- Dos masas sometidas a un movimiento circular generan impulsos pulsátiles que pueden potenciarse con energía eólica a medida que aumentamos la velocidad de giro
- La energía rotacional aumenta su eficacia cinética cuando la sincronizamos con un pedaleo de alta cadencia
El estudio de la morfología, posición y área de la imagen luminosa que ofrece el rotor cuando éste es atravesado por un haz de luz nos informa cómo evoluciona la masa de aire que lo atraviesa. Veremos los cambios que se producen en cada cuadrante a medida que gira a rueda.
Materiales en la
construcción del Ciclo Rotor Eólico, ¿plástico o carbono?.
Gabriel Saitua. 2021
En 2021 iniciamos la construcción de un prototipo de Aeromotor Bipala en carbono, utilizando como composites: dos capas de tela de fibra de carbono, con resina epoxi y endurecedor; valoramos los resultados dinámicos de las primeras pruebas comparando los materiales en fibra de carbono y plástico polipropileno.
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Polipropileno. Bisel de 2´5mm.
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Carbono. Bisel de 1mm.
Prototipo de Aeromotor Bipala. Polipropileno 2020
Rueda Mavic Ksyrium
Prototipo de Aeromotor Bipala en Fibra de Carbono 2021
Rueda Mavic Aksium
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La energía del cuerpo en rotación
(Ec), o energía mecánica del movimiento, resulta de una composición entre el
movimiento de traslación del centro de la masa y el movimiento de rotación
alrededor del eje que pasa por el centro de masas.
Ec (energía cinética) = m (masa) x
velocidad al cuadrado/2
Resultado Ec en julios/m cuadrado/segundos
cuadrado. 1W/watio = 1 julio/segundo
En nuestro
caso, la masa total de las palas en el ciclo rotor eólico construido en polipropileno es de 145gr., por lo que su energía rotacional a una velocidad de
10m/sg. (1km/h.:3,6m/sg.), es decir 36Km/h., es de 7´25 julios(7´25watios/sg);
por otra parte, la masa del aeromotor en carbono, alcanza un
peso de 200gr., lo que a la misma velocidad, equivalente a una energía rotacional
de 10julios (10watios/sg).
Las diferencias
cinéticas obtenidas en las ruedas se pueden igualar modificando las aspas del aeromotor
de polipropileno, incorporando dos masas circulares planas de 50gr., situadas entre las dos caras que forman cada aspa.
Siguiendo el
análisis, debemos considerar el perfil de ataque del borde de las palas; las láminas
de polipropileno tienen un grosor de 2´5mm., mientras que la placa de carbono
es de tan sólo 1mm.; los resultados dinámicos de ambos modelos se aproximan si realizamos
un pulido de los bordes expuestos al viento en el perfil del polipropileno, dotándole
de una morfología de ataque en forma de V.
2.- Energía mecánica en el aeromotor bipala adaptado a la
rueda de bicicleta
La cantidad de
energía que posee el viento varía con el cubo de la velocidad media del viento,
expresado en metros/segundo y relacionado con el diámetro del rotor; en nuestro
caso se trata de un mini rotor limitado por el diámetro interno de la llanta de
0´6m.; la energía producida por ambos tipos de rotores será tanto la misma, con
independencia de los materiales utilizados en su construcción.
La potencia
mecánica que la turbina eólica entregada al buje viene determinada por la fórmula:
https://www.slideshare.net/EdisonOrbea/tema-i-introduccin-a-las-turbinas-elicas-y-sus-orgenes
La producción
de energía mecánica en un aeromotor bipala comienza a manifestarse con una
velocidad próxima a 6´9m/sg., es decir que cuando la velocidad aparente es de 25Km/h., comienza la transición del flujo de aire laminar hacia un flujo
turbulento; en éste momento, la energía
disponible en el aeromotor es de 31w/sg., lo que corresponde a un
aprovechamiento real, en torno a 15w/sg.
