Quienes somos...
Nuestro grupo está compuesto por Romina Álvarez, Javiera Correa, Daniel Harambillet y Christian Gonazález. Para trabajar de manera más organizada nos hemos designados responsabilidades oficiales:
- Javiera Correa: Dirección de Contrucción de Dispositivo.
- Romina Álvarez: Investigadora de Soluciones.
- Daniel Harambillet: Probador de Soluciones.
- Christian González: Administrador del Blog.
- Javiera Correa: Dirección de Contrucción de Dispositivo.
- Romina Álvarez: Investigadora de Soluciones.
- Daniel Harambillet: Probador de Soluciones.
- Christian González: Administrador del Blog.
RESUMEN EJECUTIVO
Principales Resultados del Proyecto
Utilizando el dispositivo aumentamos la velocidad de la bicicleta en 0.4 m/sg, mientras que su coeficiente de arrastre disminuyó en 0,00022. El cambio con dispositivo es favorable (la bicicleta es realmente es más rápida), aunque no es significativo. Las mediciones fueron realizadas andando en bicicleta a lo largo de 100m (2 veces, con y sin dispositivo) intentando mantener una velocidad constante. En ambos casos se registró el tiempo (tiempo (sg): c/disp:13.75 ; s/disp:14.58). Para diseñar el dispositivo se tuvo en mente las restricciones impuestas. Esto a veces generó inconvenientes, puesto que, por ejemplo, costó encontrar una posición de instalación del dispositivo para que, ya en funcionamiento, no moleste al ciclista cuando pedalea. Competencias y Habilidades Desarrolladas
Con la realización de este proyecto hemos aprendido a trabajar mejor en equipo. Como se trata de un proyecto técnico, todos tuvimos que estar presentes en la toma de mediciones (ciclista, cronómetro, y ayudantes de colocación y análisis en terreno del comportamiento del dispositivo). Los conocimientos adquiridos en este curso nos permitieron deducir la fórmula de la fuerza de roce con el aire para el caso. Conocimientos previos al curso nos permitieron tomar las medidas de velocidad. Fue necesario investigar sobre el coeficiente de roce, el cual se calcula con el número de Reynolds.
Utilizando el dispositivo aumentamos la velocidad de la bicicleta en 0.4 m/sg, mientras que su coeficiente de arrastre disminuyó en 0,00022. El cambio con dispositivo es favorable (la bicicleta es realmente es más rápida), aunque no es significativo. Las mediciones fueron realizadas andando en bicicleta a lo largo de 100m (2 veces, con y sin dispositivo) intentando mantener una velocidad constante. En ambos casos se registró el tiempo (tiempo (sg): c/disp:13.75 ; s/disp:14.58). Para diseñar el dispositivo se tuvo en mente las restricciones impuestas. Esto a veces generó inconvenientes, puesto que, por ejemplo, costó encontrar una posición de instalación del dispositivo para que, ya en funcionamiento, no moleste al ciclista cuando pedalea. Competencias y Habilidades Desarrolladas
Con la realización de este proyecto hemos aprendido a trabajar mejor en equipo. Como se trata de un proyecto técnico, todos tuvimos que estar presentes en la toma de mediciones (ciclista, cronómetro, y ayudantes de colocación y análisis en terreno del comportamiento del dispositivo). Los conocimientos adquiridos en este curso nos permitieron deducir la fórmula de la fuerza de roce con el aire para el caso. Conocimientos previos al curso nos permitieron tomar las medidas de velocidad. Fue necesario investigar sobre el coeficiente de roce, el cual se calcula con el número de Reynolds.
DEFINICIÓN DEL PROYECTO Y PROCESO DE DISEÑO
Con el fin de aportar en buena manera en el rendimiento de una bicicleta, se concursa en diseñar y construir un prototipo de un elemento que permita mejorar las condiciones aerodinámicas de esta bicicleta, de acuerdo a restricciones y reglas del concurso acorde a dimensiones, uso y presupuesto. Este elemento debe ser de fácil implementación, que pueda agregarse y retirarse de la bicicleta sin modificarla. Debe mantenerse sin intervención y con comodidad para el usuario mientras la bicicleta está en movimiento. Luego, debe ser probado experimentalmente, para así medir la diferencia que se produce en la fuerza de arrastre, entre el elemento propuesto y la bicicleta original.
