A cámara lenta el movimiento se aprecia mejor

A cámara lenta con un aeromotor bipala adaptado en la rueda de una Felt B16

La compleja cinemática del movimiento helicoidal en una rueda puede apreciase con un mayor detalle cuando lo ralentizamos.

En el vídeo podemos imaginar la circulación central del viento cuando entra lateralmente en un aeromotor bipala a alta velocidad...

Gabriel Saitua, Getxo, marzo 2020

Marcha nórdica y aeromotor bipala

La marcha nórdica y el aeromotor bipala adaptado a la bicicleta

La marcha nórdica

La Marcha Nórdica nace hacia el año 1930 en Finlandia, de la mano del equipo nacional finlandés de esquí nórdico que empezó a desarrollar la idea de entrenar en verano simulando al esquí nórdico del invierno, caminando y corriendo con bastones de esquí para no perder el fondo físico general.  También hacia esas fechas hay datos históricos que hacen referencia a esquiadores polacos que utilizaron el mismo sistema de entrenamiento.

La modalidad deportiva "Marcha Nórdica" fue aceptada por la Asamblea General de la Federación Española de Deportes de Montaña y Escalada (FEDME); el 27 de junio de 2015, fue incorporada como modalidad deportiva propia en la Federación Española. http://www.fedme.es/index.php?mmod=staticContent&IDf=420

No debemos confundir con el senderismo de montaña, en el cual los bastones se utilizan básicamente para asegurar el paso y apoyarse; el uso de bastones en senderismo no tiene tanto en cuenta el impulso generado con el bastón con objetivo de mejorar la velocidad.

Se trata de una marcha muy técnica, en la que se trabaja con bastones especialmente diseñados para esta actividad. Los bastones permiten realizar un impulso hacia delante, transmitiendo la fuerza que hacemos hacia los brazos y los bastones. De esta manera podemos alargar la zancada y mejorar la velocidad.

La mejora en el rendimiento de nuestro esfuerzo depende de la armonía del movimiento biomecánico; el uso de bastones consigue implicar al tren superior (brazos, hombros, espalda) con una descarga en los apoyos sobre piernas y caderas; su uso ofrece un reparto más equilibrado del esfuerzo hacia distintos grupos musculares.

El resultado final nos permite aumentar la velocidad realizando más kilómetros por unidad de tiempo y finalmente conseguir una menor fatiga al completar la travesía.

El uso de bastones libera la carga sobre las extremidades inferiores

El aeromotor bipala

Permite optimizar la dinámica de la rueda, para lo cual incorpora dos aspas a modo de un helicoide circular consiguiendo impulsos de aceleración utilizando el viento, medida que aumentamos la velocidad.

Las aspas funcionan en la rueda a modo de bastones, dado que generan impulsos inerciales en dirección anterior e inferior.

Recordemos las curvas cicloides. Documentación disponible en éste blogg:

https://gabibici.blogspot.com/2018/12/armonia-del-movimiento-pendular-en-el.html

https://gabibici.blogspot.com/2018/12/armonia-del-movimiento-pendular-ii.html

La cicloide ha sido llamada «La Helena de los geómetras» ya que causó frecuentes disputas entre matemáticos del siglo XVII.

Recibe el nombre de cicloide a la curva descrita por un punto de la circunferencia, cuando esta rueda recorre una recta sin resbalar. https://es.wikipedia.org/wiki/Cicloide

Trazado de una curva cicloide, Ej: giro de un punto en la llanta de una rueda de bicicleta

Fueron muchos los esfuerzos realizados en el siglo XVII para tratar de comprender esta curva y sus propiedades, tanto geométricas como físicas, que posteriormente han permitido desarrollar un gran número de aplicaciones industriales.

Recordamos las propiedades físicas de las curvas cicloides:

Son curvas braquistócronas:

La cicloide es una curva braquistócrona; es la curva que permite que un cuerpo pesado al deslizarse en un campo gravitatorio uniforme, uniendo dos puntos entre sí, utiliza el menor tiempo en realizar el recorrido. En otras palabras, es la curva de descenso más rápida para conectar dos puntos entre sí.

Son curvas tautócronas:

La cicloide es una curva tautócrona. El semiarco de la cicloide es una curva en la que en cualquier punto de la misma, un material dejado caer sin velocidad inicial llega a un punto dado en el mismo tiempo, con independencia del punto de partida.

Son curvas isócronas:

Una curva isócrona, es aquella tal que un punto material si se moviera sin fricción tiene un movimiento oscilatorio cuyo período es independiente de la posición inicial.

