Comportamiento aerodinámico de un móvil

Cuando un sólido interactúa con el aire, en las moléculas del aire próximas al mismo se produce una distorsión, comenzando a moverse alrededor del sólido. El aire cambia de forma, fluyendo alrededor del sólido y manteniendo un contacto físico en todos sus puntos. Dos son las propiedades fundamentales del aire a tener presentes: su viscosidad y su densidad. En el caso del conjunto bicicleta-ciclista ha de considerarse su forma, su rugosidad superficial, el área de contacto con el aire y, sobre todo, la velocidad relativa entre éste y el aire.

Todo esto se traduce en que, sobre cada punto de la superficie del cuerpo, estén presentes un par de fuerzas, una fuerza de presión, normal a la superficie del cuerpo, debido a la velocidad relativa entre ambos, y una fuerza de rozamiento, tangente a la superficie del cuerpo, debida a la viscosidad del aire. Si sumamos todas las fuerzas de presión y rozamiento que actúan sobre los diferentes elementos de superficie obtenemos, como resultante, una fuerza neta total, que estará aplicada en un punto imaginario, denominado centro de presiones. Si establecemos la dirección de movimiento del fluido y descomponemos esa fuerza neta en dos componentes, en la dirección de dicho movimiento y en su perpendicular, tenemos que la primera de esas componentes, llamada fuerza de arrastre (arrastre inducido que son producidos por la dinámica del flujo debido a la forma particular del cuerpo) que se opone al avance del cuerpo y la segunda, llamada fuerza de adherencia o sustentación, hace que el vehículo se adhiera o tenga tendencia a separarse del suelo. La resultante en la dirección normal de la suma de fuerzas de rozamiento suele ser despreciable por simetría.

En esta figura podemos ver la Velocidad del móvil (representada por la flecha amarilla) y la fuerza de roce (roja), fuerza de arrastre del fluido (blanca), el peso (naranja) y la normal (morada).

Finalmente la fuerza total que actúa sobre el móvil es, dada una altura h:

F_total = (F_rocel + F_acelerción + F_Normal + P + F_arrastre)/h

Así mismo descomponer cada una de estas fuerzas resulta en lo siguiente, con m (masa) y g (gravedad):

· F_roce = c_r m g c_r:: Coeficiente de roce.

· F_{acceleración} = a m a: Aceleración.

· F_Normal = a m

· F_fluido = rho c_w A v_fluido² /2 c_w : Coeficiente de arrastre. v_fluido: Velocidad del móvil.

A: Área de contancto frontal con el fluido. rho: Densidad del fluido.

· P = m g: El peso del móvil.

Cabe notar que la resultante de la suma (Peso + Normal) tiene 3

· F_Normal + P = 0: El móvil va en una superficie horizontal.

· F_Normal + P > 0: El móvil va en subida.

· F_Normal + P <0: El móvil va en bajada.

Ahora esto es para un móvil andando en un fluido inmóvil. Si agregamos la variable de fluido en movimiento, entonces la velocidad del fluido será una velocidad relativa:

v_fluidoReal = v_móvil + v_fluido

El flujo alrededor del ciclista puede ser laminar o turbulento (figura 2). 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. Este rango de transición se encuentra entre los 15 y los 20 km/h, las velocidades más frecuentadas en la práctica del bicicleta de montaña.