Aspectos
aerodinámicos del ciclismo en ruta
Gabriel
Saitua.2021
Salida
en grupo
Analizamos algunos detalles de una
salida de entrenamiento en nuestro grupo Karmany´s,
Getxo. Bizkaia. Trayecto Getxo/Gerekiz, un terreno mixto de carretera
interurbana sobre una distancia de 52km. Media del grupo: 26km/h.
Observaciones
sobre la cinética rotacional
Con una velocidad media de
26Km/h., nuestras ruedas giraron a 3 vueltas por segundo, superando los 7
metros de desplazamiento por segundo; durante dos horas estuvieron en constante
interacción con cambios de velocidad en un entorno de viento variable, habitualmente
nos afecta en dirección frontal o lateral; el viento incide con flujo turbulento
de alta resistencia aerodinámica cuando superamos los 25Km/h. sobre la superficie
del ciclista y su bicicleta.
Hemos de tener en cuenta que cuando
superamos la velocidad de 20 kilómetros por hora, la dificultad más importante que
debemos superar es la resistencia contra el viento, hasta el punto que resulta
ser el factor más importante cuando rodamos a una velocidad alta durante un
espacio de tiempo elevado.
A tan sólo 15 km/h., el
porcentaje de la potencia que se destina a vencer la resistencia de rodadura es
muy similar al destinado a vencer la fuerza aerodinámica. Sin embargo, a 30
km/h. el 76% de la potencia se necesita para vencer la fuerza aerodinámica,
mientras que a 40 km/h. este porcentaje alcanza el 90% (Di prampero, 2000).
Estos datos nos sirven para
corroborar que el mayor enemigo del ciclista es el viento, que cualquier mejora
aerodinámica se va a traducir en una mayor velocidad y que cuanto mayor es la
velocidad de desplazamiento mayor importancia adquiere la aerodinámica.
http://todobici.com.es/la-importancia-de-la-aerodinamica-en-el-ciclismo/
Nos
preguntamos?
Podemos mejorar nuestra
adaptación a éstas circunstancias dinámicas aprovechando la alta frecuencia giratoria
de nuestras ruedas ?.
Cómo?
Si actuamos directamente sobre la
estructura de la rueda, incorporando una rueda helicoidal,
podríamos gestionar el viento que nos afecta de una forma más favorable?
Un cambio
en la estructura de la rueda?
Podría ser razonable incorporar un sistema sencillo, dotado de un comportamiento complejo
cuando éste interaccione con el viento, que aumente su eficacia a medida que
aumentamos nuestra propia velocidad?
Pensamos que es u tema que merece la pena dedicarle nuestra
atención. En ese momento nace el proyecto Ciclo Rotor Eólico, era el año 2016.
Nos
seguimos preguntando:
Estamos
ante un sistema complejo?
Un sistema complejo está
compuesto por varias partes interconectadas o entrelazadas, cuyos vínculos
crean información adicional no visible antes por el observador.
Como resultado de las
interacciones entre sus elementos, surgen propiedades nuevas que no pueden
explicarse a partir de las propiedades de los elementos aislados. Dichas
propiedades se denominan propiedades emergentes.
Una de las características más
inesperadas e interesantes de este tipo de sistemas es la aparición de cierto
orden a partir del desorden.
En su forma más básica, se
observa la aparición de patrones de forma en todo tipo de fenómenos desde las
figuras geométricas, como las que forman los copos de nieve o las bandadas de
estorninos.
La
característica emergente observada en el aeromotor bipala adaptado a la rueda
de la bicicleta, interactuando con el viento, es el aumento de la velocidad por
disminución de la resistencia aerodinámica.
El diccionario de la lengua de la
Real Academia Española define al aeromotor como un motor accionado por aire en
movimiento. La energía complementaria disponible se utiliza en aplicaciones
mecánicas o como aerogeneradores de energía eléctrica.
Se trataría de un prototipo de
aeromotor de eje horizontal, determinado por el eje de la rueda.
Número
de palas
Teoría y límite de Betz: Una
turbina eólica puede convertir en energía mecánica, como máximo en un 59,26 %
de la energía cinética del viento que incide sobre ella.
