El viento y la resistencia aerodinámica

El viento, la aerodinámica y los complementos del ciclo rotor eólico

Gabriel Saitua

Viento real y viento aparente

La resistencia aerodinámica al movimiento se relaciona de forma directa con el viento, único elemento que habitualmente nos encontramos de frente en la práctica del ciclismo.

La velocidad del viento real, es la que medimos con un anemómetro y es la que sentimos cuando estamos parados.

A medida que nos movemos en un vehículo, como una bicicleta, generamos un flujo de viento propio debido a la velocidad. En condiciones neutras, sin viento real, la velocidad del viento sería igual al de nuestra velocidad.

En condiciones reales, el resultado final es un vector de dirección y fuerza conocido como viento aparente, resultante de la suma o resta de los vectores del viento real y el vector correspondiente al de nuestra velocidad.

La resistencia aerodinámica

Conocer algunos aspectos sobre la resistencia del aire al desplazamiento o rozamiento aerodinámico es de útil para el ciclista, dado que la fuerza para superarla aumenta con el cuadrado de la velocidad. La resistencia se genera por el impacto de las moléculas de aire contra el ciclista y la bicicleta, cambiando su movimiento desde un flujo lineal o laminar a uno irregular, desorganizado o turbulento.

La mayor fuerza de rozamiento se encuentra precisamente en la capa límite o fase transición entre el flujo laminar y el turbulento, siendo incluso 5 veces mayor que en la propia zona turbulenta. El rango de la transición entre estas fases se encuentra tan sólo entre 20 y 25km/h., velocidades muy habituales en la práctica del ciclismo. http://www.ciclismoafondo.es/mecanica/Informes/articulo/informe-la-eficiencia-aerodinamica

El valor de la resistencia contra el viento se conoce como fuerza o coeficiente de arrastre aerodinámico (FA) (Drag en inglés) y se calcula mediante la ecuación de arrastre:

FA = 0,5 x P x S x Cx x V2

“P” es la densidad del aire.

“S” corresponde al área frontal del conjunto ciclista y bicicleta. Variable 0´5 a 0´7, según la corpulencia y posición sobre la bicicleta.

 “Cx” es el coeficiente de arrastre aerodinámico, relacionado con superficie que expone al viento el conjunto formado por el ciclista y la bicicleta. Se aproxima a 1 en bicicleta de carretera y con brazos extendidos y a 0´83 en posición con aerobarras.

“V2” corresponde al cuadrado de la velocidad relativa, vector resultante de la velocidad del ciclista y de la velocidad y dirección del viento, único factor exponencial en la fórmula y principal responsable de la resistencia aerodinámica. http://todobici.com.es/la-importancia-de-la-aerodinamica-en-el-ciclismo/

Velocidad en Km/h.                             20            30           40          50

Resistencia aerodinámica en Kg.     0´8          1´8          3´2          5

Si duplicamos nuestra velocidad por dos, la resistencia aerodinámica se multiplica por cuatro, por lo que la resistencia al movimiento aumenta mucho más deprisa que la velocidad.

Cómo reconocer el viento

Aunque la sensación y dirección del viento la podemos percibir en nuestro rostro durante una marcha en bicicleta, conocer en cada instante la dirección del viento nos ayuda a actuar de forma más o menos contenida para no hacer un gasto energético innecesario. Utilizando una simple cinta colgada desde un pequeño vástago horizontal en el manillar nos permitirá conocer de forma aproximada su ángulo de incidencia e intensidad (figura 1).

Figura 1.- Cinta sobre un vástago horizontal en el manillar como indicador de la dirección del viento. Complemento del  Ciclo Rotor Eólico para bicicleta de carretera

Otros dispositivos electrónicos también nos permiten conocer de forma más precisa la dirección y velocidad del viento aparente, como la APP Zephyrus Free Wind Meter for Android (figura 2).

El Zephyrus funciona como un anemómetro adecuado, simplemente utilizando el micrófono del teléfono inteligente, hasta un rango máximo de 20m/sg.; no requiere sensores.