Si realizamos un péndulo simple de una cicloide invertida, tal como la cuerda del aro de una rueda, limitada entre los arcos de la cicloide, longitud del péndulo es igual a la mitad de la longitud del arco de la cicloide, es decir, dos veces el diámetro del círculo generador. La oscilación del péndulo creado también traza una cicloide. Tal péndulo cicloidal es isócrono, dado que el tiempo en completar la oscilación es independiente de la amplitud de su movimiento.

Aro de una rueda convencional de bicicleta carretera

Un péndulo isócrono de nuestro aro de llanta, tendrá una longitud de cuerda correspondiente a dos veces el diámetro del círculo de nuestra rueda:

·         Diámetro circunferencia de una rueda de 70cm.: 2 x phi x r, 2 x 3´14 x 35: 219´8cm.
·         Longitud del péndulo isócrono para una rueda de carretera: 2 x 219´8: 439cm.

Otras curvas cicloides aparecen cuando incorporamos dos aspas giratorias formando un aeromotor...son las que más nos interesan para conocer su cinemática...

Veamos algo más sobre los péndulos...

Christiaan Huygens (1629-1695), matemático holandés, construyó relojes de péndulo. Era un científico de renombre y reputación internacional a quien se recuerda, sobre todo, por el principio que lleva su nombre en la teoría ondulatoria de la luz. Fue maestro de Leibniz y anticipó muchas de las ideas del cálculo infinitesimal.

Sabía que las oscilaciones de un péndulo simple no son estrictamente isócronas (es decir, que tarden lo mismo) sino que dependen del tamaño del columpio. En otras palabras, si un objeto se coloca sobre el lado de un recipiente redondo invertido y se suelta, el tiempo que le toma llegar al punto más bajo será casi (pero no exactamente) independiente de la altura desde la cual se suelte, lo cual restaba exactitud a los relojes.

Sucedió que Huygens inventó el reloj de péndulo casi al mismo tiempo que Pascal convocara al concurso de la cicloide, en 1658.

La curva cicloide es en realidad una tautócrona: esto es, sobre un arco cicloidal invertido, un objeto deslizará desde cualquier punto a la base, en exactamente el mismo tiempo, sin importar en qué punto comience. Un gran logro de Huygens fue demostrar que la cicloide es la única curva que tiene esta propiedad.

De esta propiedad de la cicloide se valió Huygens, en 1673, (en Horologium oscillatorium) para diseñar los péndulos isócronos forzando al péndulo a columpiarse en un arco de cicloide.

¿cómo se le hace para que un péndulo oscile en un arco cicloidal?.

Fué un ingenioso descubrimiento de Huygens. Si desde un punto P de la figura se suspende un péndulo cuya longitud es igual a la longitud de uno de los dos semiarcos cicloidales, o dos veces el diámetro del círculo generador, hasta S, la punta del péndulo se columpiará en un arco que es un arco  cicloide QSR de exactamente el mismo tamaño y forma que la cicloide de la cual los arcos PQ y PR son parte.

 http://arquimedes.matem.unam.mx/PUEMAC/PUEMAC_2008/rincon/curvas/imagenes/cc_pendulo.jpg

Las cicloides del aeromotor bipala

Para avanzar en el conocimiento del aeromotor bipala analizamos las curvas cicloides implicadas, para lo cual construiremos un disco trazador de curvas cicloides.

Disco generador de curvas cicloides

Se trata de un disco perforado que nos permite trazar las curvas que expresa la rueda al girar sin resbalar sobre una línea recta. 

Disco perforado trazador de curvas cicloides

Disco trazador de cicloides. Una vuelta y media de rueda:

Punto rosa: trazador del cicloide regular de la llanta. Área roja: barrido hipocicloide  del aspa roja. Área verde: barrido hipocicloide del aspa verde. Paso de rosca helicoidal: 5cm.  

Cada punto de barrido rotacional en la superficie del aspa genera una curva cicloide. Las áreas afectadas formadas por la suma de cicloides se expresan en rojo o área de barrido de la primera aspa y en verde el área de barrido de la segunda aspa en segundo plano. Observamos así mismo que en los pasos de cada ciclo de la rueda el cruce de las cicloides armonizan el movimiento ofreciendo continuidad. La imagen global es similar a una armonía músical.

Ahora veamos cómo se comportan los dos péndulos tautócronos correspondientes, según Huygens. Para ello construimos dos péndulos formados por las hipocicloides o cicloides de los extremos interiores de las aspas, cuyo radio es de 12´5cm.

