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Diseño de un bicigenerador de corriente eléctrica

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Academic year: 2020

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FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA

“DISEÑO DE UN BICIGENERADOR DE CORRIENTE ELÉCTRICA”

TESIS PARA OPTAR EL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO

AUTOR: Br. PEREZ VASQUEZ, HOOBER JESER

ASESOR: Ing. ACOSTA HORNA, JUAN ELY DAVID

TRUJILLO – PERU

(2)

PRESENTACIÓN SEÑOR DECANO DE LA FACULTAD DE INGENIERIA.

SEÑORES MIEMBROS DEL JURADO:

De conformidad con lo estipulado por el Reglamento de Grados y Títulos de la Escuela Profesional de Ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional de Trujillo, presento a su consideración la presente tesis: “DISEÑO DE UN BICIGENERADOR DE

CORRIENTE ELECTRICA”

El presente estudio tuvo como finalidad elaborar el diseño de máquina sobre energías

renovables y que sirva como alternativa al consumo excesivo de energía eléctrica producido por

Por el quemado de combustibles fósiles provocando la contaminación atmosférica.

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DEDICATORIA

A Dios, por darme el regalo de la existencia. A mis padres queridos MIGUEL y IDA, por todo el sacrifico, perseverancia y amor incondicional, que me ha permitido ser una persona de bien en toda la extensión de la palabra.

A mí querido hermano RICARDO por ser

(4)

AGRADECIMIENTO

A mi padre, MUIGUEL PEREZ ORBEGOSO Y mi madre, IDA VASQUEZ AMAYA; por sus apoyos incondicionales, con sus constantes consejos que me han permitido ser una mejor persona cada día.

A mi asesor Ing. Juan Acosta Horna por darme el respaldo, apoyo y dedicación para el desarrollo de mi proyecto de tesis, brindándome su tiempo, experiencia y consejos.

A todos los maestros que me brindaron su apoyo, su amistad, y la formación

(5)

ÍNDICE ANALÍTICO

PRESENTANTACIÓN ………..….i

DEDICATORIA ……….…ii

AGRADECIMIENTO………....iii

INDICE ANALITICO ………..iv

LISTA DE FIGURAS………vii

LISTA DE TABLAS………viii

RESUMEN………….………..ix

(6)

CAPITULO I. INTRODUCCIÓN

1.1 Introducción ………...1

1.2 Realidad problemática ... ...2

1.3Justificación... ..3

1.2.1 Justificación técnica ... ....3

1.2.2 Justificación económica……….………...……...3

1.3.3 Justificación Social………...4

1.4 Objetivo ...4

1.3.1 Objetivo general ...4

1.3.2 Objetivos específicos...4

CAPITULO II. FUNDAMENTOS TEORICOS 2.1 Antecedentes...5

2.2 História de la Bicicleta...7

2.3 Anatomía de la bicicleta...15

2.4 Salud en bicicleta………..18

2.5 Energía de propulsión humana………..23

2.6 generalidades de la transformación de energía mecánica a energía eléctrica a partir de la bicicleta estática……….29

CAPITULO III. MATERIALES Y METODOS 3.1 Material de estúdio...46

(7)

CAPÍTULO IV. RESULTADOS Y DISCUSION

4.1 Resultados…………....………..………..58

CAPÍTULO V. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

5.1 Conclusiones……….67

5.2 Recomendaciones………..67

CAPITULO VI. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

(8)

LISTA DE FIGURAS

Fig N°2.1. Retrato de Karl Drais………...8

Fig. N°2.2. La draisiana (ca. 1820)……….10

Fig N°2.3. La bicicleta de pedales moderna………..12

Fig. N°2.4. Evolución histórica de la bicicleta………..13

Fig N°2.5. Diagrama de los componentes de una bicicleta………15

Fig. N°2.6. Plato y bielas………....18

Fig. N°2.7. Cadena de transmisión……….……..18

Fig. N°2.8. Forma de pedalear en una bicicleta………..30

Fig.N°2.9.Ángulos característicos del pedaleo………...35

Fig. N°2.10. Posiciones del pedal a lo largo del ciclo……….37

Fig. N°2.11. Diagramas de cuerpo libre en la bicicleta………..39

Fig. N°2.12. Transmisión de la fuerza en la bicicleta……….41

Fig. N°2.13. Ángulos en el conjunto biela-pedal………..42

Fig. N°2.14. Diagrama de reloj de las fuerzas sobre el pedal………...44

Fig. N°2.15. Diagrama de criterio de dos ciclistas………..45

Fig N° 3.1. Pedales Modernos………..47

(9)

Fig. N°3.3. Partes de un alternador………...51

Fig. N°3.4. Regulador de voltaje: ………....51

Fig. N°3.5. Batería de Libre mantenimiento……….…..52

Fig.N°3.6 Volante de inercia. 15” de diámetro y 30 Kg de peso……..54

Fig N° 4.1. Diseño del Bicigenerador………..58

Fig N°4.2. Vistas respectivas del bicigenerador………..…….59

Fig N°4.3. Vista Isométrica del bicigenerador………..60

Fig N°4.4. Sistema de transmisión de potencia………61

Fig. N° 4.5. Desarrollo métrico………63

Fig N°4.6. Vistas Normalizadas del diseño Final……….66

LISTA DE TABLAS

Tabla N°3.1 Tabla de tamaños de bielas……….55

(10)

RESUMEN

A lo largo de este trabajo se ha desarrollado el diseño de un sistema que

permita generar electricidad a partir de una fuente renovable que en este caso es la energía cinética generada por personas durante su práctica de ciclismo indoor, actividad aeróbica que se realiza sobre una bicicleta estática.

Dicha energía actualmente no se aprovecha y se disipa en forma de calor.

El objetivo de este proyecto es aprovechar esa energía desperdiciada

acumulándola en batería, total o parcialmente. El sistema está formado por elementos que se encuentran disponibles actualmente en el mercado y se explica brevemente el funcionamiento de cada uno de ellos a los efectos de

entender el funcionamiento global del sistema.

La principales conclusiones es que logró realizar el diseño del bicigenerador, toda su configuración y se describió todas las relaciones de transmisión, así

como el cálculo de la velocidad a la cual funcionará el bicigenerador, a pesar que el diseño con una solo volante hace que se cargue más a un lado que a

otro, se debería realizar un nuevo diseño, pero con dos volantes pequeñas a los costados para lograr la estabilidad de la máquina y un generador de flujo Axial y mejorar su rendimiento con imanes de neodimio.