Para conocer ésta circunstancia realizamos un
estudio comparativo de dos tipos de aeromotores, construidos en fibra de carbono y
polipropileno; para ello utilizamos un tramo
controlado de carretera de 5Km.,(Subida al monte Umbe. Bizkaia), con una pendiente media del 2´5% y un desarrollo fijado en 34/14, con una bicicleta Cannondale Synapse;
las pruebas fueron realizadas por el mismo ciclista y en las mismas condiciones
climáticas, con viento suave y un precalentamiento de 10Km.
3.- Estudio comparado de materiales. Subida al Monte Umbe
A.- Mavic Aksium con Aeromotor de Carbono. Peso 200gr.
Aeromotor en
Carbono. Detalle del helicoide
157 ppm
Frecuencia cardiaca media
25,2 km/h
Velocidad media en movimiento
187 W
Potencia
media
216 W
Normalized Power® (NP®)
1,078
153 kJ
Trabajo
B.- Mavic Krysium con Aeromotor de Polipropileno. Peso 145gr.
Resultados
162 ppm
Frecuencia cardiaca media
24,7 km/h
Velocidad media en movimiento
180 W
Potencia media
185 W
Normalized Power® (NP®)
0,923
129 kJ
Trabajo
En el estudio se compararon dos ruedas Mavic, en aluminio y gama media incorporando Aeromotor y la rueda Campagnolo Eurus en aluminio de alta gama sin adaptaciones:
· Rueda Mavic Ksyrium S: precio de mercado www.deporvillage.com 209 euros.
Rueda Campagnolo Eurus.
Bicicleta Cannondale Synapse
En las mismas condiciones de viento y clima, con la misma bicicleta y desarrollo 34/14, en un tramo de carretera de 5Km., con un porcentaje del 2´5%, en los ensayos realizados por el mismo ciclista, se encontraron que la velocidad media más eficiente se obtuvo con la rueda Mavic Aksium, de menor precio, y con Aeromotor Bipala en Fibra en Carbono. Sus resultados superan en 0´5Km/h. a la rueda Mavic Ksyrium y en 0´8Km/h. a los registros obtenidos con una rueda convencional de aluminio alta gama, Campagnolo Eurus.
A medida que aumentamos la velocidad >25Km/h., la potencia que NOS ofrece el aeromotor aumenta con el cubo de la velocidad, optimizando los resultados publicados.
Cuando la
velocidad del viento aparente alcanza los 10m/sg. (1km/h: 3,6msg.), equivalente
a 36Km/h., la energía mecánica máxima teórica que entrega el rotor alcanza los 94w/sg.;
sin embargo, dada la posición del aerogenerador respecto a la dirección del
viento, la potencia útil desciende, entre 1/3 a 1/2 de su potencia
máxima, es decir con una oferta entre 31w/sg. y 47w/sg.; las variaciones en los rangos de
potencia instantánea están determinados esencialmente por el ángulo de incidencia del viento y por la persistencia del mismo. Cuando persiste el ángulo del viento incidente, la potencia instantánea recibida será óptima.
En la práctica
del ciclismo en ruta, ésta pequeña mejora en la potencia, entre 31 y 47watios, tiene efectos significativos, si la usamos adecuadamente con paso de los kilómetros; la ayuda eólica
recibida en fases de aceleración y en el mantenimiento de la velocidad
lanzada, permite finalizar la salida en bicicleta con una menor fatiga muscular,
con una mayor eficiencia dinámica.
Desde un punto
de vista aerodinámico, las primeras pruebas disponibles, tanto el aeromotor, construidos en
polipropileno y en carbono han mostrado resultados similares en carretera; tanto su capacidad de aceleración como la aeroelasticidad, tolerancia
aeroelástica y seguridad ante vientos cruzados variables han sido similares.
4.- Conclusiones
El análisis
comparado de las estructuras en polipropileno y carbono nos indica que la
diferencia es esencialmente de carácter estético, por lo que resulta razonable optar por el polipropileno como primer material
básico para su construcción y uso rutinario en carretera, reservando el carbono
para competición.
Entre las ventajas del polipropileno se encuentran, su accesibilidad y facilidad para la manipulación de sus planchas, junto con un menor coste de los materiales necesarios para su construcción.
Gabriel Saitua, Getxo 2021
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