Propuestas para medir la velocidad, la fuerza total y las presiones en el prototipo

Velocidad

Para medir la velocidad mediremos la distancia recorrida por el ciclista y el tiempo con que
este recorre la distancia, luego, utilizando la fórmula v=d/t podremos obtener la velocidad
aproximada.

Fuerzas de rozamiento

¿Cómo se puede calcular el rozamiento que tiene que vencer una bicicleta?
La fuerza de rozamiento se puede dividir en la fuerza de rozamiento mecánica y la aerodinámica. La primera a diferencia de la segunda no depende de la velocidad y por tanto será el rozamiento aerodinámico el que determinará la velocidad a la que podamos ir.

Rozamiento mecánico

Este rozamiento incluye la fricción de las ruedas con el suelo, la fricción de la cadena y la fricción de todos los rodamientos de la bicicleta: los de las ruedas, pedales, etc.
La fuerza de rozamiento de las ruedas (tanto como la fricción con el suelo como la de los rodamientos) se puede calcular de la siguiente manera: en un terreno llano (sin ningún cambio de nivel) se mide el tiempo que tarda en pararse la bicicleta (sin que tu ejerzas ninguna fuerza, es decir sin pedalear) desde una velocidad inicial pequeña para poder despreciar la fuerza de rozamiento del aire.
Al llevar este experimento a la práctica nos damos cuenta de que es muy impreciso esperar hasta que se detenga la bicicleta, depende de la habilidad del ciclista (su equilibrio), por tanto se medirá el tiempo que tarda la bicicleta en reducir la velocidad hasta unos pocos kilómetros por hora (velocidad final) Las velocidades cuanto más pequeñas sean mejor (más precisión), ya que estamos despreciando el rozamiento del aire y éste aumenta con la velocidad.
Con estos datos ya se puede calcular la fuerza de rozamiento de las ruedas mediante el primer principio de Newton: F=m·a. Como la fuerza de la gravedad y la normal se anulan la fuerza de rozamiento es la fuerza resultante, la masa será la suma de la masa del ciclista y la de la bicicleta (se calcularán con un peso) y la aceleración es la diferencia de la velocidad (v=vf-vi) dividido entre el tiempo que ha tardado que serán los datos que recojamos. Por tanto la fuerza de rozamiento ejercida en las ruedas será:

Vf-Vi/tf-ti=a

Fr=m·a
(La fuerza anteriormente calculada es la fuerza de rozamiento de las ruedas, que es parte de
la fuerza de rozamiento mecánico)
Para poder encontrar la fuerza de rozamiento mecánico, podemos calcular la velocidad inicial y final en un tramo y luego aplicando la ecuación de energía, podemos encontrar la fuerza de rozamiento. Sería algo como:
Eci = Ecf + Frm*x x, distancia alcanzada (Así podemos calcular la fuerza de rozamiento mecánico total)

Fuerza de rozamiento de la transmisión

Para calcular esta fuerza de rozamiento pondremos pesos en los pedales. El ciclista estará montado en la bicicleta porque de no ser así la Frm, disminuiría. Los pesos se colocarán cuando el pedal esté en su altura más alta y se dejará que por su peso la bicicleta adquiera velocidad bajando desde un lugar más alto. Una vez hecho esto, con la siguiente ecuación, se podrá calcular la Frm.:

Ep = Ec + Frm·_x

Si a esta fuerza le restamos la calculada anteriormente obtendremos la fuerza de rozamiento que se produce en la transmisión: cadena, pedales, etc. (Así podemos calcular la fuerza de rozamiento de transmisión)
Entonces: fuerza rozamiento total = Fuerza de rozamiento de la transmisión + La fuerza de rozamiento de las ruedas Cada una calculada por si sola.

Rozamiento aerodinámico:

El rozamiento aerodinámico es producido por el choque de las moléculas que componen el aire, que al chocar cambia su cantidad de movimiento y ejerce una fuerza normal a la superficie. Cuanto mayor sea la velocidad a la que se desplace el ciclista mayor variación sufrirá la cantidad de movimiento de las moléculas y mayor será la fuerza normal que ejerzan. Por otra parte el deslizamiento de las moléculas también produce un importante rozamiento.
Como hemos dicho el rozamiento aerodinámico depende de la velocidad, pero por más razones que las anteriormente explicadas. El flujo alrededor del ciclista puede ser laminar o turbulento. A velocidades bajas el flujo será laminar y por tanto el rozamiento muy pequeño, pero a velocidades más altas el flujo laminar se vuelve inestable y las capas del aire comienzan a separarse, como consecuencia el flujo se vuelve turbulento y el rozamiento es mucho mayor. Sin embargo, la mayor fuerza de rozamiento tiene lugar en la región cercana de transición de los dos flujos, pudiendo ser hasta 5 veces mayor que en la región del flujo turbulento.
Para medir esta fuerza, la posición del ciclista será la misma en todas las pruebas anteriores,
por lo que el área frontal proyectada también se considerará constante. De esta forma la fuerza rozamiento aerodinámico Fra vendrá definida por la ecuación:

Fra = K·v^2
Donde k = ½ *C*A*d

Donde:
- C es el coeficiente de resistencia del aire
- A es la arrea de la superficie proyectada de la bicicleta
- d es la densidad del aire
Para calcular esa constante haremos el siguiente experimento. En una cuesta de pendiente constante sin pedalear dejamos que la bicicleta gane velocidad hasta que esta se estabilice. Cuando esto ocurra la Fr, se habrá igualado al peso multiplicado por el seno del ángulo
(alpha) que forma la cuesta con la horizontal (la fuerza normal y Peso·cos(alpha) se anulan). De ese modo, se puede despejar la constante C.

Presión

Cuando nos referimos a presión nos estamos refiriendo a la presión que ejerce el aire sobre la bicicleta (bicicleta + prototipo) y el ciclista.
Como sabemos, la presión es una fuerza por unidad de área, y en este caso en particular, la
fuerza que ejerce el aire sobre la bicicleta y el ciclista, es exactamente la fuerza de rozamiento aerodinámico del aire, pues es la fuerza que tiende a frenar al ciclista.
Por ello para calcular la presión ejercida por el aire sobre la bicicleta, debemos dividir la fuerza de rozamiento aerodinámico del aire (antes calculada) por la superficie proyectada de la bicicleta, que está en contacto con ésta fuerza (o mejor dicho, que se encuentra en la misma dirección que ésta fuerza). Lo mismo sucede para el caso del ciclista, la presión será la fuerza de rozamiento aerodinámico dividido por la superficie proyectada del ciclista en la dirección en que actúa la fuerza de rozamiento.