(11)

ABSTRACT

Throughout this work, the design of a system that allows generating electricity from a renewable source has been developed, which in this case is the

kinetic energy generated by people during their indoor cycling practice, aerobic activity that is carried out on a bicycle static This energy is currently

not used and dissipated in the form of heat.

The objective of this project is to take advantage of that wasted energy by

accumulating it in battery, totally or partially. The system consists of elements that are currently available in the market and the operation of each of them is briefly explained in order to understand the overall operation of the system.

The main conclusions are that he managed to carry out the design of the two-cylinder, all its configuration and described all the transmission ratios, as well as the calculation of the speed at which the double-cylinder will work,

although the design with a single steering wheel makes it Load more from one side to another, a new design should be made, but with two small

steering wheels on the sides to achieve machine stability and an Axial flow generator and improve its performance with neodymium magnets.

(12)

CAPITULO I

1.2 INTRODUCCION

La bicicleta es un vehículo no motorizado que nos ha acompañado desde hace varios años, es un vehículo liviano fácil de conducir apto para todas

edades. Además de ser un deporte olímpico muchos doctores recomiendan el uso de bicicleta ya que estimula los músculos y nos mantiene saludable

quemando grasa corporal no deseada.

Por otro lado, el problema de la energía se ha vuelto vital en nuestra época donde casi todos nuestros dispositivos y toda nuestra infraestructura

depende de corriente eléctrica sin la cual nuestras vidas colapsarían. En ese sentido generar energía eléctrica sin contaminar y emitir gases nocivos a la

atmosfera es todo un reto para los ingenieros de nuestra época soluciones eco amigables para no seguir contaminando el medio son ideas que están de moda ahora que se quiere detener el efecto invernadero en la tierra. El uso

del mecanismo de la bicicleta no es nuevo hay muchísimos diseños en la actualidad desde nuestra perspectiva presentamos un diseño para el

estudiante universitario que desee producir electricidad en su casa mientras lee, estudia, ratos libres o solo por hecho de mantenerse en forma, energía que se desperdicia de alguna u otra manera, pero que se podría almacenar

(13)

1.2 REALIDAD PROBLEMATICA

En nuestro país al igual que en el resto del mundo se esta mirando a las fuentes de energías renovables y a las no contaminantes como sabemos el cuidado del medio ambiente, la protección de nuestro hábitat y la no

contaminación se han vuelto políticas de estado.

En la actualidad con el uso de los Smartphone, tablets, laptops y otros

dispositivos nos hacen muy dependientes de la energía eléctrica, a la cual recurrimos constantemente.

Una fuente inagotable de energía es la Fuerza Motriz Humana, en ese

sentido el ser humano derrocha energía a cada momento así que parte de esta energía se podría de alguna manera almacenar.

En el mercado existen diferentes dispositivos para generar electricidad algunos mejores que otros, como son las celdas fotovoltaicas, pero dependen de la luz solar, en nuestro caso la fuerza motriz humana está a

disposición.

Además, tenemos el problema del sedentarismo, a diferencia de épocas

pasadas el aglomeramiento de las personas en ciudades y el uso masivo de transporte motorizado a con llevado que nuestra capacidad de mantenernos

(14)

aprovechan para ir al gimnasio donde deben pagar para quemar grasa y producir energía que se cede al medio en forma de calor, algo paradójico

desde el punto de vista energético.

1.3 JUSTIFICACION

1.3.1 Justificación Técnica.

Si parte de la energía humana se pudiera almacenar sería un logro muy importante, ya que nuestro cuerpo es en sí una máquina que funciona las 24 horas del día, cuando caminamos, corremos, saltamos, jugamos quemamos

energía, el bicigenerador es un dispositivo sencillo fácil de usar y muy simple que nos permitiría aprovechar esta energía.

1.3.2 Justificación Económica.

Si bien es cierto para construir el bicigenerador se requiere de una inversión inicial, no hay comparación con los beneficios que se obtiene. Por un lado,

tenemos que nos mantiene en forma y con muy buena salud lo cual evita gastos adicionales en medicamentos. Además, el hecho de producir energía

involucra un ahorro cuantitativo ya que nuestro consumo energético domiciliario y por ende nuestra factura de consumo de energía eléctrica

(15)

1.3.3 Justificación Social.

Indudablemente el bicigenerador tendrá mucho más impacto para las poblaciones rurales y más abandonadas, y sería una manera muy viable de producir energía eléctrica.

1.4 OBJETIVOS

1.4.1 Objetivo General

 Diseñar un bicigenerador eléctrico

1.4.2 Objetivos específicos

 Diseñar la parte estructural del bicigenerador

 Establecer un diseño del mecanismo de transmisión de potencia

 Diseñar la parte mecánica en lo referente al cálculo de la estructura.

(16)

CAPÍTULO II

FUNDAMENTOS TEÓRICOS.

2.1 Antecedentes

En el trabajo Generation of Electrical Power using Bicycle Pedalde

Rajneesh Suhalka1, Mahesh Chand Khandelwal, Krishna Kant Sharma, Abhishek Sanghi, donde nos señala que se puede generar

electricidad usando el principio del pedaleo.

En la tesis “Design and Development of a Hybrid Human Powered Vehicle” nos muestra como diseñar un dispositivo para tener corriente

eléctrica.

En la Tesis de Maestría “Diseño y construcción de una bicicleta de

transmisión eléctrica” de Adrián Areces González Álvaro Noriega

González, básicamente consiste en el diseño del cuadro de una

bicicleta en la cual se sustituye la transmisión y el cambio mecánicos por una transmisión eléctrica. Para ello se dispone de un generador

(17)

En el trabajo de Investigación “DESARROLLO DE UN SISTEMA DE

GENERACIÓN ELÉCTRICA EFICIENTE A PARTIR DE

PROPULSIÓN HUMANA CON BASE EN UNA BICICLETA ESTÁTICA”. Se presenta el análisis de generación energética con propulsión humana empleando una bicicleta estática como elemento

común, accesible por muchos hogares colombianos. Se presentan los diferentes factores que intervienen en el aprovechamiento de este tipo

de energía, empleando un alternador como dispositivo de transformación de energía

