La energía toroidal en el ciclo rotor eólico

La energía toroidal en el ciclo rotor eólico

La geometría describe un torus o  toroide como la superficie de revolución engendrada por una circunferencia que gira alrededor de un eje central, o también como la figura creada por una espiral que es succionada por el punto de vacío y luego expulsada de él (figura 1).

Figura 1.- Voluta y efecto toroidal generado al traspasar un anillo

Su forma varía entre la de una rosquilla, una voluta de humo, un donuts, una esfera o  una manzana. Al entrar en movimiento, el toroide se expande desde el centro y se contrae rodeándolo en un movimiento anular sin fin; ésta movimiento disminuye la resistencia al movimiento giratorio del propio toroide en anillo (figura 2).

           Figura 2.- Movimiento de un toroide anular

https://xochipilli.blog/2013/11/27/energia-libre-la-dona-dinamica-toroidal-en-nuestra-vida-y-en-los-circulos-de-la-cosecha-crop-circles/

La energía toroidal está basada en la formación de vórtices o torbellinos de energía rotacional. Este patrón sirve como modelo para explicar numerosos fenómenos de la naturaleza como los misteriosos agujeros negros, que al mismo tiempo son capaces de  absorber y emanar energía.

Este fenómeno lo podemos encontrar en distintos remolinos o vórtices, como en los remolinos de viento causados por las alas de los aviones, en los huracanes  y en el campo electromagnético. Se ha llegado a considerar el patrón universal del movimiento de la energía en cualquier escala, por lo que tanto un átomo, como el universo mismo, serían toroides en perpetuo movimiento.

La rueda de la bicicleta también tiene un componente toroidal y su dinámica rotacional toroidal ha sido utilizada para desarrollar las ruedas globosas de altas prestaciones dinámicas.

La cinética que genera el ciclo rotor eólico le permite incrementar la energía rotacional toroidal complementaria en la rueda a medida que aumentamos la velocidad, facilitando su avance, preferentemente en fases de aceleración y en el mantenimiento de la velocidad (figura 3).

Figura 3.- Esquema del movimiento toroidal y la derivación posterior en el ciclo rotor eólico. Modelo de utilidad para el ciclista.

Gabriel Saitua, Getxo 2018

Introducción al Movimiento Helicoidal en el Ciclo Rotor Eólico.

El movimiento helicoidal

El movimiento helicoidal es el resultado del movimiento combinado de rotación y traslación que resulta de combinar un movimiento de rotación en torno a un eje junto con un movimiento de traslación a lo largo del mismo eje. https://es.wikipedia.org/wiki/Movimiento_helicoidal

Se trata del movimiento de tornillo que surge en una rueda cuando le incorporamos dos elementos helicoidales que forman un espacio mínimo a modo de hélice (Figura 1).

Figura 1.- Esquema de helicoide circular del ciclo rotor eólico. Aeromotor bipala.

Su la dinámica rotacional se puede esquematizar en la (Figura 2):

Figura 2.- Movimiento helicoidad de una partícula en el sistema

https://es.wikipedia.org/wiki/Movimiento_helicoidal

Durante la traslación y rotación, el movimiento de las palas sería el de una helicoide, siendo éste uniforme cuando el punto P alejado del eje describe una trayectoria curva alabeada cuando circula por la helicoide a velocidad angular w.

Considerando Vo la velocidad rotacional y ω la velocidad angular de rotación del sólido rígido (aspa o álabe), la velocidad final de una partícula situada en un punto P, fuera del eje de rotación (Figura 1), viene dado por el vector Pv:  Vo + w x OP (Figura 2).

Figura 3- Ciclo rotor eólico. Aeromotor bipala abierto en “S” sobre una FeltB16
Pulsatilidad en aceleración

En una situación real, durante la práctica del ciclismo, tanto las velocidades de las partículas como sus trayectorias alabeadas por la hélice se modifican constantemente; sus velocidades rotacionales se suman con la velocidad tangencial facilitando el movimiento de las mismas sobre el plano vertical al eje de rueda y paralelo a sus álabes.

Su diseño específico y la presencia de un espacio en “S” abierto central alrededor del eje, facilita el efecto de Bernoulli aumentando la velocidad de las partículas que entran en el aeromotor, cuando la incidencia del viento es antero lateral.

Las circulación de partículas en un movimiento rotación tangencial sobre los álabes tienden a seguir las trayectorias más eficientes y rápidas que se encuentran próximas a las curvas cicloides de traslación que describe la rueda (figura 4). Un aeromotor como el ciclo rotor eólico genera dos cicloides armonizadas acortadas que se combinan con la curva cicloide descrita por el círculo de la llanta mejorando la aceleración y el confort de marcha.

Figura 4.-- Entrecruzado de curvas cicloides armonizadas en el ciclo rotor eólico. Arco mayor: cicloide regular (llanta); Arcos menores: cicloides acortadas (bordes internos de los dos álabes). 

La cinemática helicoidal del ciclo rotor nos permite disponer de un pequeño aeromotor bipala que utiliza la energía eólica para optimizar el impulso del torque del pedaleo, con un efecto adicional de estabilidad sobre el suelo, una mayor estabilidad en las trazadas y una derivación aérea posterior.

Gabriel Saitua, Getxo 2018.

La draisiana y el ciclo rotor eólico.

Cómo surgió el "Proyecto Ciclo Rotor Eólico".

Gabriel Saitua. Ciclista aficionado

Promotor del Proyecto Ciclo Rotor Eólico

Equipo  Karmany´s. Getxo. Bizkaia.