Figura 2.- Velocidad del viento electrónica. Complemento en el ciclo rotor eólico

Aplicación Smartphone APP Zephyrus Free Wind Meter for Android

Si utilizamos éstos recursos podremos apreciar que la dirección del viento habitualmente incide en contra de la dirección del ciclista, pero no es constante y presenta un ángulo de incidencia variable, entre 11º y 22º o superiores, capaces de atravesar nuestra rueda trasera y activar nuestro aeromotor helicoidal; la activación del ciclo rotor eólico es seguro en la rueda trasera y comienza a ser útil para el ciclista, cuando nuestra velocidad alcanza o supera los 25Km/h. En éstas circunstancias la energía teórica adicional que ofrece el ciclo rotor eólico se encuentra entre 30 y 50watios/sg.

Figura 3.- Apertura helicoidal del ciclo rotor eólico

Rendimiento en ángulos de incidencia >10º y velocidad del viento aparente >25Km/h.

El rendimiento del rotor se afecta en condiciones de viento racheado variable, condición conocida por los antiguos babilonios, cuando protegían los primeros molinos de viento dentro de edificaciones con aperturas, para que los vientos racheados atravesaran las aspas del rotor con viento en flujo laminar; en nuestro caso, la incorporación de deflectores en la entrada del rotor en la rueda trasera resulta útil para proteger la eficiencia del ciclo rotor eólico ante vientos turbulentos laterales (figura 4).

Figura 4.- Deflectores en la entrada del ciclo rotor eólico. Protección ante vientos racheados

Prototipo de Ciclo Rotor Eólico. Modelo de utilidad para el ciclista 2018

Aeromotor bipala en Cannondale Synapse

Figura 5.- El rendimiento instantáneo  del rotor depende del flujo que lo atraviesa en cada momento

Figura 6.- Esquema del ciclo rotor (S) en una bicicleta Felt B16.

Rendimiento mecánico y aerodinámica entre 30 y 50watios/sg.
con una velocidad del viento aparente entre 25 y 50Km/h.

Gabriel Saitua Iturriaga. Getxo. Bizkaia. 2018

El movimiento helicoidal y su aplicación en la rueda de la bicicleta

El conocimiento de la cinética rotacional helicoidal en el Proyecto Ciclo Rotor Eólico resulta esencial para su aplicación como modelo de utilidad para el ciclista.

El vídeo que presentamos pone de manifiesto la nueva dinámica que genera la rueda cuando la transformamos en un helicoide circular.

 Vídeo sobre la cinemática helicoidal causada por el Ciclo Rotor Eólico

Esquematización de la aerodinámica e impulto inercial tangencial

Gabriel Saitua, Getxo, Bizkaia 2018

El Ciclo Rotor Eólico en Pinterest

Algunos aspectos sobre la geometría y el movimiento helicoidal relacionados con Ciclo Rotor los podemos encontrar en el siguiente link de Pinterest:

https://www.pinterest.es/gabrielsaituaiturriaga/ciclo-rotor-e%C3%B3lico/

... como la morfología de la concha del Nautilus, fuentes de inspiración que no nos dejan indiferentes

Gabriel Saitua. Getxo 2018

Cinemática del Ciclo Rotor Eólico

El diseño y la valoración cinemática del ciclo rotor eólico 2018

Experimentación básica. Acelerometrías en el ciclo rotor eólico

Acelerometrías en el ciclo rotor eólico

El estudio de desaceleración del ciclo rotor eólico publicado previamente en éste blogg, fue realizado desde una velocidad de 83-86km/h., mostrando que hasta descender a una velocidad de 36km/h. se registraban  pulsos  de alta frecuencia,  90/105 por minuto, para posteriormente descender a pulsos de baja frecuencia e intensidad, 60/70 por minuto, en velocidades situadas entre 27km/h. y 15km/h. El tiempo de parada final fue de 2´5minutos, lo que representa un 25% más que una rueda convencional.

Las pulsaciones registradas se deben al movimiento helicoidal circular generado por el ciclo rotor sobre los ejes (Y, X), como expresa el gif adjunto, a los cuales se añadirían los movimientos de precesión sobre el plano Z.

Oscilaciones sobre los planos y, x de un movimiento helicoidal

Los registros de las acelerometrías en el ciclo rotor eólico han sido evaluadas utilizando el acelerómetro APP Meter BOSCH BMC.