En el trabajo titulado “INVESTIGACIÓN, DISEÑO Y PROTOTIPO DE

UNA BICICLETA ELÉCTRICA Y TECNOLOGÍAS EMERGENTES EN BATERÍAS”  Juan F. Hoyos†, Andrés F. Montoya, Andrés E. Diez,

José A. Bohórquez, En este artículo se describe de manera conceptual el proceso de investigación, diseño y ensamble del

prototipo de una bicicleta eléctrica, las soluciones encontradas a los problemas asociados durante las diferentes etapas del prototipo y por último se presenta el análisis de los resultados obtenidos durante las

(18)

2.2 Historia de la Bicicleta

La bicicleta, coloquialmente llamada bici (también denominada con

diferentes apodos en Hispanoamérica, por ejemplo: cicla o ciclo en Colombia, en Cuba chiva, en Uruguay bici, en México cleta, bici, bicla, baika, rila o birula y en Chile cleta, chancha o cicla), es un vehículo de

transporte personal de propulsión humana. Es impulsada por el propio viajero, que acciona el vehículo con el esfuerzo muscular de las

piernas, en particular mediante pedales o manivelas. Sus componentes básicos son dos ruedas, generalmente de igual diámetro y dispuestas en línea, un sistema de transmisión de pedales,

un cuadro que le da la estructura e integra los componentes, un manillar para controlar la dirección y un sillín para sentarse. El

desplazamiento se obtiene al girar con las piernas los pedales dispuestos de forma simétrica, cada uno con una palanca conocida como manivela están ensamblados en el cuadro, y en general el pedal

derecho es el que tiene la estrella mayor o plato donde se monta la cadena que a su vez hace girar el piñón, el cual finalmente hace girar

la rueda trasera sobre el suelo provocando entonces el desplazamiento. El diseño y la configuración básicos de la bicicleta han cambiado poco desde el primer modelo de transmisión de cadena

(19)

La paternidad de la bicicleta se le atribuye al barón Karl Drais, inventor alemán nacido en 1785. Su rudimentario artefacto, creado alrededor

de

1817, se impulsaba apoyando los pies alternativamente sobre el suelo. En la actualidad hay más de mil millones de bicicletas en el mundo,

utilizadas tanto como medio de transporte como vehículo de ocio.

Fig N°2.1. Retrato de Karl Drais.

Es un medio de transporte sano, ecológico, sostenible y económico,

válido para trasladarse tanto por ciudad como por zonas rurales. Su uso está generalizado en la mayor parte de Europa, y llega a ser, en países como Suiza, Alemania, Países Bajos, Bélgica, algunas zonas

de Polonia y los países escandinavos, uno de los principales medios de transporte. En Asia, especialmente en China y la India, es el

(20)

Las bicicletas fueron muy populares en la década de 1890 y, más tarde, en las de 1950 y 1970. Actualmente está experimentando un

nuevo auge y su uso crece considerablemente en todo el mundo debido al alto precio del combustible, pues la bicicleta resulta muy ecológica y económica.

En el Antiguo Egipto se fabricaron artefactos rudimentarios compuestos por dos ruedas unidas por una barra. También se conoció

en China un artilugio muy similar, pero con ruedas hechas de bambú. Existe la creencia de que las primeras noticias que se tienen sobre una bicicleta datan del año 1490, aproximadamente, en la obra Codex

Atlanticus, de Leonardo da Vinci. En ellos puede verse un boceto de una bicicleta con transmisión de cadena impulsada por unos pedales

(el mismo método empleado por las actuales), pero no fue más que una broma perpetrada en la década de 1960. No fue sino hasta 1997 cuando el doctor Hans-Erhard Lessing puso en duda la autenticidad

del diseño. Un estudio detallado demostró que el dibujo que aparece en el códice era una falsificación añadida después de su restauración

en los años 60, más precisamente entre 1967 y 1974.

(21)

consistía en un listón de madera terminado en una cabeza de león, de dragón o de ciervo, y montado sobre dos ruedas. No tenía articulación

alguna, y para las maniobras había que echar pie a tierra; esa misma rigidez hacía que todas las variaciones del terreno repercutieran sobre el cuerpo de su montura. Sin embargo, el conde Mede Sivrac, inventor

de célérifère, nunca existió. El personaje fue creado en 1891 por el periodista francés, especialista en la locomoción terrestre, Louis

Baudry de Saunier (1865-1938). Para él, era más gratificante realizar una copia de la invención de Karl Drais para 1790 y atribuirlo a un francés, en su Historia General el velocípedo, que apareció en 1891.

(22)

En 1817, el barón alemán Karl Christian Ludwig Drais von Sauerbronn inventó el primer vehículo de dos ruedas, al que llamó máquina

andante (en alemán, laufmaschine), precursora de la bicicleta y la motocicleta. Esta «máquina andante» consistía en una especie de carrito de dos ruedas, colocadas una detrás de otra, y un manillar. La

persona se mantenía sentada sobre una pequeña montura, colocada en el centro de un pequeño marco de madera. Para moverse,

empujaba alternativamente con el pie izquierdo y el derecho hacia adelante, en forma parecida al movimiento de un patinador. Con este impulso, el vehículo adquiría una velocidad casi idéntica a la de un

carruaje. Sus brazos descansaban sobre un apoyabrazos de hierro, y con las manos sostenía una vara de madera, unida a la rueda

delantera, que giraba en la dirección hacia la cual quería ir el conductor.

Este invento estaba basado en la idea de que una persona, al

caminar, desperdicia mucha fuerza por tener que desplazar su peso en forma alternada de un pie al otro. Drais logró crear este sencillo

vehículo que le permitió al hombre evitar ese trabajo. Esta máquina, denominada inicialmente draisiana en honor a su inventor y posteriormente llamada más comúnmente velocípedo, evolucionó

(23)

El herrero e inventor francés Pierre Michaux también es considerado uno de los desarrolladores de la bicicleta moderna.

Fig N°2.3 La bicicleta de pedales moderna

Como puede observarse en este modelo de los años 1900, el diseño

del cuadro «diamante» se ha mantenido más de cien años.

La construcción de la primera bicicleta con pedales se atribuye al

escocés Kirkpatrick Macmillan, en el año 1839. Una copia de la bicicleta de Macmillan se exhibe en el Museo de Ciencias en Londres, Inglaterra. Macmillan nunca patentó el invento, que posteriormente fue

copiado en 1846 por Gavin Dalzell de Lesmahagow, quien lo difundió tan ampliamente que fue considerado durante cincuenta años el

(24)

Cerca de 1890, el inglés John Boyd Dunlop (aficionado al ciclismo y creador de la empresa homónima) inventó una cámara de tela y

caucho, que se inflaba con aire y se colocaba en la llanta. Para evitar pinchazos, Dunlop inventó además una cubierta también de caucho. Estos inventos de Dunlop casi no han sufrido variaciones significativas

desde su invención.