·         Longitud circunferencia: 2 x phi x r: 2 x 3´ 14 x 12´5: 78´5.

·         Longitud de la cuerda del péndulo de la cicloide: 2 x 78´5: 157cm.

Lanzamos de forma alternativa los péndulos y observamos que se secuencian rítmicamente a modo de los palos de una marcha nórdica. Sus impulsos se transmiten de forma secuencial y equilibrada a través del eje hacia el segmento superior, es decir hacia el eje y a través de  la bicicleta.

El esquema lo podemos observar en los siguientes vídeos de quince segundos cada uno:

Apoyo asistido en la marcha nórdica

Apoyos pendulares en el aeromotor bipala

Asimetría pendular sobre el eje 

Péndulos isócronos en el aeromotor bipala

Cómo se produce la derivación de flujo aéreo entre la cicloide regular de la llanta y las hipocicloides de las aspas?:

Esquema de la aceleración pulsátil tangencial antero inferior

La entrada de flujo aéreo lateral que incide sobre la rueda permite la entrada de un flujo acelerado por el efecto Bernoulli a medida que aumentamos la velocidad. Su apertura central en “S” entre aspas y su morfología específica le permite generar impulsos de carácter pulsátil, cuya dirección vectorial es anterior e inferior. Ésta característica permite así mismo mejorar la estabilidad y seguridad en el trazado en las curvas.

Aceleración pulsátil en un aeromotor biplala montado sobre en una Fel B16

La cinemática creada permite:

1.- Disponer de una potente respuesta en aceleración en velocidades aparentes superiores a 25Km/h.

2.- Sincronizar la frecuencia de los pulsos de aceleración con una cadencia de pedaleo entre 90 y 100/minuto.

3.- Mejorar el rendimiento y el resultado global de la actividad física del ciclista. 

Descanso por cuarentena: "coronavirus" 

A modo de conclusión podemos decir que el aeromotor bipala adaptado a la rueda de la bicicleta trata de alcanzar con el apoyo de las aspas, objetivos similares a los descritos con los bastones en la marcha nórdica: una mayor eficiencia en velocidad y finalmente una menor fatiga al completar nuestra salida en bicicleta.

Un cordial saludo

Gabriel Saitua, Getxo, 21 de marzo, 2020

Cómo transformar una rueda de gama media en una rueda con altas prestaciones dinámicas

Aeromotor Bipala

Cómo transformar una rueda de gama media en una rueda con altas prestaciones dinámicas. Pruebas de aceleración comparada en pista.

Gabriel Saitua, 2020

INTRODUCCION

La incorporación de un Aeromotor Bipala en la rueda trasera de la bicicleta es un elemento que puede resultar de utilidad para el ciclista, para usarlo tanto en carretera como en pista. La experiencia práctica acumulada en los últimos tres años nos indica que mejora la eficiencia del ciclista utilizando el viento como energía complementaria. El proyecto, cuyo nombre genérico es Ciclo Rotor Eólico, patentó el aeromotor bipala adaptado a la rueda de bicicleta en 2017. Un desarrollo más amplio y detallado se encuentra en: https://gabibici.blogspot.com/ y  https://www.facebook.com/gabicicle/

RUEDAS A ESTUDIO

Presentamos un estudio realizado en pista descubierta para conocer la eficiencia dinámica en fases de aceleración con dos ruedas de distinto nivel: una de aluminio y alta gama (Campagnolo Eurus) y otra de aleación de aluminio y gama media (Mavic Aksium, en la cual se adaptó un Aeromotor Bipala).

1.- Campagnolo Eurus, rueda de aluminio, alta gama.

                                   

                               Rueda Campagnolo Eurus G3, en una bicicleta Cannondale Synapse

Las ruedas Campagnolo Eurus están diseñadas para ser polivalentes, ligeras en las subidas y rápidas para responder a los cambios de ritmo, adaptándose a cualquier tipo de entrenamiento y sobre cualquier tipo de recorrido. Gracias a la nueva pared lateral oversize y al innovador Mega-G3, el lado derecho de la rueda trasera está equipado con el doble de radios que el lado izquierdo.

Los resultados del sistema G3™ permiten una mejor transferencia del par motor, mayor rigidez lateral, reducción de la tensión de los radios de la rueda trasera. El sistema G3™ compensa las fuerzas que soportan los dos lados de la rueda y eliminándose las vibraciones.

