENAER) aplicando dos procesos distintos:
- Uno de ellos, consiste en pegar sensores que asimilan un pelo, los cuales están conectados a un computador y mediante un sensor computacional, medir la presión en ese punto. El otro método, se trata de hacer agujeros en ciertos puntos en los cuales se conectan mangueras y, mediante una especie de venturímetro de viento, medir los valores que correspondan.
Por otro lado, de una forma más empírica, podemos calcular la presión si logramos calcular la fuerza de arrastre ejercida por el viento sobre la superficie frontal de la bicicleta. Para esto, lanzamos una bicicleta desde una cuesta, en donde podemos medir algunos datos, y usamos la ecuación de conservación de la energía sobre todo el cuerpo, midiéndola en relación a la cima del lugar donde realizaríamos la medición y el lugar de término, donde la potencia generada por esta fuerza de arrastre es igual al trabajo realizado por dicha fuerza y dividido por el tiempo. Como tenemos la fuerza de arrastre, la dividimos por el área de la superficie frontal y obtenemos la presión.
Finalmente, para determinar la presión en cada punto podemos usar el siguiente procedimiento: cuando calculamos la fuerza de arrastre, obtuvimos la fuerza resultante, la cual esta aplicada en el centro de gravedad de la superficie frontal de la bicicleta. Como la fuerza de arrastre se comporta como una carga distribuida aplicada sobre toda el área y como conocemos los límites de esta una vez construido el prototipo, podemos despejar la carga puntual “q” para saber el valor de la fuerza que actúa en cada punto.
Una vez obtenido “q”, dividimos por el área dS de un punto en particular para obtener la presión y de esta forma conoceremos la presión en cada punto. Esta a su vez, se puede descomponer en la componente x e y, donde la primera es la que el ciclista se debe de preocupar para vencer. Para tener el valor de la presión resultante sobre toda el área frontal, basta con dividir la fuerza resultante de arrastre por esta área total de contacto.
En relación a la velocidad, podemos usar un cronómetro para medir el tiempo y dada una distancia determinada, calcular la rapidez dividiendo la distancia por el tiempo. También se puede instalar un velocímetro en los aros de la rueda de la bicicleta para tener un valor más exacto y en cada instante.
2. Presión: Para medir la presión, se puede usar un túnel de viento utilizando un modelo a escala debido a las pequeñas dimensiones del túnel existente ( Túnel de viento de la escuela politécnica de ENAER) aplicando dos procesos distintos:
- Uno de ellos, consiste en pegar sensores que asimilan un pelo, los cuales están conectados a un computador y mediante un sensor computacional, medir la presión en ese punto. El otro método, se trata de hacer agujeros en ciertos puntos en los cuales se conectan mangueras y, mediante una especie de venturímetro de viento, medir los valores que correspondan.
Por otro lado, de una forma más empírica, podemos calcular la presión si logramos calcular la fuerza de arrastre ejercida por el viento sobre la superficie frontal de la bicicleta. Para esto, lanzamos una bicicleta desde una cuesta, en donde podemos medir algunos datos, y usamos la ecuación de conservación de la energía sobre todo el cuerpo, midiéndola en relación a la cima del lugar donde realizaríamos la medición y el lugar de término, donde la potencia generada por esta fuerza de arrastre es igual al trabajo realizado por dicha fuerza y dividido por el tiempo. Como tenemos la fuerza de arrastre, la dividimos por el área de la superficie frontal y obtenemos la presión.
Finalmente, para determinar la presión en cada punto podemos usar el siguiente procedimiento: cuando calculamos la fuerza de arrastre, obtuvimos la fuerza resultante, la cual esta aplicada en el centro de gravedad de la superficie frontal de la bicicleta. Como la fuerza de arrastre se comporta como una carga distribuida aplicada sobre toda el área y como conocemos los límites de esta una vez construido el prototipo, podemos despejar la carga puntual “q” para saber el valor de la fuerza que actúa en cada punto.