Presentación

Karl Drais fue un varón, ingeniero y demócrata, dedicado a la investigación tras su retirada de la actividad pública. Entre sus frutos se encuentra la presentación de la Laufmaschine, o “máquina de correr” en Mannheim el 12 junio de 1817; en aquel momento su objetivo era el conseguir la independencia del caballo… 

Karl Drais 1820  https://es.wikipedia.org/wiki/Karl_Drais

Décadas más tarde, Pierre Michaux le incorporó los pedales y posteriormente se añadieron cubiertas, diversos desarrollos… se comenzó a tener en cuenta el peso y la resistencia de los materiales usados en su construcción, pasando por el hierro, las aleaciones, el aluminio, la madera, el carbono y el titanio…  

…se incorporaron ayudas al pedaleo con baterías complementarias… o incluso asistencia el pedaleo con aire a presión.

En nuestro caso, el “Proyecto Ciclo Rotor Eólico” trabaja por un modelo de utilidad para facilitar la eficiencia del ciclista utilizando la energía eólica a medida que aumentamos nuestra propia velocidad…

En el año 2016 surgió la idea, y en 2017, tomando el ejemplo de Karl Drais, tras mi retirada de mi actividad profesional, tuve la oportunidad de dedicar "algún tiempo" a observar, aprender y "mirar de otra manera" a “la máquina de correr”.

Pedaleando con mi equipo de aficionados al ciclismo, Karmany´s de Algorta, Getxo, Bizkaia,  País Vasco, pensé en relacionar "el giro de la rueda con el viento que la atraviesa" y que aumenta con el cuadrado de la velocidad, para optimizar su potencial cinético.

El motivo final de la innovación sería siendo el mismo que le motivó a Karl Drais en el año 1817 y que dió lugar a “la máquina de correr”… el independizarse… sentirse libre al viento y correr… y ahora un poco más… si ello fuera posible con el Ciclo Rotor.

Dado que el viento es el único elemento que siempre nios da da cara en el ciclismo, nos preguntamos: "¿?sería posible utilizarlo como alianza en la rueda, como elemento que utilizamos con una alta velocidad rotacional?".

Algunos datos los encontramos en la historia de los molinos de viento.

El molino fue diseñado para transformar la energía del movimiento del viento y del agua en energía aprovechable para la actividad humana. Aunque se trata de una invención muy antigua, ya que se encuentran molinos de agua para moler cereal en el paleolítico, no será hasta el imperio persa en que se invente el molino de viento.

El molino de viento clásico se origina en babilonia, y se trataba de una pieza de eje vertical entorno a la cual giran las aspas que más bien podrían denominarse velas, construido con secciones de madera para evitar las turbulencias provocadas por la dirección del viento; las aspas estaban protegidas por una construcción con grandes huecos, que permitía el paso de aire en un flujo no turbulento. El molino más antiguo conocido, con esta estructura data del 1000 a.C. http://tectonicablog.com/?p=47097

Si observamos al ciclista que se desplaza en bicicleta, éste genera viento, que junto con el viento en contra generan una resistencia que aumenta con el cuadrado de la velocidad. Ésta energía potencial del viento podría utilizarse si incorporamos un pequeño aeromotor, a modo de molino de viento, como un helicoide circular adaptado a la rueda.

Para el rango de velocidad del cicloturista, el aeromotor más adecuado sería el de dos palas, dado que un aeromotor bipala rinde adecuadamente en velocidades que oscilan entre 7 y 14 metros/sg.

La eficiencia del ciclo rotor eólico se pondría de manifiesto cuando la velocidad relativa del viento alcanza el momento crítico en el cual nuestra capa límite de contacto recibe el cambio de flujo laminar a turbulento. Ésta condición tiene lugar cuando alcanzamos los 25km/h. de velocidad relativa, muy habitual en la práctica de ciclismo, tanto en el ciclismo en pista como en carretera.

El "Proyecto Ciclo Rotor Eólico".

En nuestros prototipos adaptamos dos palas o álabes amplios y fijos sobre los planos formados por los radios en caras de la rueda trasera; su morfología es de helicoide circular abierto en “S”, y su morfología específica aerodinámica nos permite modificar la dirección e incrementar la velocidad del viento que incide sobre la rueda según el principio de Bernoulli.

El aumento en la velocidad tangencial en el ciclo rotor nos permite obtener pulsos de aceleración significativos en dirección antero inferior y efecto suelo. Como resultado final trasformamos una rueda de gama media en una rueda de altas prestaciones dinámicas.

Se trata de un modelo de utilidad que ha sido experimentado en distintas condiciones desde el año 2016 hasta la actualidad. Es un modelo de utilidad seguro y eficiente para el ciclista , preferentemente en las fases de aceleración y viento en contra de dirección constante, que  mejora la seguridad de la trazada en curvas  y el confort de marcha, por su bajo peso (150g.) y escasa resistencia en la arrancada.

La ayuda se recibe entre 10 a 15" después de un incremento en nuestra cadencia de pedaleo, siempre que nuestra velocidad relativa (velocidad del viento en contra+velocidad de marcha) fuese superior a 25km/h.

El Ciclo Rotor Eólico, "Un modelo de utilidad para el ciclista"

Pruebas en el Velódromo de Fadura. Getxo. Bizkaia. Gabriel Saitua 2018.

 Modelo de utilidad protegido por la Oficina Nacional de Patentes,

1 171 558. Madrid 2017.

Gabriel Saitua Iturriaga, Autor y Promotor del Proyecto Ciclo Rotor Eólico

Getxo. Bizkaia. País Vasco 2018