Características:

- Uso: carretera - Núcleo: Campagnolo - Material: Aluminio

- 2-WAY FIT: Permite utilizar tanto neumáticos clásicos con cámara, como neumáticos sin cámara - Ejes: QR, incluye cierres

- Momag: Permite que el perfil externo de la llanta esté libre de agujeros. Aumenta la resistencia estructural, hace la cinta de la llanta innecesaria y reduce el peso de la rueda

- Dynamic Balance: Cada punto de la llanta está contrabalanceado por un peso igual en el lado opuesto. Máxima estabilidad de la rueda incluso a altas velocidades

- Fresado toroidal: Reduce el peso periférico de la llanta, hace que la rueda sea extremadamente reactiva

- Altura del aro diferenciada: 26mm en la parte delantera para proporcionar una manipulación óptima; 30mm en la parte trasera para transmitir toda su energía a la rueda

- Sistema antirrotación de radios: Mantiene los radios en la posición de máxima penetración aerodinámica

- Radios Aerode aluminio: Máxima penetración aerodinámica, menor peso y mayor reactividad

- Cabecillas de aluminio: Reduce la masa periférica de la rueda y aumenta la reactividad

- Brida de gran tamaño: Aumenta la rigidez torsional y la reactividad en cada cambio de ritmo del ciclista

- Cuerpo de buje de aluminio: Proporciona un alto grado de rigidez lateral

- Eje de aluminio: Reduce el peso de la rueda

- Liberación rápida: El sistema de cierre excéntrico permite al ciclista modular la presión necesaria para una mayor sensibilidad y encontrar el cierre adecuado para el bloqueo.

- Peso de la rueda incluyendo la cubierta de 23mm., cámara y casete de 10 piñones campagnolo: 1700g

- Precio aproximado: 500€

2.- Mavic Aksium, rueda de aleación de  aluminio, gama media.

  

Rueda Mavic Aksium con Aeromotor Bipala, montada sobre una bicicleta Cannondale Synapse

La rueda Mavic Aksium ofrece un rendimiento de calidad para el ciclismo de carretera cotidiano. Sus características incluyen radios rectos para mayor resistencia y rigidez y unas llantas ligeras para una calidad de rodadura más viva.

Son anchas, lo que permite mayor volumen de aire y mejor ajuste para neumáticos de gran diámetro (hasta 32mm). Los bujes son resistentes, proporcionando elevados kilometrajes y fiabilidad a largo plazo; los rodamientos QRM son los más suaves de su categoría.

Características:

- Uso: Carretera

- Llantas de aleación de aluminio S6000. Perfil 21 mm. Conexión con pasadores. ETRTO 622x19C

- Bujes de aluminio. Rodamientos de cartucho sellados QRM

- Núcleo de acero FTS-L.

- Radios de acero: 20 cruzados por 2 en el lado del núcleo y radial en el lado opuesto a la parte trasera

- Compatibilidad: Shimano y Sram, convertible a Campagnolo con cuerpo de conductor opcional

- Eje: QR y Cierres rápidos BR101

- Peso de la rueda incluyendo cubierta de 23mm., cámara, casete de 10 velocidades y Aeromotor Bipala Semirígido: 1800g.

- Precio aproximado de la rueda sin Aeromotor: 100€

- Precio del Aeromotor Bipala ultraligero básico: 50€

HIPÓTESIS

La práctica en el uso del aeromotor bipala nos indica que su adaptación en la rueda trasera de la bicicleta mejora las prestaciones dinámicas. Con el fin de documentar estas sensaciones hemos diseñado un estudio comparativo entre una rueda de nivel medio con aeromotor bipala y una rueda de alta gama, valorando sus fases de aceleración.

Ruedas en el estudio de aceleración:

Cannondale Synapse con aerobarras con Campagnolo Eurus y Mavic Aksium con Aeromotor

Comparamos los resultados de cuatro series de aceleración en pista con cada una de las ruedas; iniciamos la lectura de datos de aceleración a una velocidad lanzada de 25km/h., realizando a continuación una fase de aceleración progresiva en los 400m., correspondientes a la longitud del circuito.

Comenzamos las lecturas en el paso de vuelta a una velocidad de 25Km/h. por tratarse de una velocidad de crucero muy habitual, por encima de la cual comienzan a producirse cambios críticos, desde un flujo aéreo laminar hacia un flujo turbulento por la velocidad del choque frontal del aire; a partir de ésta condición limítrofe, por las condiciones de flujo turbulento secundario a una mayor velocidad, aumenta exponencialmente la resistencia aerodinámica que debe superar el ciclista. Estas son las condiciones en las cuales se pone de manifiesto la eficiencia dinámica de los materiales sujetos a estudios dinámicos.