Una vez obtenido “q”, dividimos por el área dS de un punto en particular para obtener la presión y de esta forma conoceremos la presión en cada punto. Esta a su vez, se puede descomponer en la componente x e y, donde la primera es la que el ciclista se debe de preocupar para vencer. Para tener el valor de la presión resultante sobre toda el área frontal, basta con dividir la fuerza resultante de arrastre por esta área total de contacto.
Como se ha abordado este problema en otros vehículos
Dentro de todo lo explicado en los puntos anteriores (fuerza de arrastre, fenómeno de separación, étc.), el diseño de motos y automóviles ha usado estos conocimientos para crear productos que sean más seguros, rápidos y económicos.
Ejemplos:
1. El automovilismo es, sin duda, quien más lo ha usado. Basta ver la velocidad y estabilidad de los automóviles de carrera, logradas en gran medida por el efecto suelo, que aprovecha el flujo de aire que pasa por el auto para aumentar la velocidad en vez de frenarlo.Dentro de los autos de carrera, existen aspectos básicos para lograr este efecto sin violar la regla de que el fondo sea plano.
Estos son:
- La distancia entre el chasis y el suelo no debe exceder los 10 cm ni ser menor a 5, para que el efecto suelo sea posible y a la vez seguro.
El centro de gravedad del auto debe ser lo más bajo posible.
-Para que el efecto suelo exista, el chasis debe formar una apariencia de ala invertida.
-El ancho de vía trasera debe ser menor a la delantera: el ancho del auto debe ser lo máximo permitido por el reglamento.
Para que el coche no pierda estabilidad ante la fuerte presión, es imprescindible contar con alerón trasero. La carga aerodinámica dependerá del diseño de cada auto y de la rapidez del circuito.
-La extracción y salida del aire para su refrigeración debe ser lo más limpia posible para no crear turbulencias.
-El ángulo de los difusores (el apoyo que existe detrás de la llanta trasera) es también importante. A ángulo mayor, habrá mayor efecto suelo, pero se necesitará más flujo de aire por debajo del fondo plano del auto. A ángulo menor, habrá mejor efecto suelo si es que se pone una trompa (alerón delantero) de forma convexa que se encargaría de buena parte del efecto disminuyendo el flujo de aire por el fondo del coche (lo que sucede en la Fórmula 1). La mayoría de los bólidos se inclinan por el mayor efecto por la parte del fondo del auto.
2. Motocicletas:
Para el diseño de motos, el carenado (cubierta frontal y lateral) recibe especial atención a la hora de estudiar los factores de diseño que pueden jugar un rol importante sobre la fuerza de resistencia aerodinámica cuya fórmula es:
F=d/2*Cd*A*v^2
Donde d es la densidad del aire, Cd una costante que depende de la forma que tenga el carenado y que indica lo "aerodinámico" que éste es. A es el área frontal que tiene la motocicleta y v es la velocidad a la que se mueve.
Así, se pueden elegir estrategias como reducir el área en desmedro de un buen coeficiente de penetración aerodinámica, Cd, porque el piloto quedaría expuesto y las condiciones cambiarían. Ahora, si se diseña un carenado grande que cubra al piloto, se puede conseguir un buen Cd, pero se tendría un área mayor.
Ejemplos:
1. El automovilismo es, sin duda, quien más lo ha usado. Basta ver la velocidad y estabilidad de los automóviles de carrera, logradas en gran medida por el efecto suelo, que aprovecha el flujo de aire que pasa por el auto para aumentar la velocidad en vez de frenarlo.Dentro de los autos de carrera, existen aspectos básicos para lograr este efecto sin violar la regla de que el fondo sea plano.
Estos son:
- La distancia entre el chasis y el suelo no debe exceder los 10 cm ni ser menor a 5, para que el efecto suelo sea posible y a la vez seguro.
El centro de gravedad del auto debe ser lo más bajo posible.
-Para que el efecto suelo exista, el chasis debe formar una apariencia de ala invertida.