Veamos los resultados pulsátiles que ofrece el ciclo rotor sobre el eje vertical (Y) en fases  de aceleración y deceleración:

Durante la fase de aceleración y desaceleración expresa una morfología pulsátil en huso ascendente y descendente en el eje Y, predominando los impulsos descendentes hacia el suelo (flecha verde) sobre los ascendentes (flecha naranja) y unas frecuencias medias entre 60 y 90 por minuto, en velocidades medias, compatibles con su sincronización con nuestra cadencia de pedaleo.

El efecto suelo aerodinámico se puede poner en evidencia si en un ciclo de alta velocidad efectuamos una pulverización de agua en la zona anterior a la rueda, con un ángulo de incidencia similar al viento, de 25º; los resultados expresan una estela lineal posterior de partículas de agua que alcanza los 3´20 metros de longitud.

Gabriel Saitua, Getxo 2018.

Experimentación básica. Energía cinética del ciclo rotor eólico

Energía cinética rotacional del ciclo rotor eólico

La energía rotacional es la energía cinética de un cuerpo rígido, que gira en torno a un eje fijo. Esta energía depende del momento de inercia y de la velocidad angular del cuerpo. 
Energía cinética rotacional - Wikipedia, la enciclopedia libre
https://es.wikipedia.org/wiki/Energía_cinética_rotacional

La observación que se expone fue realizada en condiciones de viento neutro en taller tras realizar un ciclo de aceleración prefijado consistente en acelerar mediante 12 ciclos de una catalina con 50 dientes y un piñón con 11 dientes: Velocidad 83/86km/h.

Se compararon los tiempos de desaceleración utilizando una rueda Mavic Ksyrium sin adaptación y con la misma rueda adaptada con el ciclo rotor eólico; los registros se efectuaron partiendo de una velocidad media de 85km/h., en ausencia de viento y con la bicicleta elevada sin rozamiento contra el suelo (figura 1).

Figura1.- Condiciones basales en la prueba de inercia

Los resultados se muestran en las curvas de desaceleración (figura 2), en las cuales se puede apreciar que el ciclo rotor eólico mantiene durante más tiempo su velocidad por su mayor energía cinética, siendo superior a la rueda convencional en todos los tiempos del registro hasta su parada final.

Figura 2.- Curvas de desaceleración comparadas

Rojo (ciclo rotor). Verde (rueda convencional)

Tiempo hasta la parada:

•Rueda Convencional: 1´86 minutos
•Ciclo Rotor Adaptado: 2´5 minutos

La incorporación del Ciclo Rotor Eólico supone una mejora en la energía inercial del 25%

Gabriel Saitua, Getxo 2018.

Sobre las curvas cicloides y su aplicación en dinámica rotacional

El interés por las curvas cicloides y su aplicación en el desarrollo del Proyecto Ciclo Rotor Eólico, porque "la distancia más corta entre dos puntos no es la más rápida cuando actúa la fuerza de la gravedad".

Gabriel Saitua 2018.

Concepto de curva cicloide 

La curva cicloide es la trayectoria que describen los puntos de una rueda cuando ésta se desplaza girando, sin resbalar, sobre una línea recta.

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

Resulta que la trayectoria cicloide es la más rápida entre dos puntos cuando están sometidos a la fuerza de la gravedad y se evidencia cuando descendemos la pendiente entre dos puntos situados a distinta altura.

Las propiedades de las curvas cicloides son las siguientes:

• Braquistócrona: la cicloide es la curva de descenso más rápido para desplazarse entre dos puntos, cuando estamos sometidos a la fuerza de la gravedad.

• Tautócrona: es propiedad que se manifiesta cuando dos objetos iguales colocados en puntos distintos en el descenso de la curva llegan juntos al final de la misma.

• Expresan el movimiento de un Péndulo Isócrono, es decir que el tiempo de alcance de su al punto neutro central es el mismo para los distintos puntos situados de su trayectoria. 

La longitud del arco de un péndulo isócrono es dos veces el diámetro del círculo generador y su oscilación traza una cicloide. 