EVOLUCIÓN DE LA BICICLETA

(25)

La bicicleta es el medio de transporte personal preferido por muchas personas. 800 000 000 de bicicletas son utilizadas diariamente en el

mundo, la mayoría son bicicletas domésticas y de paseo, denominadas genéricamente «bicicleta urbana» o City-bike. Son dedicadas a todo tipo de usos cotidianos, especialmente cuando se

trata de recorrer numerosos trayectos cortos, ya que se pueden recorrer cuatro veces más rápidos que a pie. Destaca su énfasis en la

comodidad a costa del peso, con asiento y manubrio cómodos, sistemas de transmisión integrados en el propio buje, o de un solo cambio, guardabarros, además de contar generalmente con una o

más canastillas para el transporte de objetos. También es común que tengan accesorios urbanos como timbre, candado, luces y

(26)

2.3 Anatomía de la bicicleta

Fig N°2.5 Diagrama de los componentes de una bicicleta.

Existen diferentes tipos de bicicletas, pero básicamente todas son

similares, aunque los componentes difieran en calidad, diseño y peso, así como en la agilidad y modalidad de uso. En orden de importancia,

una bicicleta está formada por los siguientes componentes:

 Cuadro: El más común, es en forma de rombo, también llamado

de diamante o de doble triángulo. Los clásicos eran de hierro o

(27)

aluminio o de titanio, o incluso de fibra de carbono entre otros materiales.

 Horquilla: Pieza formada por el tubo de dirección que sujeta el

buje de la rueda delantera; puede ser fija o con suspensión.  Ruedas: Después del cuadro, las ruedas son el elemento de

mayor importancia para el rendimiento de la bicicleta. Son los únicos elementos que están en contacto con el suelo y los que

le proporcionan la tracción necesaria para el movimiento. Cuando las ruedas giran, cada una de ellas actúa como un giroscopio, lo que ayuda al equilibrio y estabilidad de todo el

conjunto.

 Neumático: El neumático es parte de la rueda y es la

combinación de una cubierta protectora y una cámara inflable instalada alrededor de la llanta que le da rigidez y sirve de estructura al eje de rodadura de la bicicleta.

 Transmisión: Incluye los cambios de marcha externos tipo

desviadores (dérailleur) delanteros y traseros y cambios

internos en el buje de la rueda trasera, ambos manejados por palancas de cambio.

 Palanca de cambio: Cambiadores de marchas incluyen

(28)

 Potencia: La potencia (o tija del manillar), en conjunto con la

horquilla delantera, son los componentes de una bicicleta que

proporcionan una interfaz entre sí con el tubo frontal del cuadro.  Manillar: Los manillares varían entre una anchura de 52,5 a

60 cm (21 a 24 pulgadas), los anchos permiten un control a

velocidades bajas mientras los estrechos son mejores para velocidades altas, los estrechos además son convenientes en la

ciudad para escurrir entre los automóviles. Un tipo de manillar se denomina «cola de ballena». Se distingue de los demás en que carece de los extremos libres que caracterizan al manillar

tradicional.31

 Sillín: De los sillines existentes en el mercado, unos son

delgados y ligeros para reducir el peso mientras otros modelos anatómicos están diseñados para el confort.

(29)

Fig. N°2.6 Plato y bielas.

Fig. N°2.7 Cadena de transmisión.

2.4 Salud en bicicleta

El uso frecuente de la bicicleta conlleva beneficios directos a la salud, a continuación algunos de ellos:

 Músculos: Durante el pedaleo están implicados los músculos de

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sostener el manillar, hombros y brazos. Estos trenes musculares son ejercitados con la actividad ciclista.

 Sistema esquelético: El uso de la bicicleta tiene un efecto

positivo sobre la densidad ósea y la fuerza debido a la tensión que el cuerpo aplica en el pedaleo y conducción del velocípedo.

El movimiento cíclico de las piernas estimula los músculos de la espalda baja, donde las hernias discales son más probables de

ocurrir. De esta forma la columna vertebral se refuerza y asegura contra tensiones externas. En particular, el ciclismo puede estimular los músculos pequeños de las vértebras que

son difíciles de afectar a través de otro ejercicio. Esto puede ayudar a reducir la probabilidad de los dolores de espalda y

otros problemas.

 Protección de articulaciones: El ciclismo es especialmente

bueno en la protección y la alimentación de cartílagos ya que el

apoyo de la bicicleta redunda en que las fuerzas que actúan como consecuencia de peso corporal se reducen

drásticamente. El movimiento circular de la bicicleta ayuda al transporte de la energía metabólica a los cartílagos, reduciendo la probabilidad de la artrosis.

 Estrés: El ciclismo tiene un efecto relajante considerable debido

(31)

físicas y emocionales del cuerpo. Esto contrarresta la ansiedad, la depresión y otros problemas psicológicos. El ejercicio

también controla el equilibrio hormonal.

 Oxigenación: La respiración es a menudo afectada por la

adiposidad y la falta de ejercicio. Entre otras cosas, la actividad

física regular y moderada fortalece los músculos respiratorios, lo que conduce a una mejor ventilación de los pulmones y por lo

tanto tiene un efecto positivo en el intercambio de oxígeno.  Corazón: El ciclismo es ideal para entrenar el corazón y hacerlo

más fuerte y menos propenso a enfermedades cardíacas. Al

usar bicicleta todos los factores de riesgo que conducen a un ataque al corazón se reducen y al hacerlo regularmente se

minimiza el riesgo de ataque cardíaco en más de un 50 %.  Obesidad: El ciclismo es ideal para enfrentar los problemas de

obesidad pues un 70 % del peso del cuerpo recae sobre el

sillín, permitiendo así a las personas que de otra manera no podrían moverse fácilmente hacer ejercicio para mejorar su

forma física y estimular el metabolismo de las grasas. A su vez, el uso de la bicicleta contribuye a la reducción de peso por la quema de energía.

 Colesterol: El ciclismo puede entrenar al organismo a utilizar las

(32)

colesterol. El ejercicio regular durante la juventud es un factor de prevención contra el exceso de peso en los adultos.