-El ancho de vía trasera debe ser menor a la delantera: el ancho del auto debe ser lo máximo permitido por el reglamento.
Para que el coche no pierda estabilidad ante la fuerte presión, es imprescindible contar con alerón trasero. La carga aerodinámica dependerá del diseño de cada auto y de la rapidez del circuito.
-La extracción y salida del aire para su refrigeración debe ser lo más limpia posible para no crear turbulencias.
-El ángulo de los difusores (el apoyo que existe detrás de la llanta trasera) es también importante. A ángulo mayor, habrá mayor efecto suelo, pero se necesitará más flujo de aire por debajo del fondo plano del auto. A ángulo menor, habrá mejor efecto suelo si es que se pone una trompa (alerón delantero) de forma convexa que se encargaría de buena parte del efecto disminuyendo el flujo de aire por el fondo del coche (lo que sucede en la Fórmula 1). La mayoría de los bólidos se inclinan por el mayor efecto por la parte del fondo del auto.
2. Motocicletas:
Para el diseño de motos, el carenado (cubierta frontal y lateral) recibe especial atención a la hora de estudiar los factores de diseño que pueden jugar un rol importante sobre la fuerza de resistencia aerodinámica cuya fórmula es:
F=d/2*Cd*A*v^2
Donde d es la densidad del aire, Cd una costante que depende de la forma que tenga el carenado y que indica lo "aerodinámico" que éste es. A es el área frontal que tiene la motocicleta y v es la velocidad a la que se mueve.
Así, se pueden elegir estrategias como reducir el área en desmedro de un buen coeficiente de penetración aerodinámica, Cd, porque el piloto quedaría expuesto y las condiciones cambiarían. Ahora, si se diseña un carenado grande que cubra al piloto, se puede conseguir un buen Cd, pero se tendría un área mayor.
Efecto de separación
Se le llama separación al fenómeno en el cual parte del fluido que se desplaza, deja de fluir en la misma dirección que la del volumen total. Dicho de otra manera, el flujo deja de seguir los contornos del cuerpo por el cual es llevado o contra los cuales es expuesto.
Su formación está relacionada con la existencia de fuertes gradientes de velocidad en las fronteras y superficies por las cuales fluye un determinado fluido.
A su vez, sabemos que un flujo turbulento causa mayor fricción a una superficie expuesta a él, debido a que los gradientes de velocidad en las paredes del objeto aumentan gracias a la efectiva mezcla turbulenta de momento, energía y calor entre las partículas del mismo fluido a causa de los remolinos. Este aumento en los gradientes de velocidad es el causante del aumento de la fuerza de arrastre por parte del fluido. Es un hecho demostrado empíricamente que mientras menor sea la estela producida, menor será el arrastre debido a la forma del cuerpo. Por lo tanto, es de vital importancia tratar de reducir el tamaño de la estela para lograr un mejor rendimiento en lo que a aerodinámica respecta.
Pero, ¿cómo deducir una buena forma? Basándonos en las siguientes fotografías, obtenidas durante un experimento en el cual cuerpos con diferentes formas son expuestos a un flujo de viento. En esta ocasión sólo expondremos las fotografías de una esfera y una semiesfera, las que se muestran a continuación:
Comparando ambas figuras, podemos notar fácilmente que en el caso de la semiesfera la estela es notablemente mayor que para la esfera. Esto se traduce, como ya dijimos, en un mayor arrastre para la semiesfera. Si ponemos detallada atención en los puntos de separación para ambas figuras, se ve que en caso de la figura 1 este punto se encuentra más atrás que para el caso de la figura 2. Luego, podemos concluir que para lograr sustanciales disminuciones en el arrastre debido a la forma de los cuerpos tenemos que necesariamente retardar la separación del fluido.
Su formación está relacionada con la existencia de fuertes gradientes de velocidad en las fronteras y superficies por las cuales fluye un determinado fluido.
