La convexidad y concavidad de las palas en el Aerogenerador Bipala

 

Gabriel Saitua

2025

Sobre Vórtices y Hélices

Vórtices y Hélices

Gabriel Saitua, 2025

Sobre los Vórtices

Pero, qué es un vórtice?

Un vórtice es una región dentro de un fluido, líquido o gas, donde el flujo gira alrededor de un eje, el cual puede ser recto o curvo.

Se encuentran en gran variedad de situaciones, desde los remolinos en el agua, a tornados en la atmósfera.

La formación de los vórtices puede deberse a una variedad de factores, como la fricción, la turbulencia y la interacción entre los flujos de un fluido.

 Un ejemplo es la formación de vórtices detrás de un objeto que se mueve a través de un fluido.

 El movimiento de los vórtices está influenciado por la velocidad del fluido circundante, la presencia de otros vórtices y las fuerzas externas.

 Los vórtices pueden interactuar entre sí de forma compleja, fusionándose, separándose o influyendo entre sí en la distancia. La interacción entre vórtices supone un aspecto importante en el estudio de las turbulencias.

 Vibración inducida por vórtices

 Se trata de un fenómeno que ocurre cuando un fluido fluye alrededor de un objeto, generando vórtices que de desprenden de forma alterna.

Estos vórtices generan fuerzas que pueden hacer vibrar el objeto, lo que tiene importantes implicaciones en ingeniería, especialmente en estructuras marinas y en puentes.

La cinemática de los vórtices, representa un campo fascinante en la mecánica de fluidos, la cual que se dedica a estudiar el movimiento y la evolución de los vórtices. 

Aplicaciones de los vórtices

La cinemática de los vórtices tiene aplicaciones en diversos campos, tales como la aerodinámica, metereología, oceoanografía e ingeniería.

En aerodinámica se aplica en el estudio del flujo aéreo alrededor de aviones y otros vehículos... como una bicicleta.

 Sobre los Vórtices y las Hélices

Su relación resulta fundamental en el estudio de la dinámica de fluidos, especialmente en aplicaciones de ingeniería, en aeronáutica y propulsión marina.

Generación de vórtices por hélices

Vórtices de punta de pala

Las hélices de los aviones, barcos y turbinas generan vórtices en las puntas de sus alas, debido a la diferencia de presión entre la cara superior e inferior de la pala. Los vórtices de punta de pala pueden generar resistencia y reducir la eficiencia de la hélice.

Estela de vórtices

A medida que una hélice gira, genera una estela de vórtices detrás de ella. Esta estela puede generar vibraciones o ruido.

Influencia en el rendimiento

Los vórtices pueden tener un impacto significativo en el rendimiento de las hélices, afectando su eficiencia, empuje y ruido.

Importancia del estudio de los vórtices en las hélices

Diseño de las hélices

Su estudio permite comprender la formación y comportamiento de los vórtices, con el fin de diseñar hélices más eficientes, reduciendo su resistencia y aumentando su empuje.

Reducción del ruido generado por las hélices

Minimizar las vibraciones generadas por las hélices

Avanzar en el diseño de hélices: Diseñar las puntas de las pala, optimizar la geometría de la hélice y adaptar materiales avanzados.

Como resumen, podemos decir que la interacción entre los vórtices y las hélices constituye un área de la investigación de gran importancia en la ingeniería de fluidos.

 El Ciclo Rotor Eólico Bipala

 Actualizando los conceptos relacionados con las hélices de dos palas y la inducción de vórtices, hemos trabajado en un Proyecto, el Ciclo Rotor Eólico, desde 2017, desarrollando y aplicando un modelo de utilidad diseñado para la rueda trasera de una bicicleta.

 El Ciclo Rotor transforma la rueda convencional, para transformarla en una rueda que genera un flujo aéreo helicoidal bipala, con efecto Venturi, comportñandose como un elemento generador de vórtices focales, que aumenta en flujo toroidal alrededor de la rueda, siendo capaz de inducir un efecto ciclónico, mediante aeroresonancia del sistema bipala. Sus efectos cinemáticos permiten mejorar el rendimiento deportivo, en el ciclismo de carretera y pista, habiendo sido optimizado para velocidades aparentes entre 24 y 50Km/h.