La metodología o proceso de diseño contempla los siguientes pasos; 1- Definición del problema.
2- Recolección de información.
3- Análisis. Interpretación y organización de la información (segunda definición del problema).
4- Determinación de objetivos; estudio de alcance.
5- Creatividad.
6- Especificaciones; materiales – tecnología.
7- Desarrollo de anteproyecto.
8- Experimentación.
9- Verificación.
10- Solución.
El rendimiento de una bicicleta es afectado por dos resistencias, la aerodinámica: resistencia de presión (o forma), y la resistencia de fricción. La de presión se da cuando el flujo de aire no logra adaptarse al contorno del objeto que se mueve, produciendo separación del aire, en donde la distribución de presiones varía sobre el objeto. En este caso, esta se produce en la parte de atrás de la bicicleta, en donde la presión del aire es menor que en la superficie delantera, provocando resistencia. La resistencia de fricción se debe a la viscosidad del aire. Los objetos con formas romos (cilindros, esferas, etc.) no son aerodinámicas, dado que el flujo de aire se separa de ellas, formándose zonas de baja presión detrás de estos objetos, provocando la resistencia de presión. Lo contrario se ve en los objetos con formas aerodinámicas, donde el aire fluye suavemente, cerrándose detrás del objeto.
En los vehículos, para lograr una eficiencia máxima, deben diseñarse minimizando la transferencia de energía con el aire debida a estas dos resistencia. Con las actuales tecnologías, la resistencia aerodinámica absorbe del 40 al 50 % de la energía del combustible consumido por el vehículo a 88 kilómetros por hora.
El coeficiente de resistencia da el rendimiento aerodinámico de un perfil. Un perfil ineficiente, como una esfera, tendrá un coeficiente de 1,3 mientras que una forma aerodinámica, la de una gota, tendrá uno menor de 0,1. En los vehículos terrestres, la resistencia aerodinámica es, casi, directamente proporcional al producto del área frontal con el coeficiente de resistencia. Para saber cuál de los vehículos tiene menor resistencia aerodinámica, no basta comparar sus coeficientes, sino también hay que tener en cuento el tamaño del vehículo.
Dado a que la reducción de la resistencia aerodinámica tiene un gran efecto en el aumento de la velocidad, podemos reducir nuestro problema a diseñar y construir un prototipo del elemento en cuestión, bajo el concepto de reducir esta resistencia aerodinámica.
Para ello se puede reducir la cantidad de energía transferida en la interacción del vehículo con el aire. Esto se hace perfilando el frente y la parte de atrás de los objetos romos para minimizar la resistencia a la presión, es decir, evitando la separación del aire y disminuyendo el área frontal del sistema bicicleta-usuario. En cuanto a la resistencia a fricción, se suavizaran las superficies rugosas.
La resistencia aerodinámica es producto del choque de las moléculas que componen el aire, que al chocar cambia su cantidad de movimiento y ejerce una fuerza normal a la superficie. Cuanto mayor sea la velocidad a la que se desplace el ciclista mayor variación sufrirá la cantidad de movimiento de las moléculas y mayor será la fuerza normal que ejerzan.
¿Cómo medir en una situación real?
- FArrastre es la fuerza total que hace el fluido en movimiento sobre cuerpos sumergidos en él. Debido a la separación del fluido (aire), cerca de la pared, las fuerzas predominantes son las de presión (resistencia de forma). Así, para disminuir la fuerza de arrastre sobre los cuerpos que deben moverse en un fluido, se debe evitar que se produzca separación, es decir, la fuerza de forma debe ser mínima.
FArrastre = FFriccón + FForma
Donde F-fricción = esfuerzos de corte
Donde F-forma = esfuerzos normales sobre la sup.
luego, de la ecuación de cantidad de movimiento (flujo permanente)
ΣF + W = ∫ρ V V n ds con ρ y V constantes en la sección
ΣF + W = ρ V ∫V n ds = ρ V Q = ρ V Q β
así FForma = ΣF
La metodología o proceso de diseño contempla los siguientes pasos; 1- Definición del problema.
2- Recolección de información.
3- Análisis. Interpretación y organización de la información (segunda definición del problema).