A su vez, sabemos que un flujo turbulento causa mayor fricción a una superficie expuesta a él, debido a que los gradientes de velocidad en las paredes del objeto aumentan gracias a la efectiva mezcla turbulenta de momento, energía y calor entre las partículas del mismo fluido a causa de los remolinos. Este aumento en los gradientes de velocidad es el causante del aumento de la fuerza de arrastre por parte del fluido. Es un hecho demostrado empíricamente que mientras menor sea la estela producida, menor será el arrastre debido a la forma del cuerpo. Por lo tanto, es de vital importancia tratar de reducir el tamaño de la estela para lograr un mejor rendimiento en lo que a aerodinámica respecta.
Pero, ¿cómo deducir una buena forma? Basándonos en las siguientes fotografías, obtenidas durante un experimento en el cual cuerpos con diferentes formas son expuestos a un flujo de viento. En esta ocasión sólo expondremos las fotografías de una esfera y una semiesfera, las que se muestran a continuación:
Comparando ambas figuras, podemos notar fácilmente que en el caso de la semiesfera la estela es notablemente mayor que para la esfera. Esto se traduce, como ya dijimos, en un mayor arrastre para la semiesfera. Si ponemos detallada atención en los puntos de separación para ambas figuras, se ve que en caso de la figura 1 este punto se encuentra más atrás que para el caso de la figura 2. Luego, podemos concluir que para lograr sustanciales disminuciones en el arrastre debido a la forma de los cuerpos tenemos que necesariamente retardar la separación del fluido.
La fuerza de Arrastre
Todo cuerpo que esté inmerso en la corriente de un fluido estará sometido a fuerzas y momentos de fuerzas que dependen de la forma y orientación con respecto al flujo. El arrastre es una fuerza mecánica, la cual para que exista, debe haber una interacción entre un cuerpo y el fluido en el cual se encuentra inmerso; debe haber un movimiento relativo entre el fluido y el cuerpo.
Efectos:
-Un efecto que produce arrastre es el de roce aerodinámico con la superficie llamado efecto piel entre las moléculas del aire y las de la superficie sólida. Una superficie muy suave y encerada produce menos arrastre por este efecto que una rugosa. A su vez este efecto depende de la magnitud de las fuerzas viscosas. A lo largo de la superficie se genera una capa de borde formada por moléculas de baja energía cinética y la magnitud de la fricción de piel depende de las características de esta capa.
-Otro efecto muy importante es el de arrastre de forma. La forma de un cuerpo produce una determinada distribución de las presiones debido a las velocidades locales. Integrando estas presiones sobre toda la superficie del cuerpo obtendremos la fuerza de arrastre.
Un cuerpo que se mueve en un fluido viscoso con velocidad constante debe estar sometido permanentemente a la acción de una fuerza. Para compensar el trabajo que sobre ella hace esta fuerza debe existir una disipación de energía. Esta resistencia que impide la aceleración del cuerpo se llama fuerza de arrastre. Es fundamentalmente la suma de dos fuerzas:
-La primera es la llamada arrastre de forma, que resulta de los gradientes de presión que se forman en las partes traseras y delanteras de los cuerpos.
- La segunda es la fricción de piel o arrastre viscoso; el origen de esta fuerza se encuentra en las fricciones internas del fluido combinadas por la evidencia experimental que el fluido en contacto con el cuerpo se encuentra en reposo. La moléculas casi en reposo cerca de la superficie frenan a otras que pasan cerca intercambiando momentum.
Efectos:
-Un efecto que produce arrastre es el de roce aerodinámico con la superficie llamado efecto piel entre las moléculas del aire y las de la superficie sólida. Una superficie muy suave y encerada produce menos arrastre por este efecto que una rugosa. A su vez este efecto depende de la magnitud de las fuerzas viscosas. A lo largo de la superficie se genera una capa de borde formada por moléculas de baja energía cinética y la magnitud de la fricción de piel depende de las características de esta capa.
-Otro efecto muy importante es el de arrastre de forma. La forma de un cuerpo produce una determinada distribución de las presiones debido a las velocidades locales. Integrando estas presiones sobre toda la superficie del cuerpo obtendremos la fuerza de arrastre.