 

Todo comenzó con una maqueta....

explorando un modelo helicoidal bipala sometido a la energía del viento... en 2017

Gabriel Saitua, 2025

Rueda Lenticular o Rueda Semilenticular. La elección

 

Cinemática comparada entre una rueda lenticular y una rueda semilenticular

https://www.facebook.com/gabicicle

En el vídeo podemos ver las diferencias cinemáticas entre una rueda lenticular y una rueda 

semilenticular durante la fase de aceleración; el giro helicoidal de la rueda semilenticular le permite alcanzar las características propias de un "generador ciclónico", constituyendo un modelo de utilidad para el ciclista aficionado.

La pulsatilidad generada en la rueda semilenticular, permite sincronizar el impulso helicoidal en fase de aceleración, con nuestra cadencia de pedaleo, obteniendo un "impulso ciclónico significativo" variable según le intensidad, dirección y permanencia del viento.

Gabriel Saitua, 2022.
 

Aceleración Ciclónica

La incorporación de un Generador Ciclónico en la rueda trasera de la bicicleta permite sincronizar su efecto pulsátil (visible en el vídeo),  con la frecuencia de pedaleo, alcanzando un impulso ciclónico eficiente entre 24 y 50 Km/h., con máxima eficiencia entre 30 y 40Km/h.

Un modelo de utilidad para el ciclista aficionado.

Gabriel Saitua, 2022.

 

El aumento del flujo toroidal en la rueda permite apagar la llama de una vela

El cambio estructural en la rueda permite al Generador Ciclónico aumentar su flujo toroidal, incrementando el volumen derivación aérea lineal posterior durante la aceleración forzada.

En ausencia de viento, podemos ver éste fenómeno, observando cómo es posible apagar la llama de una vela a distancia por la derivación lineal del flujo toroidal.

El flujo toroidal generado por el anillo de una rueda convencional no permite obtener éstos resultados cinéticos.

El incremento del flujo toroidal facilita impulso giratorio de la rueda.

                                                                            

Gabriel Saitua, 2022

Conferencia del Proyecto Ciclo Rotor Eólico 2016/2021

El día 14 de septiembre, Gabriel Saitua expuso en la sala Areilza I del Colegio de Médicos de Bizkaia la Conferencia sobre: cómo se puede modificar las características de la rueda de una bicicleta para hacerla más eficiente y aprovecharnos del viento.

Gabriel Saitua. Proyecto Ciclo Rotor Eólico 2016 - 2021

https://youtu.be/yGKtoDNTK9Y

COLEGIO DE MÉDICOS DE BIZKAIA BIZKAIKO MEDIKUEN ELKARGOA

Proyecto Ciclo Rotor. Vídeo resumen 2016-2021

 Vídeo en el cual se resume en 6 minutos, la conferencia presentada en el Colegio de Médicos de Bizkaia, el día 14/09/2021: "cómo transformar una rueda convencional en una rueda con altas prestaciones dinámicas".

Presentación resumen 2016-2021

 

Un cordial saludo

Gabriel Saitua, Getxo, Bizkaia

septiembre 2021

El aeromotor bipala y la resistencia de la rueda por fricción

 

Efecto del ciclo rotor sobre la estructura de la bicicleta

Gabriel Saitua 2021

Una de las resistencias que debemos superar al desplazarnos en bicicleta es “la resistencia a la rodadura” o fuerza de fricción, existente entre la cubierta de nuestra bicicleta y la superficie del asfalto, cuando nos desplazamos sin resbalar.

Se trata de fuerzas de fricción oblicuas, en sentido contrario al desplazamiento.

El coeficiente de rodadura es estático en parada y dinámico durante el movimiento.

El coeficiente de rodadura estático es un número que oscila entre 0 y 1. Para una rueda de bicicleta valores son habituales valores entre 0´0025 y 0´0050.

Para desplazarnos es necesario que la fuerza o torque que generamos sobre los pedales y que se transmite de forma  paralela al suelo, dividido por el peso de la bicicleta y ciclista generado sobre el asfalto, debe ser inferior o igual al coeficiente de rodadura  estático.

Nos preguntamos

¿Cómo podría afectar la cinemática del ciclo rotor bipala durante la aceleración sobre la resistencia dinámica?

Experimentación

Para aportar datos a ésta pregunta realizamos una experiencia, para la cual utilizamos la APP Phyphox. Desarrollada en el Segundo Instituto de Física de la Universidad Técnica de Aquisgrán. Alemania. (RWTH AACHEN UNIVERSITY)

https://phyphox.org/download/

Consideramos los tres ejes de los planos tridimensionales y registramos los datos de acelerometrías  en los tres ejes espaciales: x,y,z, (teniendo en cuenta la fuerza de la gravedad g). Figura 1.