 Presión arterial: El ciclismo moderado puede prevenir, o al

menos reducir, la presión arterial alta y así ayudar a evitar un accidente cerebrovascular o daño a los órganos. La presión

arterial se reduce a menor frecuencia cardiaca, que es el resultado del ejercicio regular aeróbico.

 Cáncer: Se ha demostrado que la actividad física regular

reduce el riesgo de los cánceres de colon, mama, próstata y páncreas, y, posiblemente, de pulmón y cáncer de endometrio.  Resistencia: El ciclismo es especialmente bueno para los

ejercicios aeróbicos ya que la tensión en el cuerpo es menor

que en otros deportes de resistencia. Aumentar la capacidad de resistencia reduce el cansancio y la fatiga, esto promueve una sensación de bienestar.

 Belleza: La belleza y el atractivo están muy ligados a la forma

del cuerpo y condición. El ciclismo pueden influir positivamente

en ellos mediante el control del peso corporal y la forma muscular. La piel también se beneficia de los procesos metabólicos que son estimulados. Además, el ciclismo afecta

(33)

 Entrenamiento físico: Además del ejercicio moderado regular, el

cuerpo se beneficia de una mayor actividad exigente de vez en

cuando, lo que mejora el estado físico y proporciona una mayor distracción de los problemas cotidianos. El ciclismo puede proporcionar una actividad más intensa simplemente de

pedaleando más rápido o más fuerte.

 Calidad de vida: La actividad física tiene un efecto directo sobre

el bienestar y la salud. El ciclismo tiene numerosas ventajas que pueden influir directamente en la calidad de vida, ya que aporta beneficios tanto física como emocionalmente. El ejercicio

regular, tomada como una parte integral de la vida diaria, es necesario para mejorar permanentemente la calidad de vida.  Los beneficios secundarios: Más ciclismo, especialmente como

alternativa a los viajes en automóvil, traería beneficios sustanciales para la salud de la sociedad en su conjunto,

debido a la mejor calidad del aire, reducción de ruido y peligro, y una mayor independencia para los niños.

(34)

experto para elegir el tamaño correcto de su bicicleta y ajustarla a su antropometría para evitar posibles lesiones o accidentes.

Estandarización, dentro de ISO se encarga el Comité Técnico "ISO/TC 149 Ciclos".

2.5 ENERGÍA DE PROPULSIÓN HUMANA

En países en desarrollo, es razonable la necesidad de buscar formas

de generación energética mecánica que no demanden de ningún consumo eléctrico. Se encuentran aplicaciones para licuar frutas, lavar

ropa, moler trigo, taladrar, etc. Con base en movimientos rotacionales impulsados por personas.

En otros países, se han desarrollado formas de generación con

múltiples personas, ejemplo de ello, se tienen parques infantiles, gimnasios, puertas giratorias en centros comerciales, etc.

Tomando una energía de propulsión externa se aprovecha la energía cinética que se genera a través de mecanismos de transmisión que se adaptan a generadores de corriente continua para así convertir la

(35)

gran variedad de trabajos, llegando a reemplazar en algunos casos máquinas que solo podían ser accionadas por la electricidad.

DEFINICIONES RELACIONADAS CON LA ENERGÍA Y LA POTENCIA

Para el sistema de generación eléctrica eficiente a partir de

propulsión humana con base en una bicicleta estática es necesario establecer los términos que rigen el comportamiento del cuerpo humano en presencia de actividad física.

Las siguientes son algunas de las definiciones de las variables usadas en la cuantificación de la energía:

Joule (J): Un joule es el trabajo producido por una fuerza de 1

N, cuyo punto de aplicación se desplaza 1 metro en la dirección de la fuerza. Esta cantidad cuantifica la cantidad de

trabajo mecánico absoluto realizado, dado que el trabajo mecánico es la carga física real que se está imponiendo sobre el cuerpo.

(36)

producción de energía igual a 1 J por segundo. Por tanto, cuando se está realizando un trabajo de 200W, se está

generando 200J de energía mecánica cada segundo.

Caloría: Una caloría (cal) es una unidad de energía alternativa

al julio que se define como la energía requerida para aumentar en 1°C la temperatura de 1 gramo de agua en condiciones ambientales estándar (Tamb = 25oC, Patm = 1 atm. La relación

entre calorías, Joule y Wh es:

1 kcal = 4184 J = 1,1622 Wh.

Eficiencia bruta: Suele definirse como la relación entre el

trabajo mecánico realizado y la energía global invertida. Para calcular la eficiencia bruta, tomaríamos la energía mecánica y la dividiríamos por la energía total que el cuerpo consume

(calculada midiendo el consumo de oxigeno convirtiéndolo luego a joule). El término eficiencia bruta se refiere más a la

economía metabólica interna que a la economía global del sistema hombre-máquina. La única forma de calcular con precisión la eficiencia bruta es realizando una prueba de

(37)

Energía cinética rotacional: Es la energía que posee un

cuerpo de masa m por consecuencia del movimiento rotacional

provocado por una fuerza externa. La energía cinética rotacional de un cuerpo viene dada por:

𝐸𝐶 =1 2l 𝜔

2

Ec. Energía cinética.

: Velocidad angular (rad/s)

l: Momento de inercia de la asa sobre el eje de rotación (kg/m.m)  Potencia mecánica: Es el trabajo desarrollado por un

elemento para desplazar o rotar un cuerpo en la unidad del tiempo. Se puede transmitir por el accionamiento de un

mecanismo o por esfuerzo físico realizado a dicho cuerpo. La potencia mecánica viene dada por:

𝑊̇ 𝑀 = 𝑇 × 𝜔

Donde:

𝑊̇ : Potencia mecánica

(38)

Potencia eléctrica: Es la relación de paso de energía de un flujo por unidad de tiempo por lo tanto potencia es igual a

tensión a la que se conecta el receptor, por la intensidad que atraviesa el receptor y viene dado por la por:

𝑊̇ 𝐸 = 𝑉 × 𝐼

Donde:

V: Tensión

I: Corriente

El cuerpo es una máquina compleja, lo cual explica por qué los científicos siguen aún explorando afanosamente su funcionamiento

interno después de siglos de estudio. De hecho, aunque se conozca en líneas generales la anatomía y fisiología de los principales

sistemas del cuerpo, existen vacíos aún en las razones implícitas para el aumento del ritmo cardiovascular y la fatiga durante el ejercicio. Una de las razones de esta falta de claridad es que el

organismo es tan complejo que lo más probable es que haya múltiples factores implicados, cada uno de los cuales puede

(39)

PRODUCCIÓN DE ENERGÍA EN EL CUERPO HUMANO

El cuerpo humano al comportarse como una maquina térmica tiene la capacidad de generar trabajo a través de la conversión energética

realizada en el sistema metabólico el cual es el encargado de suministrar los nutrientes y azucares necesarios (adenosin trifosfato (ATP)) para el óptimo desempeño de cada uno de los órganos y

sistemas que componen el cuerpo humano. El organismo no es eficiente al 100% al convertir metabólicamente en energía mecánica

la energía almacenada, sino que, como el motor de combustión de un automóvil, la inmensa mayoría se transforma en energía térmica,

de tal modo que el cuerpo humano sólo es eficiente en un 20-25 por ciento.