Un cuerpo que se mueve en un fluido viscoso con velocidad constante debe estar sometido permanentemente a la acción de una fuerza. Para compensar el trabajo que sobre ella hace esta fuerza debe existir una disipación de energía. Esta resistencia que impide la aceleración del cuerpo se llama fuerza de arrastre. Es fundamentalmente la suma de dos fuerzas:
-La primera es la llamada arrastre de forma, que resulta de los gradientes de presión que se forman en las partes traseras y delanteras de los cuerpos.
- La segunda es la fricción de piel o arrastre viscoso; el origen de esta fuerza se encuentra en las fricciones internas del fluido combinadas por la evidencia experimental que el fluido en contacto con el cuerpo se encuentra en reposo. La moléculas casi en reposo cerca de la superficie frenan a otras que pasan cerca intercambiando momentum.
Comportamiento Aerodinámico de una bicicleta
Una persona que anda en bicicleta alcanza ciertas velocidades importantes desde el punto de vista de la resistencia que opone el viento al movimiento. Para comenzar el análisis consideraremos la condición donde el ciclista se mueve a cierta velocidad Vc suponiendo que el aire alrededor del ciclista está en reposo (no corren brisas de viento). Al entrar el ciclista en movimiento aparecen distintos factores que se oponen al movimiento, estos son:
-Fuerza de Roce pavimento-rueda.
-Fuerza Opuesta por el aire.
-Perdidas de energía por la ineficiencia de la bicicleta (rodamientos, sistemas internos a la bicicleta).
Fuerza Opuesta por el Aire
El ciclista al moverse choca contra esta masa de aire estática la que por su estado de inercia opone una cierta resistencia al de éste. Esta masa de aire choca contra todo el sistema ciclista-bicicleta produciendo una resistencia particular en cada uno de los elementos de éste, los elementos son:
1.-El ciclista
2.-Ruedas de la bicicleta
3.-Marco de la bicicleta(incluyendo asiento y manubrio)
Las variables que analizaremos para la determinación de la resistencia, serán:
-Presión
-Velocidad del ciclista
-Densidad del aire
El ciclista: El aire que pega frente al ciclista produce una cierta presión la que está dada por el área efectiva del ciclista, la velocidad que éste adquiere Vc y la densidad del aire ρ. La resistencia se debe a la diferencia de presiones entre la parte frontal y posterior del ciclista. Es importante notar que el área efectiva puede cambiar por la posición que éste tome, lo que hace variar la presión y a su vez la resistencia del aire. Por otro lado, los bordes del ciclista son una superficie rugosa (ropa, pelo) la que produce roce contra el viento originando de esta manera esfuerzos de corte ζ los que causan vórtices en la parte posterior del ciclista.
Marco de la bicicleta: El marco de la bicicleta y el tubo del asiento van cortando la capa de aire la cual se vuelve a juntar más adelante, esto produce una diferencia de presiones, y por ende una resistencia al movimiento.
Ruedas de la Bicicleta: Las ruedas producen, al igual que el marco, un corte en el flujo de aire. Principalmente es la rueda delantera la que produce una mayor resistencia, debido a los rayos. Los rayos de la bicicleta, al ser cilíndricos provocan un corte en el flujo de aire oponiendo resistencia, además de esto se producen turbulencias debido al movimiento continuo de estos.
-Fuerza de Roce pavimento-rueda.
-Fuerza Opuesta por el aire.
-Perdidas de energía por la ineficiencia de la bicicleta (rodamientos, sistemas internos a la bicicleta).