En la experimentación realizada en taller, sin viento, colocando nuestro teléfono móvil con la aplicación en posición horizontal sobre el sillín de la bicicleta, encontrándose ésta elevada, apoyada y sin contacto con el suelo.

Figura 1.- Ejes del especio tridimensional. APP Phyphox

 

Figura 2.- Aeromotor bipala. Ciclo Rotor Eólico. Rueda Mavic. 

En la prueba realizamos en una rueda Mavic con Aeromotor Bipala (figura 2), realizamos 5 vueltas continuadas en la catalina con un plato 50 dientes y con un desarrollo total de 50/12, equivalente a una velocidad lanzada final >68Km/h. sin resistencia sobe el suelo.

Tras la primera fase correspondiente al movimiento de giro, y una vez transcurridos entre 15 a 20” se expresan los registros de acelerometría sobre la estructura de la bicicleta y sillín.

Los resultados indican que los registros de acelerometría (g) en (m/sg2) fueron débiles en los ejes x, y (figura 3).

Figura 3.- Acelerometría  media: 10m/sg sobre el eje x, vertical

Sin embargo, en el eje z, correspondiente al eje del plano vertical, la frecuencia pulsátil de aceleración media fue de 10m/sg2, durante 15 segundos, con una pulsatilidad progresiva ascendente entre 7´5 y 14´5m/sg2 (figura 3 y 4).

Figura 4.- Aceleración absoluta en el eje Z vertical

Media 10m/sg2. Mínima 7´5m/sg2. Máxima 14´5m/sg2

Conclusiones

Los datos de acelerometría obtenidos en la experimentación indican que la cinemática del aeromotor bipala afecta esencialmente al eje z vertical. La aceleración pulsátil media de 10m/sg2 en el eje vertical disminuye las fuerzas de fricción existentes entre la cubierta de la bicicleta y el asfalto, facilitando de ésta forma nuestro desplazamiento.

Los registros de acelerometría nos ayudan a comprender las mejoras que hemos apreciado en la práctica del ciclismo en fases de aceleración, cuando usamos un aeromotor bipala en la rueda trasera de la bicicleta. https://gabibici.blogspot.com/

 

Gabriel Saitua, Getxo 2021

 

Aeromotor Ultraligero. El modelo de utilidad más eficiente.

 

CICLISMO  POR GABRIEL SAITUA ITURRIAGA EL HOY @ 10:20

Subida Umbe. Aeromotor Ultraligero  

La prueba realizada con el aeromotor bipala ultraligero de 134gr., y bajo perfil de corte los bordes de las palas (2´5mm.), en un tramo de cronoescalada de 5Km., se obtuvieron resultados superiores al resto de configuraciones de ruedas exploradas:

 

1º Rueda Mavic Krysium, gama media, con aeromotor Ultraligero 134gr.

2º  Rueda  Mavic Krysium, gama media, con aeromotor en carbono 200gr.

3.- Rueda Mavic Aksium gama media, con aeromotor plástico 150gr.

4º.- Rueda convencional de aluminio gama alta, Campagnolo Eurus sin adaptaciones.

 

Condiciones de las pruebas comparadas

Año 2021

Recorrido de 5Km. Subida Monte Umbe desde el cruce de Urduliz. Pendiente media 2´5%.

Precalentamiento 20´, 10Km.

Viento neutro a leve.

Las pruebas se realizaron en la primera parte de la mañana por el mismo ciclista. Bicicleta Cannondale Synapse; desarrollo fijo de 34/14. Registro de datos mediante Ciclo Computador Garmin Fenix5, Potenciómetro Vector 3S y conexión a Garmin Connect.

Prueba con Aeromotor Ultraligero

Objetivo: disminuir la energía necesaria para el rodamiento en bajas velocidades, permitiendo facilitando una mayor cadencia y mayor velocidad con el mismo gasto energético. Peso 134gr. con un bisel de las palas de 2´5mm.

Día amanece parcialmente nublado 15ºC.

Suelo levemente mojado. Viento suave. Grado 2 en la escala de Beaufort. 

