Medición de Presión, Velocidad y Fuerza de Arrastre

Velocidad:

Existen diversos métodos con distintos grados de precisión que nos permiten medir la velocidad de la bicicleta. Entre los más complejos están la medición mediante pistolas de radar o láser, y también mediante sistemas de posicionamiento global (GPS), pero estos sistemas quedan descartados por su complejidad y principalmente por el elevado costo que representan. En nuestro caso lo que más nos conviene usar es un velocímetro electrónico para bicicletas, que es fácil de conseguir y en caso de ser necesario, es relativamente barato de adquirir. Estos velocímetros funcionan con dos imanes, uno adosado a un rayo de la bicicleta y el otro en la horquilla. Cada vez que la rueda da una vuelta los imanes se juntan y así van registrando el número de vueltas de la rueda por unidad de tiempo, lo que sumado al radio de la rueda, entrega la velocidad. Estos dispositivos son relativamente precisos, dependiendo obviamente de su calidad.

Presión:
La presión total puede ser estimada desde la fuerza de arrastre, pero determinarla en distintos puntos aislados ya es mucho más complejo. Para ese efecto habría que contar con barómetros en los puntos de interés, pero tendrían que ir fijos de manera que midieran realmente lo que se necesita. Para este caso deben ser aparatos relativamente pequeños y precisos, que las presiones puntuales no serán excesivamente grandes, por lo que barómetros electrónicos u ópticos serían los más indicados.

Fuerza de arrastre.
Las fuerzas que se oponen al movimiento de la bicicleta son las de roce (en las partes móviles, específicamente los rodamientos) y la fuerza de arrastre (despreciando el roce sobre las superficies).

• Fuerza de arrastre: existen 3 métodos que consideramos posibles para realizar nosotros. El primero y quizá el más complicado consiste en remolcar la bicicleta con un automóvil y medir la fuerza de arrastre mediante un dinamómetro conectado entre la bicicleta y el auto. El segundo método consiste en dejar caer la bicicleta por una pendiente de inclinación constante y, si es posible, ir viendo su aceleración, o de lo contrario ir tomando su velocidad a distancias establecidas. Mediante la segunda ley de newton es posible encontrar la fuerza buscada. El último método consiste en darle un impulso inicial a la bicicleta e ir viendo como decrece la velocidad a lo largo de una pista plana y cuanto logra avanzar antes de detenerse.
  Hay que tener en cuenta que el ciclista debe adoptar una posición estándar para la continuidad de los resultados.



• Fuerza de roce: para medir esta fuerza se pueden aplicar básicamente los mismo métodos anteriores, pero a velocidades muy bajas, donde el efecto de la fuerza de arrastre pueda ser despreciado.

Sabemos que la Fuerza de roce aerodinámico es:

Ffluido = rho cw A vfluido2 /2

Donde cw es el coeficiente de arrastre, rho es la densidad del aire, A el área frontal proyectada y vfluido la velocidad relativa del aire con respecto a la superficie sobre la que se está circulando, en este caso la bicicleta.
rho y cw se pueden considerar constantes, así que la Ffluido dependerá de la vfluido y de A que cambia notablemente con la posición del ciclista.
Para realizar los experimentos la posición del ciclista será la misma en todas las pruebas por lo que el área frontal proyectada también se considerará constante. De esta forma la Ffluido vendrá definida por la ecuación:

Ffluido = K vfluido2

Donde K = rho cw A /2

Para calcular esa constante podemos realizar el siguiente experimento. En una cuesta de pendiente constante sin dar empuje con los pedales dejamos que la bicicleta gane velocidad hasta que esta se estabilice. Cuando esto ocurra Ffluido = P sen (α) se habrá igualado al peso multiplicado por el seno del ángulo (α) que forma la cuesta con la horizontal (la fuerza normal y [P cos (α)] se anulan), tal como se muestra en la figura:
La masa de la bicicleta y el ciclista suman M Kg. Podemos calcular la velocidad de la bicicleta midiendo 2 puntos y el tiempo que se demora en atravesarlos, o usar un velocímetro. Una vez obtengamos una velocidad estable de la bicicleta ya se puede aplicar la ecuación:

Froce = ( Froce +Ffluido ) = M g sen (α)

Ffluido = M g sen (α) – Froce

Para medir la fuerza de roce, medimos la fuerza en las ruedas. Para esto podemos lanzar la bicicleta por un sector horizontal y calcular el tiempo que tarda en detenerse.
Luego utilizando nuestra primera ecuación:

Ffluido = K vfluido2= M g sen (α) - Froce
K = (M g sen (α) - Froce)/ vfluido2

Finalmente la constante de roce aerodinámico será:

rho cw A /2 = (M g sen ( ) - Froce)/ vfluido2

cw =2 (M g sen (α) - Froce)/( rho A vfluido2 )

Donde rho es un valor conocido. En el caso del área, podemos calcularla para un coeficiente de roce aerodinámico conocido:

A =2 (M g sen (α) - Froce)/( rho cw vfluido2 )


Y una vez que obtenemos el área expuesta podemos calcular el coeficiente de roce aerodinámico para cualquier velocidad.