Para permitir la realización de distintos tipos de ejercicio, desde

aceleraciones súbitas en el pedaleo hasta pruebas de resistencia de 60 km, el cuerpo humano emplea tres sistemas metabólicos de la

energía distintos pero interrelacionados para generar ATP: el sistema anaeróbico aláctico o de fosfocreatina, la glucólisis anaeróbica y el metabolismo o sistema aeróbico.

(40)

máx.); también puede estimarse la cantidad de calorías usadas en una actividad física mediante el uso de tablas que asignan un factor de

pérdidas de calorías para cada actividad.

2.6 GENERALIDADES DE LA TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA MECÁNICA A ENERGÍA ELÉCTRICA A PARTIR DE LA BICICLETA

ESTÁTICA

El principal beneficio de la actividad física en este equipo es la posibilidad de ejecutar un entrenamiento cardiovascular de bajo impacto

para las articulaciones. Con el uso constante de una bicicleta estática es posible: tener más aliento y resistencia en la vida cotidiana, bajar la

presión, reducir la incidencia de las enfermedades cardiovasculares y mantener siempre activas las articulaciones. También puede llegar a reducir considerablemente el estrés, permite descargar la tensión

cotidiana y ayuda a mantenerse en forma más tiempo. El funcionamiento del sistema de generación es inicialmente accionado

por la fuerza que le imprimen las piernas del tripulante a los pedales con lo cual se logra transmitir potencia a través de la cadena y rueda de

(41)

Fig. N°2.8. Forma de pedalear en una bicicleta.

La fuerza promedio que se puede ejercer en los pedales es aproximadamente 30 kg por lo tanto la fuerza aplicada es de 294,3 N

con lo cual se puede estimar la potencia que se genera así:

Donde:

T: Es el torque F: Fuerza aplicada

L: Longitud de la biela. La cual se toma como 17 cm (longitud más utilizada en la construcción de bielas para bicicleta)

(42)

𝑇 = 294,3 N × 0,17 m

𝑇 = 50,031 Nm

Por lo tanto si se logra mantener una velocidad de pedaleo de 60

rpm, que equivale a 6,283 rad/s, se estimaría la potencia generada con la expresión:

𝑊̇ 𝑀: 50,031 Nm × 6,283 rad/s

𝑊̇ 𝑀: 314,344 W

Se considera que una persona de constitución física promedio puede pedalear varias horas sin sufrir fatiga y recuperarse rápidamente si se mantiene generando alrededor de 75 W (Whitt y

Wilson, 1982). Los autores plantean además que una persona puede realizar un trabajo 3 a 4 veces superior al ponerse de pie

para alcanzar potencias de 300 W en periodos muy cortos de tiempo. Al ponerse de pie una persona requiere normalmente más energía, haciendo que se fatigue en menor tiempo, pero también

aumenta más la palanca que ejerce el peso corporal sobre los pedales e involucra músculos adicionales, haciendo así posible una

potencia más elevada.

(43)

𝑁1 × 𝑍1 = 𝑁2 × 𝑍2

Donde:

𝑁1 = Revoluciones alcanzadas al pedalear

𝑍1 = Número de dientes del piñón conductor

𝑁2 = Revoluciones alcanzadas en la volante de inercia

𝑍2 = Número de dientes del piñón conducido

Las revoluciones se trasmiten directamente a la volante de inercia

que almacena una energía cinética que puede ser transmitida o transformada en otro tipo de energía por medio de alguna maquina o elemento capaz de aprovechar dicha energía, ya que la volante

puede ser utilizada como elemento de transmisión. Esta energía entregada por la volante de inercia viene dada por la ecuación.

La energía que se transmite a través de la volante de inercia puede aumentar o disminuir dependiendo de la relación que sea posible

usar. El número de revoluciones transmitido por la volante se puede calcular haciendo uso de la siguiente ecuación:

𝑁1 × 1 = 𝑁3 × 3

(44)

∅1= Diámetro de la volante

𝑁2= Revoluciones alcanzadas en el eje del alternador

∅2= Diámetro de la rueda de fricción.

Para el aprovechamiento de la energía cinética rotacional que se

genera en una bicicleta estática se adecua un generador eléctrico el cual entregará una potencia eléctrica, que puede ser calculada con

la expresión.

Toda transmisión de potencia genera pérdidas. Para cuantificarlas se

establece la eficiencia del sistema así:

Donde:

𝜂: Eficiencia del sistema generador de electricidad

Biomecánica del ciclismo

Es necesario describir la biomecánica del pedaleo puesto que más

(45)

los elementos de transmisión de la bicicleta y por tanto interesa determinar los esfuerzos característicos del pedaleo.

Se puede considerar el cuerpo humano como un mecanismo que aplicará una determinada fuerza en el conjunto de transmisión de la bicicleta.

Si nos fijamos en la prueba de los 4000 m, que exige un nivel de esfuerzo estacionario con un ritmo de pedaleo prácticamente

constante. Concretamente se ha realizado el experimento en 7 ciclistas rodando a 100 rpm con una relación de marchas de 50/13.

Además si se observa mediante técnicas de cinematografía capaces de fotografiar los atletas en movimiento y de esta manera se pueden identificar los rangos de los ángulos que forman las piernas en los

puntos muertos superiores e inferiores.

Se pueden ver que los ángulos máximos y mínimos del muslo

(46)

puesto que ésta comienza al moverse el muslo por la misma línea que pasa por el centro del tronco.