CONDICIONES DE LA PRUEBA

La mañana de la prueba, 4 de marzo de 2020, se encontraba nublado al 98%, con pavimento mojado y humedad del 98%; la temperatura y la sensación térmica serán de 14ºC., la presión atmosférica de 1017hPa. y el viento correspondía a una brisa débil de 4Km/h. de dirección sur este (AccuWeather) www.accuweather.com

Velódromo de Fadura Getxo, Bizkaia, 4 marzo 2020, 11h.

Los datos de las series (tiempos, velocidad media y máxima, cadencia media y máxima, frecuencia cardíaca media y máxima) fueron registrados en un ciclo computador Premium Multisport GPS Watch Garmin Fenix5 Sofware 13.30 y su procesamiento fue realizado por Garmin Express V6.2

METODOLOGÍA Y RESULTADOS

Estudiamos cómo se comportan ambas ruedas en las fases de aceleración forzada, partiendo de una velocidad de 25Km/h., en una distancia de 400m.

En el estudio comparativo analizamos cuatro series con cada rueda, el mismo día, con las mismas características climáticas, el mismo ciclista con una bicicleta Cannondale Synapse y aerobarras, desarrollo de 34/14, cubiertas de 23mm., y una presión de neumáticos de 8 bares.

Inicialmente realizamos las cuatro series con la rueda de alta gama y seguidamente con la rueda de gama media con aeromotor bipala.

Gabriel Saitua. Promotor y Ciclista aficionado

SERIES CAMPAGNOLO EURUS

· CAMPAGNOLO 1: Distancia 0,41 km. Tiempo 0:37,8. Velocidad media 39,2 km/h Velocidad máxima 47´5 Km/h.

· CAMPAGNOLO 2: Distancia 0,44 km. Tiempo 0:36,8. Velocidad media 43,0 km/h. Velocidad máxima 44´3 km/h.

· CAMPAGNOLO 3: Distancia 0,41 km. Tiempo 0:37,8. Velocidad media 38,9 km/h.  Velocidad máxima 41´8 Km/h.

· CAMPAGNOLO 4: Distancia 0,42 km. Tiempo 0:36,6.  Velocidad media 40,8 km/h. Velocidad máxima 46´9 Km/h.

Características de la actividad global del ciclista durante las series Campagnolo:

·         Cadencia pedaleo media 91 m. Cadencia máxima 102 m.

·         Frecuencia cardíaca media 124 lpm. máxima 146 lpm.

SERIES  MAVIC AKSIUM CON AEROMOTOR

·  AKSIUM 1. AEROMOTOR: Distancia 0,42 km. Tiempo 0: 36,1. Velocidad media 41,6 Km/h. Velocidad máxima 42´7 Km/h.

·  AKSIUM 2. AEROMOTOR: Distancia 0´41 km. Tiempo 0´35,1. Velocidad media 42´´7 km/h. Velocidad máxima 43´3 Km/h.

·  AKSIUM 3. AEROMOTOR: Distancia 0,41 km. Tiempo 0:35,5. Velocidad media 42,0 km/h. Velocidad máxima 45 Km/h.

·  AKSIUM 4. AEROMOTOR: Distancia 0,40 km. Tiempo 0:35,4 Velocidad media 40,8 km/h. Velocidad máxima 43´6 Km/h.

Características de la actividad global del ciclista durante las series Aksium con Aeromotor

·         Cadencia pedaleo media 89 m. Cadencia máxima 101 m.

·         Frecuencia cardíaca media 127 lpm. Máxima 143 lpm.

RESUMEN

                                                                   Velocidad media Km/h.       Velocidad máxima Km/h.

- Campagnolo Aurus 3G                                          40´47                                    45´1

- Mavic Aksium con Aeromotor                             41´77                                    43´65    

COMENTARIOS Y CONCLUSIONES

Las condiciones climáticas, sobre todo la intensidad del viento, condicionan los resultados, dado que éstos se relacionan con la intensidad, ángulo de incidencia y persistencia del flujo aéreo, cuando circulamos en condiciones de flujo turbulento. La prueba sujeta a estudio se realizó un día de brisa débil, quedando pendiente por tanto una revisión del presente estudio en condiciones de viento intenso.