4- Determinación de objetivos; estudio de alcance.
5- Creatividad.
6- Especificaciones; materiales – tecnología.
7- Desarrollo de anteproyecto.
8- Experimentación.
9- Verificación.
10- Solución.
El rendimiento de una bicicleta es afectado por dos resistencias, la aerodinámica: resistencia de presión (o forma), y la resistencia de fricción. La de presión se da cuando el flujo de aire no logra adaptarse al contorno del objeto que se mueve, produciendo separación del aire, en donde la distribución de presiones varía sobre el objeto. En este caso, esta se produce en la parte de atrás de la bicicleta, en donde la presión del aire es menor que en la superficie delantera, provocando resistencia. La resistencia de fricción se debe a la viscosidad del aire. Los objetos con formas romos (cilindros, esferas, etc.) no son aerodinámicas, dado que el flujo de aire se separa de ellas, formándose zonas de baja presión detrás de estos objetos, provocando la resistencia de presión. Lo contrario se ve en los objetos con formas aerodinámicas, donde el aire fluye suavemente, cerrándose detrás del objeto.
En los vehículos, para lograr una eficiencia máxima, deben diseñarse minimizando la transferencia de energía con el aire debida a estas dos resistencia. Con las actuales tecnologías, la resistencia aerodinámica absorbe del 40 al 50 % de la energía del combustible consumido por el vehículo a 88 kilómetros por hora.
El coeficiente de resistencia da el rendimiento aerodinámico de un perfil. Un perfil ineficiente, como una esfera, tendrá un coeficiente de 1,3 mientras que una forma aerodinámica, la de una gota, tendrá uno menor de 0,1. En los vehículos terrestres, la resistencia aerodinámica es, casi, directamente proporcional al producto del área frontal con el coeficiente de resistencia. Para saber cuál de los vehículos tiene menor resistencia aerodinámica, no basta comparar sus coeficientes, sino también hay que tener en cuento el tamaño del vehículo.
Dado a que la reducción de la resistencia aerodinámica tiene un gran efecto en el aumento de la velocidad, podemos reducir nuestro problema a diseñar y construir un prototipo del elemento en cuestión, bajo el concepto de reducir esta resistencia aerodinámica.
Para ello se puede reducir la cantidad de energía transferida en la interacción del vehículo con el aire. Esto se hace perfilando el frente y la parte de atrás de los objetos romos para minimizar la resistencia a la presión, es decir, evitando la separación del aire y disminuyendo el área frontal del sistema bicicleta-usuario. En cuanto a la resistencia a fricción, se suavizaran las superficies rugosas.
La resistencia aerodinámica es producto del choque de las moléculas que componen el aire, que al chocar cambia su cantidad de movimiento y ejerce una fuerza normal a la superficie. Cuanto mayor sea la velocidad a la que se desplace el ciclista mayor variación sufrirá la cantidad de movimiento de las moléculas y mayor será la fuerza normal que ejerzan.
¿Cómo medir en una situación real?
- FArrastre es la fuerza total que hace el fluido en movimiento sobre cuerpos sumergidos en él. Debido a la separación del fluido (aire), cerca de la pared, las fuerzas predominantes son las de presión (resistencia de forma). Así, para disminuir la fuerza de arrastre sobre los cuerpos que deben moverse en un fluido, se debe evitar que se produzca separación, es decir, la fuerza de forma debe ser mínima.
FArrastre = FFriccón + FForma
Donde F-fricción = esfuerzos de corte
Donde F-forma = esfuerzos normales sobre la sup.
luego, de la ecuación de cantidad de movimiento (flujo permanente)
ΣF + W = ∫ρ V V n ds con ρ y V constantes en la sección
ΣF + W = ρ V ∫V n ds = ρ V Q = ρ V Q β
así FForma = ΣF
IDENTIFICACIÓN DE METAS Y DIFICULTADES
Con la meta de mejorar el rendimiento de una bicicleta, las metas y dificultades para llevar a cabo el proyecto recaen en:
-la materialización del diseño de la idea escogida.
-la forma de medir en la realidad la teoría aplicada.
Las variables en cuestión son la velocidad, la fuerza de arrastre, la fricción, el peso, todo de acuerdo a un área de superficie.