Fuerza Opuesta por el Aire
El ciclista al moverse choca contra esta masa de aire estática la que por su estado de inercia opone una cierta resistencia al de éste. Esta masa de aire choca contra todo el sistema ciclista-bicicleta produciendo una resistencia particular en cada uno de los elementos de éste, los elementos son:
1.-El ciclista
2.-Ruedas de la bicicleta
3.-Marco de la bicicleta(incluyendo asiento y manubrio)
Las variables que analizaremos para la determinación de la resistencia, serán:
-Presión
-Velocidad del ciclista
-Densidad del aire
El ciclista: El aire que pega frente al ciclista produce una cierta presión la que está dada por el área efectiva del ciclista, la velocidad que éste adquiere Vc y la densidad del aire ρ. La resistencia se debe a la diferencia de presiones entre la parte frontal y posterior del ciclista. Es importante notar que el área efectiva puede cambiar por la posición que éste tome, lo que hace variar la presión y a su vez la resistencia del aire. Por otro lado, los bordes del ciclista son una superficie rugosa (ropa, pelo) la que produce roce contra el viento originando de esta manera esfuerzos de corte ζ los que causan vórtices en la parte posterior del ciclista.
Marco de la bicicleta: El marco de la bicicleta y el tubo del asiento van cortando la capa de aire la cual se vuelve a juntar más adelante, esto produce una diferencia de presiones, y por ende una resistencia al movimiento.
Ruedas de la Bicicleta: Las ruedas producen, al igual que el marco, un corte en el flujo de aire. Principalmente es la rueda delantera la que produce una mayor resistencia, debido a los rayos. Los rayos de la bicicleta, al ser cilíndricos provocan un corte en el flujo de aire oponiendo resistencia, además de esto se producen turbulencias debido al movimiento continuo de estos.
Organización y funcionamiento del grupo de trabajo
Para poder llevar a cabo de buena manera el proyecto, nuestro grupo decidió trabajar todos juntos a la vez y no dividirnos las tareas, a la hora de investigar sobre nuestro proyecto; debido a que muchas veces algunos saben de un tema y otros saben de otras cosas, y la hora de poder encontrar soluciones nos atrasamos; esto fue de mucha utilidad a la hora de hacer la “lluvia de ideas”. Sin embargo hubo una división del trabajo en cuanto al proyecto como tal:
-Administrativamente, se han designado 2 cargos: jefe de grupo (Fernando Bustos) y webmaster (César O’ryan)
-Operativamente, se han asignado dos tareas fundamentales: gestión para uso de un túnel de viento (Juan Pablo Ramírez) e investigación de terreno de dispositivos ya implementados (Iván Ortiz)
A la hora de reunir información y asignar tareas individuales, nos repartimos los tres primeros puntos dados en la pauta (aerodinámica de una bicicleta, fuerza de arrastre y fenómenos de separación y aplicaciones en autos y motos) y las páginas propuestas en la página, para finalmente aplicar todo eso en la elaboración de soluciones para hacer las mediciones.
Una vez hecho lo anterior, los cuatro integrantes trabajarán juntos en la conformación de informes, experimentación, diseño y construcción del dispositivo a través de reuniones periódicas.
-Administrativamente, se han designado 2 cargos: jefe de grupo (Fernando Bustos) y webmaster (César O’ryan)
-Operativamente, se han asignado dos tareas fundamentales: gestión para uso de un túnel de viento (Juan Pablo Ramírez) e investigación de terreno de dispositivos ya implementados (Iván Ortiz)
A la hora de reunir información y asignar tareas individuales, nos repartimos los tres primeros puntos dados en la pauta (aerodinámica de una bicicleta, fuerza de arrastre y fenómenos de separación y aplicaciones en autos y motos) y las páginas propuestas en la página, para finalmente aplicar todo eso en la elaboración de soluciones para hacer las mediciones.
Una vez hecho lo anterior, los cuatro integrantes trabajarán juntos en la conformación de informes, experimentación, diseño y construcción del dispositivo a través de reuniones periódicas.
Identificación de Metas y Dificultades
Los principales problemas que nos enfrentaremos al estudiar y poder llevar a buen puerto nuestro proyecto, son poder determinar de manera exacta (con un margen de error aceptable), las variables que se encuentran presentes en nuestro problema. Como dijimos uno de los objetivos principales, es poder obtener un prototipo de tal manera de poder minimizar las pérdidas de energía que se originan en la bicicleta. A esto debemos agregar un problema que se presenta siempre a la hora de estudiar un sistema de ingeniería, que es poder desarrollar un sistema teórico el cual concuerde con los valores reales obtenidos de la práctica.