Los resultados muestran que la rueda Campagnolo Eurus alcanza un pico de velocidad 1´47 Km/h. superior a la Mavic Aksium con Aeromotor; sin embargo la velocidad media de la rueda Mavic Aksium con Aeromotor supera en 1´30 Km/h. a la rueda de alta gama.

Los resultados de la frecuencia cardíaca media y alta del ciclista durante las series fueron superponibles en ambas ruedas, apreciando una carga aerodinámica levemente superior en la rueda con aeromotor, condicionando una cadencia de pedaleo media levemente inferior (89 minuto) comparándola con la rueda sin adaptación (91 minuto).

Podemos concluir que los resultados de eficiencia dinámica obtenidos en ambas ruedas son superponibles en fases de aceleración y con brisa débil, dado que la velocidad media de las series al cerrar el bucle del circuito fueron para  Campagnolo Eurus 42´03 Km/h. y para Mavic Aksium con Aeromotor 42´8 Km/h.

Encontramos diferencias en el precio de ambos productos. La rueda Campagnolo Eurus 3G incluye una tecnología propia de su gama, siendo su precio de mercado cinco veces superior a una rueda de prestaciones medias como la Mavic Aksium. Dado que el coste de la incorporación de un aeromotor bipala en una rueda convencional oscila entre 50€ y 100€, según el tipo de materiales utilizados, la inversión que resulta rentable al transformar una rueda de gama media en una rueda con altas prestaciones dinámicas.

Aeromotor Bipala ultraligero 2020

Gabriel Saitua, Getxo 2020

Derivación Aérea Posterior en el Aeromotor Bipala.

Una pequeña experiencia:

El cambio en la dirección del flujo aéreo en el aeromotor bipala permite disminuir el ángulo resultante del vector de aire incidente sobre el ciclista.

Alineación de las líneas de flujo aéreo posterior

Aunque el aire no es visible, podemos medir su velocidad mediante un anemómetro y ver alguno de sus efectos, como la capacidad para apagar una vela:

El flujo aéreo generado tras la rueda trasera es lineal y  permite obtener líneas de flujo a una velocidad variable entre 5 a 10m/sg., según las medidas tomadas en situación de aire neutro en taller.

Como podemos ver el en vídeo, en condiciones basales, una rueda convencional no es capaz de apagar una vela cuando ésta se sitúa encendida tras la bicicleta. Sin embargo en una rueda con aeromotor, el flujo lineal posterior aumenta significativamente permitiendo apagar rápidamente la vela.

Si pulverizamos agua con un ángulo de  incidencia de 25º sobre la rueda en plena rotación, obtenemos una alineación posterior de partículas de agua en que se extienden en el suelo sobre una distancia que alcanza los 3´20 metros.

Éste efecto aerodinámico resulta de utilidad para el ciclista, dado que le permite disponer de una mayor estabilidad en las trazadas, mejorando el confort de marcha y la seguridad.

Derivación posterior del flujo aéreo. Registro Anemómetro  Zephyr Free Windmeter

Prototipo ultraligero 2020

Gabriel Saitua. Getxo Bizkaia, febrero de 2020

Los aeromotores y su aplicación en la bicicleta

Los aeromotores y su adaptación a la rueda de la bicicleta.

Proyecto ciclo rotor eólico: “aeromotor bipala y rueda helicoidal”.

Gabriel Saitua. 2020

 1.- Los principios básicos de los aeromotores.

La cantidad de energía que contiene el viento antes de pasar por un rotor de aspas de un aerogenerador depende fundamentalmente de los siguientes parámetros: la velocidad del viento, el tiempo de persistencia del viento en una misma dirección, la densidad del aire y el área de barrido del rotor de aspas.

Para que un rotor sea capaz de extraer energía, requiere que el viento sea frenado disminuyendo su velocidad en la salida del rotor; cuando menor es el número de aspas, mayor será su eficiencia en condiciones de vientos con altas velocidades.

La energía cinética de una masa de aire que se desplaza viene determinada por la denominada “ley del cubo”, dado que la energía cinética generada aumenta con el cubo de la velocidad del flujo aéreo, cuando éste atraviesa toda la superficie del rotor (πr2).

Para calcular la potencia mecánica máxima aprovechable del viento se estima la densidad del aire, que corresponde a la relación entre su masa y su volumen. Una densidad de 1,225 kg/m3. corresponde a un aire seco, a una presión atmosférica estándar a nivel del mar y una temperatura de 15 grados centígrados (López Romero JJ, Cerón García FJ, 2008).

