Aeromotor bipala. Su
adaptación a la rueda de la bicicleta.
Definición:
La Real Academia Española en el diccionario de la lengua española define el aeromotor como un motor accionado
por aire en movimiento. La energía complementaria disponible se
utiliza en aplicaciones mecánicas o como aerogeneradores de energía eléctrica.
Historia:
Las máquinas del viento han sido
utilizadas desde la antigüedad mediante velas en embarcaciones en el Nilo o
como molinos de trigo siglos antes de nuestra era. Utilizaban el viento, el
movimiento del aire calentado por el sol cuando asciende y es ocupado por aire
frío más pesado procedente de latitudes superiores de la atmósfera del mar o de
los ríos.
Figura
1.- Máquina del viento persa. Energía mecánica para moler cereales.
Tipos de aeromotores:
Los aeromotores se clasifican según
la posición de su eje de rotación en relación con la dirección del viento, en:
1) Aeromotores de eje horizontal.
Con el eje de giro paralelo a la
dirección del viento.
Con el eje del rotor perpendicular
a la dirección del viento.
2) Aeromotores de eje vertical.
3) Aeromotores que utilizan el desplazamiento móvil.
Aeromotores en la bicicleta:
Dado que nos interesa el estudio
de los aeromotores mecánicos adaptados al eje a la rueda, nos centraremos en los
aeromotores de eje horizontal.
En nuestro caso la dirección de
nuestro eje de rotación respecto al viento será variable y oblicua, debido al
cambio de la incidencia del viento y de nuestra propia dirección de marcha.
Si nos centrados en la
variabilidad de nuestra velocidad, hemos de considerar las características del
aeromotor de dos aspas o bipala, con unas características muy peculiares, dado
que no estará fijado sobre al terreno, será móvil a velocidades variables, así
como su rendimiento ante la incidencia del viento en ángulos variables de
incidencia lateral.
Nos encontramos con dos
inconvenientes: por una parte, la adaptación fija a la rueda la de la bicicleta
no permite incorporar una cola de veleta y la redirección del rotor; y por otra,
el tamaño estandar de la rueda limita la potencia eólica del rotor.
La adaptación de nuestro
aeromotor a la rueda de una bicicleta convencional tiene por tanto algunas
diferencias significativas con los molinos clásicos:
1.- Se trata
de un pequeño aeromotor de dos palas, extendidas de morfología helicoidal, con
apertura central en S, y con un tamaño limitado al círculo de nuestra propia rueda.
2.- El
aeromotor se desplazará con una velocidad creciente, rindiendo de forma
significativa a partir de velocidades superiores a 25km/h. con viento lateral.
3.- Su
eficiencia será variable, con buen rendimiento en las fases de aceleración, según
la dirección y la persistencia del viento para ángulos de incidencia entre 20º
y 45º, y velocidades de viento aparente en un rango que oscila entre 25 y 50km/h.
4.- Su
eficiencia es penalizada en presencia de vientos racheados y variables.
La elección de un aeromotor de dos palas o álabes:
Según el número de palas los aeromotores
pueden construirse de una sola pala o monopala, de dos palas o bipala, tripala y
multipalas. Su eficacia es inversamente proporcional al número de palas del
rotor, y el rendimiento relaciona con la eficiencia respecto a la velocidad del
viento.
El límite de Betz:
Las leyes de la física muestran
que no se pueda extraer toda la potencia disponible en el viento a su paso por
el rotor de un aerogenerador. El viento a su paso se frena, saliendo del mismo
con una velocidad menor que con la que ha entrado.
La máxima potencia eólica
aprovechada viene definida por el Límite de Betz, de tal manera que una turbina
eólica puede convertir en energía mecánica como máximo un 59,26 % de la energía
cinética del viento que incide sobre ella. En la práctica se aprovecha un
porcentaje próximo al 40% de la potencia eólica disponible.
Figura
2. Coeficiente de potencia de los aeromotores bipala
El rotor de una pala muestra su
eficiencia en altas velocidades de flujo aéreo; una aproximación al mismo
estaría representado por la rueda de disco.
El aeromotor bipala muestra utilidad
en rangos de viento habituales en el ciclismo en carretera y pista; presenta un
rendimiento óptimo para velocidades del viento entre 7 y 14 metros/sg.; dado que 1m/sg. equivale a 3´6Km/h., supondría
trabajar con un viento entre 25´2 y 50´4Km/h., situaciones habituales en la
práctica del ciclismo en carretera y pista.
La posición del eje de nuestro
aeromotor adaptado a la bicicleta, adquiere una posición de predominio
perpendicular y oblicua respecto al flujo del viento; dirección del viento
incide habitualmente entre 20º y 45º en velocidades superiores a 25Km/h., por
lo cual el coeficiente de potencia teórico del rotor quedará reducido al 30% de
su capacidad energética mecánica máxima, con rendimientos medios calculados
útiles entre 30 a 60watios/sg.