-que el prototipo diseñado cumpla en la realidad con los objetivos del problema.
Debemos obtener estos datos para la bicicleta original, y luego, manteniendo el mismo volumen de control, en las mismas condiciones, para la bicicleta con el prototipo del elemento diseñado. En estos últimos resultados deberíamos obtener un mayor rendimiento en la bicicleta con el dispositivo. Las etapas para poder llevar a cabo estas metas serán, de acuerdo a la metodología o proceso de diseño señalado:
-Creatividad: donde daremos las posibles soluciones, y optaremos por la que cumpla mejor los objetivos.
-Especificaciones: de los materiales y del diseño escogido.
-Desarrollo de anteproyecto: materialización del prototipo.
-Experimentación: donde se realizaran las pruebas para obtener los datos de la bicicleta con el dispositivo.
-Verificación: que los datos obtenidos en la experimentación satisfagan los objetivos esperados.
-Solución: presentar el prototipo como la solución al problema de mejorar el rendimiento de una bicicleta de acuerdo a las especificaciones dadas.
-la materialización del diseño de la idea escogida.
-la forma de medir en la realidad la teoría aplicada.
Las variables en cuestión son la velocidad, la fuerza de arrastre, la fricción, el peso, todo de acuerdo a un área de superficie.
-que el prototipo diseñado cumpla en la realidad con los objetivos del problema.
Debemos obtener estos datos para la bicicleta original, y luego, manteniendo el mismo volumen de control, en las mismas condiciones, para la bicicleta con el prototipo del elemento diseñado. En estos últimos resultados deberíamos obtener un mayor rendimiento en la bicicleta con el dispositivo. Las etapas para poder llevar a cabo estas metas serán, de acuerdo a la metodología o proceso de diseño señalado:
-Creatividad: donde daremos las posibles soluciones, y optaremos por la que cumpla mejor los objetivos.
-Especificaciones: de los materiales y del diseño escogido.
-Desarrollo de anteproyecto: materialización del prototipo.
-Experimentación: donde se realizaran las pruebas para obtener los datos de la bicicleta con el dispositivo.
-Verificación: que los datos obtenidos en la experimentación satisfagan los objetivos esperados.
-Solución: presentar el prototipo como la solución al problema de mejorar el rendimiento de una bicicleta de acuerdo a las especificaciones dadas.
ORGANIZACIÓN Y FUNCIONAMIENTO DEL GRUPO DE TRABAJO
Los objetivos del proyecto, que esperamos cumplir, se esperan resolver y llevar a cabo de acuerdo a la metodología o proceso de diseño descrito en un comienzo, que nos permitirá cumplir con el desafío dentro de los plazos estipulados. Para esto, el grupo se organizará delegando responsabilidades y tareas específicas asignadas a cada miembro, de acuerdo a las actividades restantes a realizar, una vez ya definido el problema y analizado la información recopilada. Estas actividades restantes son:
-Creatividad: en donde se usará “Brainstorming” de ideas con el fin dea obtener un diseño del elemento, de acuerdo a las especificaciones técnicas y los objetivos planteados.
-Especificaciones; materiales – tecnología: en donde una vez ya seleccionada la alternativa, se darán las especificaciones del elemento, que cumplen con las técnicas y objetivos planteados, los materiales y tecnología a ocupar.
-Desarrollo de anteproyecto: se confeccionará la materialización del elemento según las especificaciones ya descritas.
-Experimentación: se llevará a cabo una prueba del elemento en la realidad, y se recopilarán los valores entregados por esta experimentación.
-Verificación: se verificará que los datos obtenidos en la experimentación satisfagan la teoría aplicada y los valores esperados. Si no satisfacen, se analizan los errores y su solución.
-Solución: una vez llevado a cabo la experimentación y verificación, dando resultados óptimos, se presenta el elemento diseñado como la solución al problema.
Responsabilidades y tareas específicas asignada a cada integrante:
Christian González: asumirá el rol de la administración del blog.
Javiera Correa: constructora formal de la bicicleta.
Daniel Harambillet: probar los diferentes métodos de eficiencia para rechazar o aceptar las diferentes ideas.
Romina Álvarez: investigadora de soluciones aerodinámicas.