Si ahora nos fijamos en la rodilla, vemos que el rango del movimiento va desde los 37º a los 111º tal como se puede ver en la Figura.

Fig. N°2.9. Ángulos característicos del pedaleo

También se puede observar en la misma Figura la variación de los distintos experimentos con cada uno de los ciclistas que es de unos

(47)

modificadas dichas posiciones, esto es por ejemplo cuando el ciclista se levanta del sillín.

Otra medida que resulta interesante es el ángulo que forma el tobillo, es decir el pie con la tibia. Teóricamente se ha defendido que éste ángulo debe ser positivo con el origen el eje horizontal durante

la parte superior del ciclo del pedal y negativo mientras el pedal está recorriendo la semicircunferencia inferior, de modo que el momento

en el que se produciría el punto de inflexión sería el plano horizontal, sin embargo, en la práctica se observa que los ciclistas

realizan el primer cambio de inclinación poco antes de llegar al punto muerto superior y el segundo, hacia valores negativos del ángulo del tobillo, no en la horizontal, sino con un adelanto de unos

(48)

Fig. N°2.10: Posiciones del pedal a lo largo del ciclo

Ubicación y origen de las fuerzas

El punto fundamental para entender el movimiento es determinar las fuerzas que lo provocan. Si planteamos el equilibrio de fuerzas en un ciclista, y sobre la misma trazamos un diagrama de

cuerpo libre comprenderemos de dónde vienen y cómo se transmiten las fuerzas que mantienen el equilibrio y producen el

movimiento.

Fuerzas del equilibrio

En primer lugar se analizan las fuerzas del equilibrio, que en el

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fuerzas G1 y G2 aplicadas sobre las ruedas trasera y delantera respectivamente, sirven para equilibrar el conjunto de fuerzas

formadas por el peso distribuido en los distintos apoyos y las de accionamiento de los pedales.

Éstas últimas se pueden medir gracias a un aparato colocado en

el pedal. Como tenemos que el ciclista está en equilibrio estático, las fuerzas verticales se compensarán y no habrá fuerzas

horizontales puesto que en este caso no existe movimiento de avance del ciclista.

Fuerzas del movimiento

Ahora queda analizar qué ocurre cuando el ciclista pone la bicicleta en movimiento. En primer lugar el ciclista debe empujar

el pedal hacia abajo, con lo que P1 aumentará mientras que el otro pedal supondremos que no está recibiendo ninguna fuerza.

Debido al par que se produce en el plato por la aplicación de la

fuerza anterior, la cadena transmitirá el mismo al piñón y éste a la rueda provocando una fuerza sobre el suelo no sólo con sentido

(50)

provocará por la tercera ley de Newton, que el suelo aplique sobre la rueda una fuerza de la misma magnitud y dirección pero

distinto sentido y punto de aplicación. Además de estas modificaciones de las fuerzas existentes en el equilibrio aparece sobre el ciclista la presión que ejerce el viento, que se puede

considerar como una fuerza aplicada en el centro de presiones del ciclista. Ésta será una fuerza horizontal con sentido hacia

atrás.

Por lo tanto, la condición para que la bicicleta empiece a moverse es que la componente horizontal de la fuerza G1 debe ser mayor

que las fuerzas de resistencia a la rodadura y aerodinámica.

(51)

Transmisión de las fuerzas.

Para entender mejor la evolución de los esfuerzos que provocan

el movimiento se muestra en la Figura 9 un diagrama de cuerpo libre en el que se ha eliminado la cadena. Pero además se

incluyen los módulos de las fuerzas, lo que ayuda a ver que la fuerza aplicada sobre el pedal es mucho mayor que la que la rueda aplica a la carretera, concretamente será proporcional a la

relación entre la longitud de la biela L1 y el radio de la rueda trasera.

Si damos valores a las constantes que aparecen en la Figura, por ejemplo:

L1=17 cm; L2=10 cm; L3=2.25cm; L4=35cm

Entonces tenemos que la relación de las fuerzas queda de la siguiente manera:

𝐹4 = 𝐿1. 𝐿2

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Fig. N°2.12. Transmisión de la fuerza en la bicicleta

A la misma conclusión puede llegarse razonando en términos de

momentos sabiendo que el momento en la cadena de transmisión es constante.

(53)

Las fuerzas del pedal en detalle

Como se puede observar la fuerza no siempre es perpendicular a

la dirección del eje longitudinal de la biela y por tanto se deben considerar los ángulos que se muestran en la Figura 2.13:

1: Ángulo entre la biela y la vertical

2: Ángulo entre el eje del pedal y la vertical

3: Ángulo entre la fuerza aplicada y el pedal

4: Ángulo entre la biela y la vertical. Es la suma de 1 y 2

De esta forma se pueden determinar las componentes

normal o efectiva y tangencial de la fuerza aplicada por el ciclista sobre el pedal.

(54)

En este punto ya se puede definir correctamente el momento de propulsión que se aplica al plato y que

finalmente será transmitido hasta la rueda:

𝑁𝑃 = (𝐹𝑒

𝑖𝑠𝑞𝑢𝑖𝑒𝑟𝑑𝑎

+ 𝐹𝑒

𝑑𝑒𝑟𝑒𝑐ℎ𝑎

)𝑥𝐿2

Donde Fe indica fuerza efectiva y L2 es la longitud de la biela.

Diagrama de la fuerza

Hasta ahora hemos tratado las fuerzas como si el pedal permaneciese inmóvil a lo largo del tiempo, sin embargo,

éste recorre una trayectoria circunferencial y por lo tanto es necesario considerar las variaciones de la fuerza sobre el

pedal durante todo el recorrido del pedal.

Así pues debemos introducir el diagrama de reloj, mostrado en la Figura, que contiene la información de la

(55)

Fig. N°2.14: Diagrama de reloj de las fuerzas sobre el pedal

De este diagrama se puede suponer que la fuerza orientada según el vector dibujado encima del pedal nunca tiene una orientación

totalmente vertical. Además, se observa que tal y como se ha definido la fuerza efectiva, podemos decir que existe una gran fuerza no efectiva en la parte inferior del ciclo.

El diagrama de criterio

Hemos estudiado el diagrama de reloj para ver la evolución de la fuerza en el pedal, lo que no proporciona información para

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en cada uno de los sectores, calculada mediante integración de la fuerza a lo largo del segmento circular.