No obstante hemos de tener en cuenta que la densidad del aire disminuye con la humedad, la temperatura y la altitud, influyendo en la energía cinética que ofrece el viento.

Energía eólica extraíble por el aeromotor:

P = 1/2 x p x S x V3

Donde:

P = Potencia en vatios (W)

p = Densidad del aire (kg/m3)

S = Superficie del rotor (m2)

V = Velocidad del viento (m/s). Equivalencia: 1m/sg.=3.6km/h.

2.- Los aeromotores de eje horizontal y sus aplicaciones según el número de palas

A.- Aeromotores multipalas lentos. A propósito de los aeromotores salineros canarios.

Los aeromotores canarios de las salinas son elementos del patrimonio industrial de la arquitectura tradicional que pertenecen al pasado y en desuso para la sociedad actual.

Salinero de Yaiza. Canarias.

Los molinos de viento salineros canarios son aeromotores multipalas, que han sido utilizados en las salinas para la elevación del agua del mar; trabajan con velocidades bajas del viento, que oscilan entre 1m/s. y 6m/s. (3´6Km/h. a 21´6Km/h.) y eficacia óptima a 4m/sg. (14´4km/h.). Cuando la velocidad del viento es inferior a 1m/sg., los rotores de aspas de los aeromotores apenas se mueven y cuando excede de 6m/sg. hay que reducir la velocidad del rotor recogiendo velas de las aspas para evitar la rotura de los rotores.

Los diámetros de los rotores en los molinos salineros más utilizados oscilan entre los 2,50 metros y 5,00 metros. Se trata de rotores multipalas, siendo por tanto máquinas eólicas lentas, adaptados a velocidades relativamente bajas de viento. Con vientos de 4m/sg., para un rotor de 2´5m., la potencia teórica sería de 98watios y un cociente de potencia como rotor multipala del 30%.

En la actualidad existe un proyecto que propone su reconversión para utilizarlos en la producción de energía eléctrica comunitaria. Víctor Manuel Cabrera García, Doctor arquitecto en restauración y rehabilitación arquitectónica por la ULPGC, propone recuperar el funcionamiento de estos aeromotores dotándolos de un nuevo uso que consiste en producir energía eléctrica para dar suministro a la iluminación artificial, posibilitando crear nuevas rutas para el disfrute del paisaje nocturno en las salinas mediante el contraste de las tonalidades de las lámparas. Aprovechamiento energético de los aeromotores en las salinas de Canarias. Víctor Manuel Cabrera García, Diciembre 2018.              http://www.tecnicaindustrial.es/TIFrontal/a-10118-aprovechamiento-energetico-aeromotores-salinas-canarias.aspx

B.- Aeromotores bipala rápidos. Su adaptación a la rueda de la  bicicleta:

Nuestro proyecto consiste en el desarrollo de un pequeño aeromotor bipala adaptado a una rueda de bicicleta de tan sólo 0´7m. de diámetro, que incorpora un rotor cuyo diámetro es de 0´6m.; se trata de un rotor que acompaña a la bicicleta con velocidades variables y habitualmente contra el viento, a medida que aumentamos la velocidad >25km/h., entrando en zona de flujo turbulento.

El efecto del viento sobre la unidad formada por el ciclista y su bicicleta se relaciona con la velocidad aparente; la velocidad aparente es el resultado vectorial de nuestra propia velocidad de marcha + la velocidad de viento, que habitualmente la recibimos en contra con ángulos de incidencia variables.

En condiciones normales la velocidad aparente en la práctica del ciclismo, tanto en carretera como en pista, se encuentran por encima de 5m/sg.(18Km/h.) y en muchas ocasionas superan los 10m/sg.(36km/h).

Para utilizar la energía del viento a nuestro favor, necesitaremos un aeromotor que sea eficiente y seguro en altas velocidades de viento, por lo que usaremos un aeromotor de una o de dos palas. 

En nuestro proyecto elegimos un aeromotor bipala, tras comprobar la inestabilidad inercial del aeromotor monopala aplicado a la rueda. La utilidad del aeromotor bipala ha sido comprobada en la rueda trasera de la bicicleta con éxito, pero no ha mostrado utilidad en la rueda delantera, dada la influencia negativa que genera ante los vientos cruzados sobre la estabilidad de la dirección.

Elegimos el aeromotor bipala porque es estable y trabaja con eficacia en velocidades que oscilan entre 7 y 14m/sg. (25´2Km/h. y 50´4Km/h.), siendo un rango de velocidades habituales en la práctica del ciclismo en carretera y en pista.