Fortalezas y debilidades en el funcionamiento del grupo; el trabajo en grupo confiere grandes responsabilidades a cada uno de los integrantes, puesto que la falla de uno es una debilidad para todos. La fortaleza, eficiencia y capacidad del grupo de cumplir con los objetivos, será tal que iguale a la irresponsabilidad de cualquier integrante. Nuestras debilidades están bajo la dificultad de encontrar un horario adecuado a cada integrante para trabajar en el prototipo, siendo fundamental la organización y cumplimiento de las tareas asignadas a cada uno. La irresponsabilidad de algún integrante afecta directamente, y atrasa el plan de trabajo, y así, la realización del prototipo.
-Creatividad: en donde se usará “Brainstorming” de ideas con el fin dea obtener un diseño del elemento, de acuerdo a las especificaciones técnicas y los objetivos planteados.
-Especificaciones; materiales – tecnología: en donde una vez ya seleccionada la alternativa, se darán las especificaciones del elemento, que cumplen con las técnicas y objetivos planteados, los materiales y tecnología a ocupar.
-Desarrollo de anteproyecto: se confeccionará la materialización del elemento según las especificaciones ya descritas.
-Experimentación: se llevará a cabo una prueba del elemento en la realidad, y se recopilarán los valores entregados por esta experimentación.
-Verificación: se verificará que los datos obtenidos en la experimentación satisfagan la teoría aplicada y los valores esperados. Si no satisfacen, se analizan los errores y su solución.
-Solución: una vez llevado a cabo la experimentación y verificación, dando resultados óptimos, se presenta el elemento diseñado como la solución al problema.
Responsabilidades y tareas específicas asignada a cada integrante:
Christian González: asumirá el rol de la administración del blog.
Javiera Correa: constructora formal de la bicicleta.
Daniel Harambillet: probar los diferentes métodos de eficiencia para rechazar o aceptar las diferentes ideas.
Romina Álvarez: investigadora de soluciones aerodinámicas.
Fortalezas y debilidades en el funcionamiento del grupo; el trabajo en grupo confiere grandes responsabilidades a cada uno de los integrantes, puesto que la falla de uno es una debilidad para todos. La fortaleza, eficiencia y capacidad del grupo de cumplir con los objetivos, será tal que iguale a la irresponsabilidad de cualquier integrante. Nuestras debilidades están bajo la dificultad de encontrar un horario adecuado a cada integrante para trabajar en el prototipo, siendo fundamental la organización y cumplimiento de las tareas asignadas a cada uno. La irresponsabilidad de algún integrante afecta directamente, y atrasa el plan de trabajo, y así, la realización del prototipo.
ELABORACIÓN DE SOLUCIONES
En esta parte se usará el concepto de “Brainstorming” de ideas para obtener un diseño del prototipo del elemento, que permitirá cumplir con las especificaciones técnicas y los objetivos planteados. Las ideas obtenidas son:
Disminuir la fuerza de arrastre sobre los cuerpos que deben moverse en un fluido, para ello, se debe evitar que se produzca separación, es decir, la fuerza de forma debe ser mínima.
– Alternativa 1: Perfilar el frente y la parte de atrás de los objetos romos para minimizar la resistencia a la presión. De la información recopilada y analizada se extrae que la forma de una gota tiene un coeficiente de resistencia del orden de 0,1, el cual se relaciona con rendimiento aerodinámico mayor que otras formas romas, luego utilizaremos esta forma en nuestro prototipo.
– Alternativa 2: disminuir el área frontal del sistema bicicleta-usuario.
Medición de las fuerzas de arrastre.
– Alternativa 1: mantener a un usuario definido como modelo para mantener el peso del sistema bicicleta-usuario constante. Debemos calcular la resistencia de fricción, la cual permanecerá constante para el caso de la bicicleta original y para el caso de la bicicleta con el prototipo, para ello el lugar de prueba debe ser el mismo para ambos casos. Y de acuerdo a esto, se debe medir la velocidad dentro de este sistema de control definido.
– Alternativa 2: usar un lugar con gran pendiente constante, ejemplo cerro, para que las fuerzas aplicadas en la bicicleta sean las mismas, es decir, no pedalear durante el descenso de la cuesta, midiendo el tiempo con y sin el dispositivo desde un punto A hasta un punto B.