Al momento de estudiar y encontrar posibles soluciones a nuestro problema, nos debemos fijar en cómo calcular las variables que se nos presentan en el transcurso de nuestro proyecto, las cuales se pueden resumir en orden de complejidad:
-Estudiar cómo influye la geometría de contacto con el flujo.
-Obtener el valor de la fuerza de arrastre.
-Obtener los valores de las presiones que se originan en la superficie de contacto.
-Determinar las velocidades relativas entre el flujo y la bicicleta.
-Determinar un prototipo para la bicicleta.
Para ello, la primera meta que debemos estudiar, es cómo influye la geometría de un cuerpo cuando está en contacto con el aire, para así poder tener una idea o un posible prototipo para nuestro problema. Teniendo esta primera etapa completa, debemos encontrar una manera de poder determinar de manera teórica y real, el valor de la fuerza de arrastre que se origina en la bicicleta, que es la principal causa de perdida de energía que se produce. Para ello encontramos una manera de poder obtener dicha fuerza de manera teórica, para luego compararla con el valor real que obtendremos cuando probemos nuestro prototipo.
Luego se nos presenta el tema de las presiones, el cual es muy complicado de poder obtenerlo de manera real, es así como estudiamos la posibilidad de conseguirnos un Túnel de Viento en la Escuela Politécnica, de esta manera poder obtener valores exactos para distintos flujos. En cuanto a velocidad, dispondremos de un velocímetro en la bicicleta y así obtendremos el valor exacto de la velocidad, y poder determinar a la vez de manera teórica los valores de la fuerza de arrastre.
Finalmente cuando tengamos completados los puntos anteriores, podemos obtener o determinar el prototipo ideal que consideremos para poder minimizar las perdidas de energía. Sólo si tenemos estudiado la manera de poder determinar las variables, podemos llegar a la conclusión de cómo afecta realmente las fuerza que se origina entre un flujo y un cuerpo.
Al momento de estudiar y encontrar posibles soluciones a nuestro problema, nos debemos fijar en cómo calcular las variables que se nos presentan en el transcurso de nuestro proyecto, las cuales se pueden resumir en orden de complejidad:
-Estudiar cómo influye la geometría de contacto con el flujo.
-Obtener el valor de la fuerza de arrastre.
-Obtener los valores de las presiones que se originan en la superficie de contacto.
-Determinar las velocidades relativas entre el flujo y la bicicleta.
-Determinar un prototipo para la bicicleta.
Para ello, la primera meta que debemos estudiar, es cómo influye la geometría de un cuerpo cuando está en contacto con el aire, para así poder tener una idea o un posible prototipo para nuestro problema. Teniendo esta primera etapa completa, debemos encontrar una manera de poder determinar de manera teórica y real, el valor de la fuerza de arrastre que se origina en la bicicleta, que es la principal causa de perdida de energía que se produce. Para ello encontramos una manera de poder obtener dicha fuerza de manera teórica, para luego compararla con el valor real que obtendremos cuando probemos nuestro prototipo.
Luego se nos presenta el tema de las presiones, el cual es muy complicado de poder obtenerlo de manera real, es así como estudiamos la posibilidad de conseguirnos un Túnel de Viento en la Escuela Politécnica, de esta manera poder obtener valores exactos para distintos flujos. En cuanto a velocidad, dispondremos de un velocímetro en la bicicleta y así obtendremos el valor exacto de la velocidad, y poder determinar a la vez de manera teórica los valores de la fuerza de arrastre.
Finalmente cuando tengamos completados los puntos anteriores, podemos obtener o determinar el prototipo ideal que consideremos para poder minimizar las perdidas de energía. Sólo si tenemos estudiado la manera de poder determinar las variables, podemos llegar a la conclusión de cómo afecta realmente las fuerza que se origina entre un flujo y un cuerpo.