Dos tipos de curvas cicloides, normal y acortadas en el ciclo rotor eólico

• Una curva cicloide regular normal sería la trayectoria curva generada por un punto situado en la llanta de la rueda.

• Las cicloides acortadas, serían las trayectorias curvas generadas por puntos situados en el interior de una rueda. Como referencia para el ciclo rotor, serían la trayectorias trazada por un punto situado en  cada uno de los álabes, cuando la rueda se desplaza rodando.

Esquema de la estructura de un ciclo rotor eólico bipala (fondo naranja)

El estudio de las cicloides del Ciclo Rotor Eólico Bipala 

Disco perforado trazador de las curvas cicloides en el ciclo rotor eólico

El dispositivo discoideo nos permite trazar las curvas cicloides usando un disco perforado nos permite definir una curva (1), cicloide natural (llanta), y en cada uno de los álabes dos cicloides acortados, uno en su centro  (2) y otro en el borde interno del álabe (3).

Representación gráfica de las curvas cicloides en el ciclo rotor

Cicloides armonizados: La curva cicloide más amplia corresponde a trazada por la llanta. Dos cicloides acortadas correspondientes a los bordes internos de los dos álabes se entrecruzan

La armonización de las cicloides permite que la velocidad de partículas circulantes entre las hélices sea óptimo, cuando el viento incide contra las caras de los álabes (vídeo adjunto). Su eficiencia final depende de la velocidad del viento, nuestra velocidad, el ángulo de incidencia del viento, la persistencia del viento en la misma dirección, la altura y temperatura.

Las curvas cicloides y su armonización en el ciclo rotor eólico

Su morfología específica permite generar un movimiento helicoidal circular facilitando la aceleración cuando nuestra velocidad relativa alcanza un valor crítico (>25km/h.), en el cual nuestra capa límite con el viento recibe el cambio de flujo aéreo laminar lineal a flujo turbulento o caótico, con mayor resistencia aerodinámica.

Dinámica pulsátil en fase de aceleración en un
ciclo rotor eólico montado sobre una Flet B16

Gabriel Saitua, Getxo 2018.

La rueda como aeromotor, "modelo de utilidad para el ciclista"

Transformación de la rueda de bicicleta en un aeromotor

Si consideramos que el viento atraviesa nuestras ruedas a velocidades variables, cuando circulamos en bicicleta, ¿la transformación de la rueda en un pequeño aeromotor puede ser un accesorio útil para la práctica del ciclismo?.

La experimentación que hemos realizado en el "Proyecto Ciclo Rotor Eólico" entre los años 2016 y 2018 nos permite aportar los primeros datos para conseguir sufrir algo menos contra el viento y aliarnos con él. 

La cinemática en el Ciclo Rotor Eólico

Las conclusiones prácticas con el uso de Ciclo Rotor Eólico, podemos resumirlas en los siguientes puntos:

1.- Los resultados indican que su incorporación en la bicicleta no penaliza el resultado global de la actividad deportiva, si los comparamos con una rueda convencional.

2.- Sus ventajas se manifiestan cuando el viento incide con un ángulo entre 0 y 25º y una velocidad relativa igual o superior a 25Km/h.

3.- Por su efecto suelo antero inferior mejora el confort de la marcha, así como la seguridad y la estabilidad en el trazado de curvas.

4.- Respuesta eficaz en aceleración,  tras 10 a 15" tras una fase de pedaleo de alta cadencia; para velocidades relativas, una aceleración de 20 a 40Km/h., supone una mejora entre 1 y 2 segundos con respecto a una rueda sin adaptación. Su eficiencia ha sido probada en ciclismo de carretera, montaña y pista en un rango de velocidades relativas de 25 a 50km/h.

5.- Los inconvenientes se presentan cuando nos enfrentamos a situaciones de vientos racheados y variables; aunque el equilibrio dinámico de la bicicleta se mantiene correctamente, la alta carga aerodinámica penaliza el resultado final.

A modo de resumen podemos decir que su manejo rutinario permite utilizar el viento de forma favorable, resultando seguro, divertido y eficaz; el cambio en la cinemática de la rueda permite mejorar los resultados de nuestra actividad deportiva en bicicleta.

Gabriel Saitua, Getxo 2018.

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.