Distancia

4,95 km

Distancia

Calorías

149 C

Calorías

Frecuencia cardiaca

125 ppm

Frecuencia cardiaca media

142 ppm

Frecuencia cardiaca máxima

Tiempo

10:55

Tiempo

10:55

Tiempo en movimiento

10:55

Tiempo transcurrido

27,2 km/h

Velocidad media

27,2 km/h

Velocidad media en movimiento

37,3 km/h

Velocidad máxima

87 rpm

Cadencia media de pedaleo

116 rpm

Cadencia de pedaleo máxima

Potencia

227 W

Potencia media

470 W

Potencia máxima

230 W

Normalized Power® (NP®)

3,11 W/kg

Potencia media

6,44 W/kg

Potencia máxima

1,148

Intensity Factor® (IF®)

22,9

Training Stress Score®

200 W

Configuración de la potencia de umbral funcional (FTP)

149 kJ

Trabajo

Altura

102 m

Ganancia de altura

 

Resultados de la prueba con distintos tipos de aeromotores adaptados a la rueda:

Los datos obtenidos indican que el aeromotor bipala es un elemento de utilidad para el ciclista, siendo el modelo ultraligero el que obtiene los mejores resultados >24km/h. en comparación con el resto de las opciones estudiadas:

                                        Mavic AeroPlástico                    Mavic AeroCarbono             Mavic AeroUltraligero

Peso, gr.                                        150                                              200                                             134        
Velocidad, Km/h.                       24´7                                             25´2                                            27´2
Potencia, normalizada              230                                               216                                             230
Trabajo, kJ                                   149                                                163                                            149

 

El peso de la adaptación penaliza cuando rodamos en velocidades <24Km/h., dado que el gasto energético principal se utiliza para realizar la rotación y el arrastre de la bicicleta y el ciclista, a baja velocidad y en flujo aéreo laminar.

La aplicación aerodinámica comienza a partir de 25Km/h., cuando comienza la transición entre el flujo aéreo laminar, lineal, y el flujo irregular o turbulento; más tarde  la resistencia aerodinámica se elevará con el cuadrado de la velocidad.

Aeromotor bipala ultraligero sobre una rueda Mavic Aksium

Durante las pruebas, recogimos la información mediante un ciclo computador Garmin Fenix5, Potenciómetro Garmin Vector S3 y Garmin Connect; los registros mostraron que con el mismo gasto energético (149KkJ) por parte del ciclista, el aeromotor ultraligero resultó ser el modelo más eficiente, alcanzando una velocidad media de 27´2Km/h.

Con un peso de tan sólo 134gr, el modelo ultraligero se caracteriza por tener un menor perfil de ataque a viento, de 2´5mm., completando su configuración con una capa de tipo alveolar en sus superficies externas.

De ésta forma consigue superar la barrera crítica de 25km/h., alcanzando una velocidad media de 27´2Km/h., lo que supone una ganancia de 2´5Km/h. respecto a otros rotores explorados. 

La mejora aerodinámica nos permite mejorar los resultados utilizando la misma potencia.

 

Un cordial saludo

Gabriel Saitua, 2021

Mecanismos de funcionamiento del aeromotor adaptado a la rueda de una bicicleta

 

Sobre la derivación del viento por el impacto sobre la palas

Gabriel Saitua 2021

El Impacto del viento sobre las amplias palas del aeromotor bipala adaptado a la rueda de la bicicleta presentan, a medida que aumentamos la velocidad de giro; indicamos algunos aspectos que modifican la cinética rotacional, facilitando nuestra marcha.

1. El impacto del flujo aéreo, cuando la velocidad aparente igual o superior a 24Km/h. es recibido por la cara externa de la primera pala, causando un cambio en la dirección del viento, con derivación posterior, al mismo tiempo que aporta una carga de flujo, con transferencia hacia la segunda pala (Imagen: flechas verdes).
2. La segunda pala recoge el flujo acelerado por atravesar la estrechez central de la rueda. La morfología helicoidal de las palas permiten generar un movimiento de flujo helicoidal de alta velocidad, mediante una recirculación anterior, completando el giro con la primera pala; el impulso eólico recibido tiene una dirección antero inferior, siendo recibida por el ciclista transcurridos entre 15 a 20 segundos, después de una aceleración, circunstancia que aumenta nuestra velocidad (Imagen: flechas rojas).
3. La apertura central del aeromotor permite que el flujo aéreo atraviese las palas manteniendo nuestra estabilidad y la seguridad, incluso en condiciones de vientos de direcciones variables (Imagen: apertura central en “S”).

Rueda helicoidal. Aeromotor bipala ultraligero, 134gr.

 

Gabriel Saitua, Getxo, 2021

Aeromotor ultraligero adaptado a la rueda de la bicicleta