Para comenzar con nuestra parte teórica de nuestro informe, se hace menester explicar en términos sencillos la rama de la física que se preocupa de los problemas relacionados a los fluidos, ésta es:

La Aerodinámica

La aerodinámica es la parte de la Dinámica de Fluidos que básicamente estudia el comportamiento de las corrientes de aire en relación con los cuerpos que encuentra en su camino.

Notemos el vínculo de esta rama de la física, con respecto a todos los medios de transporte que vemos de manera cotidiana, tales como la bicicleta, los codiciados autos deportivos y motocicletas, todas tienen su base teórica basada en ella, pues los diseñadores no sólo se preocupan de que los colores de sus vehículos combinen y que sus motores rujan, también buscan la mejor armonía y desempeño del sistema con respecto al medio en el que interactúan permanentemente, que es el aire, y es allí donde esta rama de la física cobra real valor .

Entonces, cuando nosotros nos desplazamos por medio de un vehículo, éste se ve obligado a interactuar con las partículas de aire que se encuentran alrededor de él. Ante ello, el fluido se ve obligado a reaccionar con este cuerpo y se da entonces el efecto de separación, y así nacen las fuerzas aerodinámicas, las cuales nacen principalmente de diferencias de presión y de fricción, todo ello debido a la viscosidad que poseen los fluidos y que corresponde a su característica fundamental.

Luego, podemos hablar entonces de una gran fuerza aerodinámica llamada Fuerza de Arrastre, que es nuestro eje central del proyecto, y el origen de esta gran fuerza, es debido a la acción de 2 componentes, los cuales se enuncian a continuación:

La fuerza de fricción o arrastre friccional, la cual viene del roce producido entre el flujo de aire y la superficie expuesta a él, básicamente es una fuerza que depende radicalmente de la viscosidad del fluido. La cual recordemos es la oposición que presenta todo fluido frente a deformaciones tangenciales, siendo un fluido ideal aquél que posea viscosidad cero. Es necesario recalcar que en nuestra circunstancia no podemos considerar el aire como fluido ideal, dado que queremos diseñar un dispositivo que pueda ser implementado en la realidad y que logre con certeza una mejora en el diseño aerodinámico de la bicicleta.

Ahora bien, por citar un ejemplo cotidiano de cuando presenciamos este tipo de fuerzas es el siguiente:

Consideremos 2 tipos de superficie, una lisa y otra rugosa, y 2 tipos de líquidos con distinta viscosidad, aceite (alta) y agua (baja). Derramemos ambos líquidos en las superficies mencionadas, y luego podremos notar, que en la superficie lisa, el aceite no se expandió tanto como el agua; igual fue el caso sobre la superficie rugosa, donde podremos ver incluso que ambos fluidos se “expandieron” mucho menos que con respecto a la superficie lisa. Ante este experimento podremos concluir que esta fuerza depende tanto de la viscosidad del fluido como su superficie.

En el caso de la bicicleta, esta fuerza nace por una diferencia en el momentum de las partículas del aire, la cual hace que se produzca una fuerza normal a la superficie del cuerpo. Más adelante veremos inclusive que esta fuerza varía con la velocidad del fluido, y del tipo de flujo que tendremos.

La otra fuerza componente es la Fuerza de Presiones y el origen de esta fuerza se describe a continuación: El cuerpo, en este caso la bicicleta al desplazarse por el aire hace que las moléculas sean empujadas o movidas de su posición inicial, esto provoca una diferencia de presión entre el frontis y la parte trasera del móvil, por lo que estamos en presencia de un gradiente de presión, luego esta diferencia actúa en el área frontal de él, y es por ello que a mayor área, la fuerza de presiones será mayor. Un factor que nuevamente afecta este tipo de fuerza corresponde a la viscosidad del fluido. Un fenómeno que se da en este tipo de fuerza corresponde a la estela que deja el fluido debido al paso del cuerpo sobre él, más adelante veremos que el fenómeno enunciado será muy importante para poder describir el tipo de flujo en el que nos encontramos.

