1.- La inducción de flujo helicoidal
Gabriel Saitua 2025
El movimiento de flujo aéreo helicoidal se induce en una "rueda" mediante el uso de un ventilador axial (también conocido como helicoidal). Este tipo de ventilador está específicamente diseñado con palas (o álabes) en forma de hélice que imparten un movimiento de rotación al aire mientras lo desplazan en una dirección paralela al eje de rotación.
El mecanismo de inducción se basa en principios aerodinámicos específicos:
·Diseño de las palas: Las palas del ventilador tienen un perfil alar con un ángulo de inclinación (paso helicoidal) que está optimizado para "cortar" y empujar el aire en una trayectoria espiral o helicoidal. La geometría de la pala convierte eficientemente el movimiento de rotación del eje en un movimiento lineal del aire con un componente de giro.
·Diferencia de presión: El giro de la hélice crea una zona de baja presión en la entrada (succión) y una zona de alta presión en la salida (expulsión). El aire se mueve naturalmente desde la zona de alta presión a la de baja presión, y la forma de las palas dirige este flujo diferencial a lo largo de una trayectoria helicoidal.
·Confinamiento (Opcional): En muchos casos, el ventilador está instalado dentro de un conducto o carcasa cilíndrica. Las paredes del conducto ayudan a confinar y canalizar el aire, asegurando que el flujo mantenga su patrón helicoidal y no se disperse radialmente.
Aplicaciones del flujo de aire helicoidal:
·Sistemas de ventilación y extracción: Los extractores helicoidales se usan ampliamente para mover grandes volúmenes de aire en aplicaciones industriales y domésticas.
·Aerogeneradores: Se investigan diseños de aerogeneradores tipo Darrieus helicoidal para aprovechar la energía eólica.
·Refrigeración: En sistemas de refrigeración, como los ventiladores de ordenadores o aires acondicionados, para dirigir el aire de manera eficiente.
En resumen, la clave para inducir un flujo aéreo helicoidal en una rueda es el diseño de palas inclinadas (hélice) que fuerzan físicamente al aire a seguir una trayectoria en espiral a medida que es desplazado por la rotación.
Aerogenerador Helicoidal Bipala
Inductor de flujo toroidal. Ciclo Rotor Eólico
2.- La rueda y su flujo toroidal
El "flujo toroidal" en el contexto de una rueda de bicicleta hace referencia al movimiento del aire alrededor del neumático, el cual hace que el aire siga un patrón similar a un toroide, con una una forma de anillo o donut.
Este concepto está relacionado principalmente con la aerodinámica y se utiliza para describir cómo el diseño de la rueda y, específicamente, la anchura y la forma de la cubierta (neumático), influyen en la resistencia al viento durante el movimiento.
Aspectos clave del flujo toroidal en una rueda de bicicleta:
·Forma del toroide: La cubierta (neumático) en sí tiene una forma toroidal. Cuando la rueda gira y avanza, el aire interactúa con esta forma, creando patrones de flujo específicos.
Hemos comprobado que la incorporación de dos superficies helizoidales, en los planos oblicuos formados por los radios, es capaz de funcionar como una hélice bipala, produciendo energía útil para el ciclista, relacionada con la velocidad de giro y traslación de nuestra rueda, en interacción con el viento incidente.
Las modificaciones en la cinemática rotacional permiten aumentar en un 25% la velocidad el flujo toroidal, en el sentido del giro de la rueda, facilitando nuestro desplazamiento.
·Aerodinámica: El estudio de este flujo ayuda a optimizar el diseño de las ruedas y cubiertas (especialmente en ciclismo de carretera y contrarreloj) para reducir la resistencia aerodinámica (drag), permitiendo que el ciclista se deslice por el aire con menos esfuerzo.
·Influencia de la anchura de la cubierta: La anchura de la cubierta afecta directamente al "efecto toroidal" o al patrón de flujo del aire.
·Hemos de tener en cuenta las diferentes anchuras de las cubiertas, dado que generan diferentes interacciones con el viento y flujos toroidales diferentes. Es por lo que debemos considerar a anchura de la cubierta como un factor que influye en nuestra eficiencia aerodinámica, siendo algo más rápida la anchura de 25mm.
En resumen, el flujo toroidal representa la descripción del patrón de movimiento del aire alrededor de la forma anular de la cubierta y la rueda en movimiento.
La configuración helicoidal bipala adquiere una especial eficiencia cuando circulamos a velocidades superiores a 30Km/h., más concretamente, cuando superamos una velocidad de tres ciclos por segundo en interacción con el aire y el flujo helicoidal inducido por el viento, cuando éste sopla de manera constante, con una velocidad inferior a la de nuestro desplazamiento. En ésta circunstancia, la optimización aerodinámica y eólica, nos permite aumentar nuestra velocidad media entre 1 y 3Km/h., respecto a la misma rueda sin adaptación bipala, con el mismo gasto energético.
3.- Resonancia mecánica del sistema helicoidal bipala en la rueda de bicicleta
La resonancia de un sistema mecánico se produce cuando la frecuencia de su velocidad coincide con la frecuencia o frecuencias propias del sistema, las cuales se relacionan con la composición de los materiales específica de la propia estructura, su morfología geométrica, su peso y cinemática rotacional.
El ciclo rotor eólico, un sistema de rotación helicoidal bipala
Pruebas de taller:
Hemos estudiado estos conceptos haciendo girar en situación neutra, en pruebas de taller, elevando nuestra bicicleta con ciclo rotor en la rueda trasera.
Analizamos los momentos de resonancia del sistema en ausencia de viento, observando que la cinemática propia del sistema genera pulsatilidad por la propia aeroresonancia del sistema en suspensión, ésta se expresa de forma saltatoria, cuando desciende progresivamente la velocidad de la rueda, desde 60 a 14km/h.
La pulsatilidad es visible por observación simple resulta significativa a 44Km/h. con una frecuencia pusátil entre 90/100 impulsos por minuto, reactivándose entre 30 y 24km/h., con frecuencias inferiores a 90 pulsaciones por minuto.
Dichas frecuencias son compatibles con la sincronización de nuestra cadencia de pedaleo.
La sincronización entre la pulsatilidad mecánica del sistema y nuestra cadencia, junto con la entrada de flujo procedente del viento en el rotor, nos permite aumentar y optimizar el impulso pulsátil, incorporando a la cinemática rotacional helicoidal un efecto ciclónico en aceleración forzada, con una notable eficiencia dinámica, sin que ello afecte la seguridad del ciclista.
Para un viento de brisa suave, circulando a entre 42/45Km/h., a una velocidad triple respecto al viento, obtendremos un efecto de aceleración con impulsión ciclónica, con efecto mantenido durante 30”, en cada episodio de aceleración forzada.
Rueda Helicoidal. Aerogenerador Bipala
Ciclo Rotor Eólico, “un modelo de utilidad para el ciclista”
Gabriel Saitua, 2025