Potencia del aeromotor adaptado a la rueda de bicicleta

El cálculo de potencia de nuestro aeromotor aplicando la fórmula, sería:

P = 1/2 x p x S x V3

P: 1/2x1´225x3´1416x0´3x0´3xvelocidad del viento al cubo.

Para un viento de 5m/sg.(18Km/h.): 21´64 watios.

Para un viento de 10m/sg.(36Km/h.): 173,3 watios.

Aeromotor bipala. Adaptación sobre una Rueda Felt.

Al tratarse de un aeromotor bipala, su coeficiente de potencia sería del 46%; nuestro aeromotor bipala adaptado a la rueda trasera obtendría su mayor eficacia cuando la velocidad del viento aparente se encuentra próximo a 10m/sg.(36Km/h.), siendo capaz de rendir 79´7watios de potencia.

Sin embargo para alcanzar ésta eficacia requiere una persistencia del viento en la misma dirección y un ángulo de incidencia del viento constante atravesando con fluidez el rotor; estas circunstancias tienen lugar cuando el vector de incidencia del viento alcanza un ángulo de ataque próximo a los 25º respecto a nuestra trayectoria.

En la práctica la potencia real del aeromotor es muy variable, pero en su conjunto presenta efectos favorables, estimando una utilidad real que oscila entre entre 30 y 50watios, dependiendo de las condiciones: velocidad del ciclista, velocidad del viento, ángulo de incidencia del viento y tiempo de persistencia del viento.

Como penalización debemos asumir que precisa de un leve impulso complementario en el inicio de las fases de aceleración desde la posición de parado, hecho que no resulta significativo en las aceleraciones que se producen en velocidad lanzada.

Otras características complementarias del rotor: El diseño específico de sus palas.

Su apertura central en “S” y el diseño helicoidal de sus palas le permite cambiar la dirección del flujo aéreo para mejorar la energía cinética tangencial con impulsos antero inferiores y disminuir el ángulo de salida posterior del flujo resultante, elementos que facilitan la trazada y mejoran el confort de la marcha.

Recordamos la opinión de un triatleta. Asier Uría Cuenca, Triatleta. 2019.

Prueba en solitario sobre un recorrido de entrenamiento habitual y conocido por el deportista de ida y vuelta entre Getxo y Gernika, Bizkaia, sobre una distancia de 76Km., en un  trazado mixto de carretera y montaña.

La prueba tuvo lugar en un día de invierno con temperatura de 18ºc. y viento moderado, nivel 4 en la escala de Beaufort, que valora como 0 (calma total) y 12 (huracán); el viento nivel 4 es capaz de levantar polvo, papeles, y agitar las copas de los árboles; se considera como “bonancible o brisa moderada”, siendo equivalente a una velocidad entre 25 y 28km/h.

Rodando a una velocidad media de 25km/h., con viento en contra de nivel 4, de 25km/h. tuvo que superar una notable resistencia aerodinámica, equivalente a circular con una velocidad de 50km/h., y una resistencia aerodinámica equivalente a 5Kg.

• Velocidad (Km/h.)                                       20          30        40      50
• Resistencia aerodinámica (Kg.)                 0´8        1´8       3´2     5

Se trata de condiciones ambientales en las cuales el ciclo rotor eólico muestra sus cualidades cinemáticas, en las cuales la opinión y sensaciones del ciclista deben tenerse en consideración.

Los comentarios de Asier Uría fueron los siguientes:

• Durante la prueba la rueda adaptada mostró un buen comportamiento en el mantenimiento de la velocidad en llano y viento lateral moderado.
• Cuando la bicicleta alcanza su velocidad de crucero, se percibe una sensación de ayuda interesante.
• Sensación de seguridad en bajadas y curvas.
• Con algo de penalización en subidas.

El resultado global es de “buenas sensaciones” finalizando la prueba con “un buen sabor de boca”. La experiencia sugiere que una rueda con esta estructura dinámica, en tubular y carbono sería una buena opción de futuro.

 Porqué encontró Asier estos beneficios?

1.- Porque utilizó un aeromotor bipala en condiciones climáticas de eficiencia óptima.

2.- Porque el diseño específico de sus palas, la transforma en una rueda helicoidal, optimizando la energía de aceleración tangencial, la estabilidad en las trazadas y el confort de marcha.

Gabriel Saitua. Getxo 2020.