Un ejemplo de ello sería cuando estamos corriendo con viento en contra, supongamos que tenemos una chaqueta gruesa y empezamos a correr, notaremos que nos “costara” correr más si lo hiciésemos con los brazos extendidos y por esto se debe, al aumento de nuestra área efectiva que tiene el viento para contrarrestarnos, en cambio si corriésemos con los brazos más cercanos al cuerpo, nos contará menos “vencer” al viento en contra.

Otro ejemplo, en el que podamos notar la formación de esta estela del fluido corresponde al caso de una embarcación que va navegando por los mares, como lo muestra la siguiente imagen:

Notemos la estela en la parte trasera del velero.

Finalmente, analizando nuestro caso general, cuando nosotros nos desplazamos lentamente en la bicicleta no sentimos prácticamente el aire alrededor nuestro, es como si nos encontrásemos en “armonía” con él. Sin embargo a altas velocidades comenzamos ya a sentir que el aire nos comienza a “golpear” en el cuerpo de una forma mucho más pronunciada.

Frente a ello se hace menester explicar también los tipos de flujo que pueden adoptar los fluidos:

Flujo Laminar: Movimiento ordenado y estr

atificado de un fluido, de manera que el fluido se mueve en láminas paralelas y no se presentan mayores valores de fuerza de arrastre en los cuerpos que entran en contacto con este flujo. Y en este caso las partículas del fluido “vuelven” a un estado de equilibrio, un ejemplo de ello es el siguiente sistema:

Notemos cómo aquí el flujo es armonioso y no se crean mayores distanciamientos de las láminas del fluido. De hecho la estela que deja es casi despreciable.

Flujo Turbulento: Movimiento irregular y desordenado de un fluido, en donde las partículas del fluido se encuentran formando pequeños remolinos aperiódicos. Además, como las partículas son separadas de manera brusca, se obtiene una especie de espaciamiento grande entre las partículas denominada estela turbulenta (wake turbulence). Todo ello se traduce en un aumento brusco y notable de la fuerza de arrastre. Experimentalmente se demuestra que la fuerza de arrastre es proporcional al área efectiva de esta estela. Ejemplos de este tipo de flujos frente a distintos tipos de cuerpo son:

Notemos que aquí se presenta esta estela turbulenta, y se produce fundamentalmente frente a un cuerpo que impide totalmente o parcialmente, la separación lenta de las partículas del aire.

Un ejemplo que no deja de ser sorprendente es el efecto que se produce en un avión cuando despega

Notemos lo grande que es la estela turbulenta en este caso.

Entonces a lo mencionado anteriormente nos salta la siguiente duda:

¿Cuándo estamos en presencia de un tipo de flujo o de otro?

Luego, se hace necesario decidir cuándo estamos en presencia de un flujo u otro para llevar a cabo el estudio del sistema, y para ello se define:

Número de Reynolds: Numero adimensional, usado en mecánica de fluidos, diseño de reactores y fenómenos de transporte para caracterizar el movimiento de un fluido. Este número es directamente proporcional a la velocidad del fluido, su densidad y el diámetro del cuerpo que pasa por el, y es inversamente proporcional a la viscosidad del fluido.

Este número está dado por la siguiente expresión:

Donde

ρ: densidad del fluido

v_s: velocidad característica del fluido

D: Diámetro de la tubería a través de la cual circula el fluido

μ: viscosidad del fluido

Además, este número permite predecir el carácter laminar o turbulento de un fluido bajo el siguiente criterio:

Re<2000 style="font-family:Wingdings;">àFlujo Laminar

2000<4000àFlujo Transicional, su movimiento no puede ser modelado.

Re>4000à Flujo Turbulento

Experimentalmente, para nuestro caso, se tienen que para un rango de hasta 15 km/h se está en presencia de un flujo laminar y que entre los 15-20 km/h se está en transición de pasar a flujo turbulento, lo cual conlleva a adquirir una fuerza de arrastre de mayor magnitud.

Esto queda demostrado por medio del siguiente gráfico Fuerza de Arrastre Vs Velocidad

Ahora bien, para llevar a cabo el proceso de medición de la fuerza de arrastre, procederemos a despreciar la fuerza de roce producida por el contacto de las ruedas y el piso, debido a que a nivel comparativo, la fuerza de arrastre producida por el fluido es mucho más significante que la fuerza del roce, esto queda claro mediante el siguiente gráfico de medición de resistencias: