El objetivo principal de este proyecto consiste en la modificación aerodinámica de una bicicleta por medio de la implementación de un dispositivo de plumavit alterado dimensionalmente, en otras palabras, buscamos modificar la resistencia que impone el aire, como fluido de referencia, sobre una bicicleta, cuando ésta se desplaza unidireccionalmente a una velocidad determinada (constante o variante). Como resultados generales se espera lograr dicho efecto sobre la bicicleta (disminuyendo la resistencia que impone el aire y maximizando el efecto de la potencia entregada por el ciclista a la bicicleta propiamente tal) y poder estudiar y comprender, gracias a la experimentación, los fenómenos de la mecánica de fluidos relacionados con la aerodinámica.
Para llevar a cabo dicho objetivo, tendremos que estudiar diseños usados en la actualidad en diferentes medios de transportes, innovarlos e implementarlos en nuestro objeto de prueba (la bicicleta).
Nuestra metodología de diseño se basará en la optimización de la potencia entregada por el ciclista a la bicicleta por medio de la implementación del dispositivo mencionado anteriormente. Para esto, nos apoyamos teóricamente de la expresión que define la resistencia que impondría el aire ante el desplazamiento continuo o variado del vehículo:
Donde:
FR = Resistencia que impone el aire.
ρ = Peso específico del fluido.
V = Velocidad.
S = Superficie frontal.
CR = Coeficiente aerodinámico de resistencia.
El experimento consistirá en medir el tiempo que se demora un ciclista en descender una pendiente con inclinación α, una distancia d, y partiendo con velocidad 0. La idea es realizar dos experiencias, una sin el dispositivo, y la otra con el dispositivo, para llevar a cabo las mediciones correspondientes y compararlas.
Nuestros cálculos estarán enfocados en la determinación de los coeficientes aerodinámicos de resistencia de ambas experiencias, por lo que necesitaremos hacer varias repeticiones en cada una de ellas para estimar lo mejor posible dicho coeficiente.
Usando la segunda ley de newton, una ecuación de movimiento uniformemente acelerado, y la ecuación para la fuerza de arrastre mencionada anteriormente podemos llegar a la expresión que necesitamos:
Juntando (1) con (2):
(La primera expresión de la izquierda corresponde a la componente del peso que influye en el desplazamiento unidireccional del ciclista)
Y reemplazando la ecuación (3), que es la velocidad en el punto Xf mostrada en la figura 1, y que será la que tomemos para el cálculo del coeficiente aerodinámico en todas las mediciones que hagamos en cada una de las experiencias:
Luego despejamos y llegamos a la siguiente expresión para el coeficiente aerodinámico de resistencia:
Donde:
CR = Coeficiente aerodinámico de resistencia.
m = masa del conjunto ciclista-bicicleta.
α = ángulo de inclinación de la pendiente.
a = aceleración que lleva el ciclista.
S = superficie frontal del conjunto ciclista-bicicleta.
g = aceleración de gravedad.
d = distancia de la pendiente (Xf – Xi según la figura 1).
Para el cálculo de la aceleración haremos uso de la siguiente relación cinemática:
Donde:
a = aceleración.
t = tiempo.
d = distancia.
Y finalmente si reemplazamos (8) en (6), la expresión para el cálculo del coeficiente será la siguiente:
A continuación, la figura 1 muestra un esquema de la experiencia:
De esta forma obtendremos el coeficiente aerodinámico de resistencia para la bicicleta con y sin dispositivo, y podremos comparar.
Es importante destacar que la pieza destinada a modificar dimensionalmente (plumavit) no es muy accesible desde el punto de vista económico, por lo que es de vital importancia elegir bien el diseño y así comprobar efectivamente la diferencia que causa la implementación del dispositivo.