Otra característica necesaria
para que el rendimiento del aeromotor fuera rentable es que la incidencia del
viento se mantenga constante sobre el ciclo rotor, dado que su constante
variabilidad tendrá una influencia negativa sobre el mismo.
Figura
3.- Límites de tolerancia de seguridad para el aeromotor bipala
Intensidad y dirección del viento:
Resulta de interés en el manejo
de un aeromotor adaptado a la rueda el contar con algún elemento que nos
permita conocer la intensidad y dirección del viento para activar nuestro rotor
y adaptarlo a nuestras necesidades.
Podemos utilizar un sencillo
indicador de dirección del viento, con unas pequeñas cintas sobre un vástago en
nuestro manillar. Podremos conocer en cada momento con un simple golpe de vista
la intensidad aproximada del viento y su dirección instantánea respecto de
nuestra trayectoria y a medida que aumentamos la velocidad.
Figura
4- Cinta indicadora de la dirección e intensidad del viento
Eficacia en aceleración:
Cuando la velocidad aparente
(velocidad del viento + velocidad del ciclista) es igual o superior a 25Km/h.
el flujo de viento que choca contra el ciclista pasa de laminar a turbulento
con un notable aumento de la resistencia aerodinámica y comienzo de la
actividad complementaria de nuestro aeromotor bipala.
En éste momento, un incremento de
cadencia pulsátil (>90/minuto), con viento lateral constante, permite la
entrada de flujo suficiente en el rotor, siendo capaz de desarrollar impulsos
de aceleración tras 15 a 20 segundos después de realizar nuestro torque en aceleración.
La energía complementaria que
somos capaces de generar y el impulso en aceleración es muy superior a la que
ofrece una rueda sin aeromotor, pudiendo desarrollar entre
50 a 60 watios/sg.
Eficacia en velocidad lanzada:
Rendimiento teórico, mecánico y
eólico del aeromotor bipala adaptado a la rueda:
Ejemplo de rendimiento en
velocidad lanzada a 43Km/h., con una incidencia del viento a 30º oblicuo
derecho.
El rendimiento real calculado
para un aeromotor bipala adaptado a la rueda trasera para un ángulo de entrada
a 30º supondría una pérdida de potencia mecánica real, quedando entre 30 a 40 w/sg., representando una ayuda eficaz para
el mantenimiento de una velocidad con alta resistencia aerodinámica y notable
coste energético.
Figura
5.- Dinámica de un aeromotor bipala sobre una rueda Mavic.
No es recomendable su adaptación
en la rueda delantera, dado que ante
incidencias variables de viento intenso afecta la estabilidad de la dirección y
la seguridad del ciclista. Sin embargo, su adaptación en la rueda trasera es
segura incluso ante vientos intensos, mejorando la trayectoria y la estabilidad
en las trazadas.
La utilidad del aeromotor bipala:
a.-
El conocimiento de la intensidad y el ángulo de incidencia del viento nos
permite adaptar el funcionamiento y la eficacia del aeromotor bipala adaptado a
la bicicleta, mejorando la eficacia del ciclista cuando la velocidad aparente oscila entre 25 y 50km/h.
b.-
Mayor eficacia mecánica se obtiene utilizando ciclos de aceleración con
cadencia de pedaleo pulsátil (>90/minuto), cuando el ángulo de incidencia
del viento oscila entre 20º y 45º.
c.-
Los resultados se obtienen transcurridos entre 15” a 20” después de la fase de
aumento de cadencia de pedaleo, permitiendo un ajuste de nuestro ritmo y desarrollos
más exigentes tras la fase de aceleración.
d.-
La morfología específica de las aspas extendidas causa una alineación de las
líneas de flujo con derivación posterior del viento en el plano vertical,
disminuyendo el ángulo relativo de incidencia del viento y facilitando el
avance. Consigue así mismo una mejora en la estabilidad en las trazadas y un
mayor confort de marcha.
e.- El
aeromotor bipala es seguro, según mi experiencia personal habiéndose utilizado
en distintas rutas y condiciones como cicloturista aficionado entre los años
2017 y 2019.
f.-
Entre sus efectos negativos señalaremos que debemos aceptar un leve aumento de
resistencia en la arrancada desde la posición de parada, sufriendo una
penalización dinámica en presencia de vientos variables y racheados.
Figura
6.- Aeromotor bipala montado sobre una rueda Mavic Aksium.
Figura 7.- Detalle de
las aspas helicoidales. Rueda Mavic Aksium.
“Un modelo de utilidad para el ciclista”
Gabriel Saitua, Getxo 2019.