Definición del proyecto y Etapa de Diseño
Este semestre, en el curso de Mecánica de Fluidos, nos toco estudiar el comportamiento que tiene una bicicleta con respecto a las fuerzas que se originan en ella, por el contacto que tiene ésta con el aire.
Por ello, el principal problema al cual nos enfrentamos es medir de forma cuantitativa, las fuerzas que se producen en la bicicleta, ya sea fuerzas de arrastre ocasionadas por el viento, como también ver de que manera podemos disminuir dicha fuerza. Así, debemos entender cuales son las fuerzas que se encuentran presentes en nuestro problema, estudiarlas, y poder encontrar una manera o un sistema, para poder determinarlas y poder minimizarlas lo máximo posible. Al estudiar el problema, nos damos cuenta que nos encontramos frente a muchas variables que influyen en nuestro cuerpo, tales como la velocidad a la cual se encuentra sometida nuestra bicicleta, las presiones que se producen por el contacto del flujo (aire) y el cuerpo, las fuerza de arrastre que se origina, etc.
Para enfrentar este problema estudiaremos los distintos fenómenos presentados en la bicicleta y otros móviles de manera individual, para que a a través de reuniones grupales se logre una retroalimentación de los contenidos y una cierta diversidad de soluciones de manera a encontrar la mejor solución para dicho problema.
Es así como nuestro objetivo se basa principalmente en poder determinar dichas variables de manera cuantitativa, las cuales son las que influyen directamente en nuestra bicicleta, y a la vez poder determinar un prototipo que se le agregue a la bicicleta, de tal manera de poder disminuir cualquier perdida de energía que se origine en ésta, tal como la fuerza de arrastre, la cual será explicada mas adelante.
Por ello, el principal problema al cual nos enfrentamos es medir de forma cuantitativa, las fuerzas que se producen en la bicicleta, ya sea fuerzas de arrastre ocasionadas por el viento, como también ver de que manera podemos disminuir dicha fuerza. Así, debemos entender cuales son las fuerzas que se encuentran presentes en nuestro problema, estudiarlas, y poder encontrar una manera o un sistema, para poder determinarlas y poder minimizarlas lo máximo posible. Al estudiar el problema, nos damos cuenta que nos encontramos frente a muchas variables que influyen en nuestro cuerpo, tales como la velocidad a la cual se encuentra sometida nuestra bicicleta, las presiones que se producen por el contacto del flujo (aire) y el cuerpo, las fuerza de arrastre que se origina, etc.
Para enfrentar este problema estudiaremos los distintos fenómenos presentados en la bicicleta y otros móviles de manera individual, para que a a través de reuniones grupales se logre una retroalimentación de los contenidos y una cierta diversidad de soluciones de manera a encontrar la mejor solución para dicho problema.
Es así como nuestro objetivo se basa principalmente en poder determinar dichas variables de manera cuantitativa, las cuales son las que influyen directamente en nuestra bicicleta, y a la vez poder determinar un prototipo que se le agregue a la bicicleta, de tal manera de poder disminuir cualquier perdida de energía que se origine en ésta, tal como la fuerza de arrastre, la cual será explicada mas adelante.
martes, 24 de abril de 2007
Bienvenido!
Bienvenido a la pagina del grupo 25.
Con el trascurso del tiempo y el progreso de la tecnología se han ido implementando diseños a artefactos que alcanzan grandes velocidades(ej. autos de formula 1, motos), de manera a lograr mayores velocidades para una misma energía aplicada. De esta manera nos remontamos a la bicicleta, que a pesar de no alcanzar altas velocidades como una moto o la mayoría de los vehículos, la pérdida de energía se hace significante para la velocidad que esta puede alcanzar, así nos concentraremos en el diseño de este artefacto, de manera a mejorar sus condiciones aerodinámicas.
Integrantes:
-Iván Ortiz
-Fernando Bustos
-Juan Pablo Ramirez
-Cesar O'Ryan.
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