Los aeromotores denominados
rápidos, generalmente son de dos palas, bipalas
o de tres palas, tripalas; el número de palas no tiene influencia sobre la
potencia que proporciona el rotor, sino que es función de la superficie barrida
por las palas.
La actividad de los aeromotores
rápidos comienza cuando la velocidad del viento se encuentra entre 4 y 5
metros/segundo, (1 metro por segundo=3.6 Kilómetros por hora), es decir, a
partir de 14´4 a 18Km/h.
El tamaño de las palas no influye
en la producción de energía, pero modifica el par de fuerzas necesario para
obtener el arranque del rotor; éste aspecto hace que debamos limitar en lo
posible el peso de las palas.
Aeromotor Bipala
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Ventajas |
Inconvenientes |
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Nuestro proyecto incorpora un aeromotor
compuesto por dos palas o álabes extendidos, que conforman un
helicoide/helizoide, como alternativa para gestionar el viento.
La elección de dos palas se debe
a que la producción de energía en el aeromotor bipala alcanza un coeficiente de
potencia eficiente, de 0´40, para velocidades del viento entre 7 y 14 metros/segundo,
es decir entre 25´2
y 50´4Km/h., velocidades
habituales para los ciclistas en carretera, circulando en tramos llanos y en descensos.
El coeficiente de potencia máximo del aeromotor bipala es de 0´46, y se registra cuanto la velocidad del viento es de 10 metros/seg., es decir 36Km/h.
Ángulo de paso fijo y entrega en pérdida
aerodinámica o stall
Podemos utilizar un mecanismo de
control pasivo, que reacciona con la velocidad del viento.
Las palas están fijas al rotor,
por lo tanto su ángulo de paso y/o ataque son constantes para todas las
condiciones de velocidad en el aire incidente; por otra parte las palas están
dimensionadas de manera que se obtenga un máximo rendimiento para unas condiciones
fijas.
Al aumentar la velocidad del aire
incidente se producirá un aumento en el ángulo de ataque efectivo entre la
velocidad del aire relativa al perfil de la pala. Por lo que para un
determinado ángulo característico del perfil utilizado, se llegará a una
situación en que la capa límite del perfil se desprende entrando en pérdida y
perdiendo sus propiedades de sustentación y baja resistencia aerodinámica. Así,
disminuye drásticamente el rendimiento y la energía captada por la pala.
Los ángulos de torsión en
la pala se soportan a través de los radios, en tal forma que las diferentes
secciones no entren en pérdida simultáneamente ya que de lo contrario sus efectos
serían demasiado abruptos; con esta distribución se provoca, una vez superada
la velocidad crítica, una separación de la capa límite de forma paulatina a lo
largo del eje de la pala.
Se puede esquematizar la figura
del triángulo de velocidades que actúan sobre un perfil aerodinámico:
Mecanismo de
regulación con ángulo de paso fijo y entrega en pérdida aerodinámica o stall
Las ventajas principales del
sistema son:
- Ausencia de mecanismos de variación
en el ángulo de paso de las palas
- Una estructura mucho más simple
- Un menor mantenimiento, debido a
utilizar menos elementos móviles
En contrapartida, los sistemas
stall representan un complejo problema aerodinámico de difícil solución, las
cargas, entrado el perfil en pérdida producen un estado vibratorio peligroso para
la estructura de la turbina. Cunty Guy; "Aeromotores y aerogeneradores";
Ediciones Marzo 80; Barcelona 1981.
https://www.monografias.com/trabajos39/aerogeneradores/aerogeneradores2.shtml
http://xn--drmstrre-64ad.dk/wp-content/wind/miller/windpower%20web/es/tour/wtrb/stall.htm
Los
aspectos relacionados con seguridad, aeroelasticidad y tolerancia aeroelástica en
el aeromoror bipala adaptado a la rueda, ciclo rotor eólico, han sido
estudiados, disponibles en: https://gabibici.blogspot.com/2021/02/ensayo-sobre-aeroelasticidad-y.html
Gabriel Saitua. Getxo. 2021.