Disminuir la fuerza de arrastre sobre los cuerpos que deben moverse en un fluido, para ello, se debe evitar que se produzca separación, es decir, la fuerza de forma debe ser mínima.
– Alternativa 1: Perfilar el frente y la parte de atrás de los objetos romos para minimizar la resistencia a la presión. De la información recopilada y analizada se extrae que la forma de una gota tiene un coeficiente de resistencia del orden de 0,1, el cual se relaciona con rendimiento aerodinámico mayor que otras formas romas, luego utilizaremos esta forma en nuestro prototipo.
– Alternativa 2: disminuir el área frontal del sistema bicicleta-usuario.
Medición de las fuerzas de arrastre.
– Alternativa 1: mantener a un usuario definido como modelo para mantener el peso del sistema bicicleta-usuario constante. Debemos calcular la resistencia de fricción, la cual permanecerá constante para el caso de la bicicleta original y para el caso de la bicicleta con el prototipo, para ello el lugar de prueba debe ser el mismo para ambos casos. Y de acuerdo a esto, se debe medir la velocidad dentro de este sistema de control definido.
– Alternativa 2: usar un lugar con gran pendiente constante, ejemplo cerro, para que las fuerzas aplicadas en la bicicleta sean las mismas, es decir, no pedalear durante el descenso de la cuesta, midiendo el tiempo con y sin el dispositivo desde un punto A hasta un punto B.
ALTERNATIVA SELECCIONADA Y PLAN DE TRABAJO
Tras analizar las soluciones planteadas, la mejor opción de diseño es: para evitar separación, una buena alternativa sería combinar las ideas. Así, configuraremos un elemento que confiera una forma aerodinámica adelante y atrás, para que no cause separación del aire, cuidando que el área frontal de la bicicleta con el usuario sea mínima. La forma de obtener los datos serán de acuerdo a la alternativa 1 presentada para medir la fuerza de arrastre, la alternativa 2, la usaremos para medir la eficiencia, en condiciones normales.
– Una descripción física del diseño previsto: el material ha usar será plumavit de alta densidad, con el cual se perfilará la forma aerodinámica, la de una gota.
– Plan de trabajo final: de acuerdo a esto, la distribución de tareas y tiempo serán de acuerdo a lo previsto en el punto Organización y Funcionamiento del trabajo.
– Una descripción física del diseño previsto: el material ha usar será plumavit de alta densidad, con el cual se perfilará la forma aerodinámica, la de una gota.
– Plan de trabajo final: de acuerdo a esto, la distribución de tareas y tiempo serán de acuerdo a lo previsto en el punto Organización y Funcionamiento del trabajo.
IMPLEMENTACIÓN
Suponiendo que realicemos nuevamente este proyecto, y cambiando algunas condiciones, el dispositivo lo crearíamos con plástico (idealmente transparente, por razones de visibilidad). Esto es por que es más fácil trabajarlo (darle forma deseada). Con el plumavit se tuvo problemas para cortarlo y obtener la forma deseada (se cortó con alambre caliente y corta cartón)
-Cronología
El corte del plumavit lo realizamos entre todos los integrantes del grupo alternadamente, para no hacer tan tediosa esta tarea. Esto nos tomó 7 horas en total.
La implementacion de los soportes del dispositivo se realizó con alambre y fue construida por Christian González y Javiera Correa quienes se demoraron 5 horas en hacerlo. (nota: los tiempos de construcción no son continuos)
-Costos
El único gasto que tuvimos fue el alambre para los soportes y para cortar la plumavit (su costo es despreciable).
-Cronología
El corte del plumavit lo realizamos entre todos los integrantes del grupo alternadamente, para no hacer tan tediosa esta tarea. Esto nos tomó 7 horas en total.
La implementacion de los soportes del dispositivo se realizó con alambre y fue construida por Christian González y Javiera Correa quienes se demoraron 5 horas en hacerlo. (nota: los tiempos de construcción no son continuos)
-Costos
El único gasto que tuvimos fue el alambre para los soportes y para cortar la plumavit (su costo es despreciable).
Conclusión...
La fuerza de arrastre de la bicicleta con el dispositivo es mayor que la fuerza de arrastre de la bicicleta sin el dispositivo, lo cual nos indica un mejora en la eficiencia de la bicicleta.