De esta manera se puede determinar el signo del impulso aportado en cada segmento, esto es, si el momento aportado al plato tiene el sentido de avance de la rueda o no, y se puede perfeccionar la

técnica del ciclista de manera que produzca el mínimo impulso negativo para reducir pérdidas de energía.

(57)

CAPÍTULO III

MATERIALES Y MÉTODOS

3.1 MATERIAL DE ESTUDIO

Componentes mecánicos de la bicicleta

El sistema mecánico principalmente compuesto por el bastidor de

una bicicleta estática convencional la cual cuenta con los mecanismos y elementos necesarios para la transmisión de

potencia; estos son:

Pedales: Proporcionan la superficie de apoyo al pie del ciclista; elemento fundamental e indispensable en cualquier máquina que

requiera el impulso que pueden desarrollar las piernas del cuerpo humano. Pueden ser construidos en polímeros de alta densidad. Gracias a ellos podemos ejercer la fuerza para desplazar la

bicicleta mediante un eje conectado a la biela y una plataforma, ya sea esta más pequeña o grande, automática o normal. La

automática permite engancharse mediante una cala en la zapatilla al pedal para así tener un mejor control de la bicicleta, pero también más peligroso si no tenemos práctica suficiente. La plataforma es la

(58)

permitiendo poner pie en el suelo mucho más rápido.

Fig N° 3.1. Pedales Modernos

Biela-plato: Este es un conjunto que puede ser construido como un solo elemento o como en la mayoría de los casos como

elementos ensamblables entre sí; la función desempeñada por este conjunto es la de obtener el par desarrollado por las

piernas el cual se trasmitirá directamente hacia el plato, que finalmente, dependiendo del número de dientes multiplicara o disminuirá el par inicial. Ambas piezas construidas en aluminio.

Otro punto a destacar es la variedad de medidas que puede tener una biela. Por una parte la longitud del brazo: mayor

longitud significa mayor brazo de palanca, pero menor distancia al suelo. Las medidas más comunes son 170mm, 175mm y 180mm. La otra medida es la del diámetro de los agujeros de los

(59)

Cadena de rodillos: Por medio de este elemento se realiza la transmisión de potencia entre ejes, este tipo de cadenas están

presentes en la mayoría de bicicletas debido a su eficiencia, que se encuentra alrededor del 96-97% con lo cual se estará transmitiendo en su totalidad la potencia entregada.

La cadena es un elemento fundamental para el movimiento de la bicicleta y, pese que han surgido inventos como la transmisión por correa (tipo Harley Davison) o por cardán (tipo BMW), el

sistema de eslabones es el que se ha impuesto por el momento.

Piñón: El piñón conducido es el encargado de recibir la

velocidad angular y el par que se transmite por la cadena; este puede estar girando a mayores o menores revoluciones dependiendo de la relación existente.

(60)

Rodamiento: En todo elemento o máquina en la cual se haga presente un movimiento de rotación será indispensable usar un

elemento que disminuya en gran medida la fricción, con lo cual las pérdidas de potencia serán menores.

Los rodamientos que se pueden observar en todo el sistema de

generación constan de 2 tipos.

 Rodamientos rígidos de bolas: Tienen un campo de

aplicación amplio. Son de sencillo montaje y no desmontables, adecuados para altas velocidades de funcionamiento, y además

requieren poco mantenimiento (eje del alternador).

 Rodamientos axiales de agujas: Pueden soportar grandes

cargas axiales y requieren de un espacio axial mínimo. son rodamientos de simple efecto y solo pueden absorber cargas

axiales en un sentido. Este tipo de rodamientos es comúnmente muy utilizado en los pedales para bicicletas.

 Volante de inercia: Puede ser considerado como un elemento

o sistema que tiene la característica de almacenar energía cinética y suavizar el movimiento rotativo en un eje ya que

consigue disminuir la fluctuación en la velocidad angular.

 Rueda de fricción: Aprovechando la fricción siempre presente

(61)

aprovechan para comportarse como elementos de transmisión de potencia limitados por el resbalamiento por lo cual se usa

para aplicaciones que no requieran potencias considerables.

Componentes eléctricos.

Los componentes eléctricos necesarios para el desarrollo del sistema de generación son los siguientes:

 Alternador: Componente principal en el sistema eléctrico de

los automóviles el cual suministra la electricidad necesaria para el funcionamiento de todos los instrumentos y elementos

eléctricos presentes; la electricidad proporcionada puede ser también almacenada en las baterías de arranque de cualquier automóvil. El alternador es el elemento del circuito

eléctrico del automóvil que tiene como misión transformar la energía mecánica en energía eléctrica ac, proporcionando así

(62)

Fig. N°3.3. Partes de un alternador. Disponible en:

 Regulador: Los reguladores son necesarios para controlar el

rango admisible de tensión en las baterías puesto que éstas

solo admiten cierto valor de tensión el cual no puede exceder ni estar por debajo del rango admitido por la batería, en este

caso el regulador mantiene una tensión máxima de salida del alternador de 14.5 V.

(63)

 Batería: Su función es almacenar energía eléctrica, la cual se

encuentra confinada en celdas; estas celdas trasforman la

energía química en eléctrica mediante un proceso llamado electrólisis que consiste en el proceso que separa los

elementos de un compuesto por medio de la electricidad. En ella ocurre la captura de electrones por los cationes en el cátodo (una reducción) y la liberación de electrones por los

aniones en el ánodo (una oxidación).

Fig. N°3.5. Batería de Libre mantenimiento.

 Interruptor: Un interruptor es el dispositivo encargado de

(64)

determinado punto de la red eléctrica.

 Bombillos: Mediante la corriente que fluye por un filamento

de pequeñas dimensiones el cual se encuentra rodeado por un gas y una membrana por lo general constituida por un

tipo de vidrio con propiedades térmicas y visuales; capaz de generar luminosidad. En este caso es usado como indicador en el momento que se empieza a generar electricidad en el

alternador éste se apaga.  Volante de inercia.

El Volante de inercia, es un elemento totalmente pasivo que únicamente aporta al sistema una inercia adicional de modo

que le permite almacenar energía cinética. Este volante continúa su movimiento por inercia cuando cesa el par motor que lo propulsa. De esta forma, el volante de inercia se opone a

las aceleraciones bruscas en un movimiento rotativo. Así se consiguen reducir las fluctuaciones de velocidad angular. Es

decir, se utiliza el volante para suavizar el flujo de energía entre una fuente de potencia y su carga. En la actualidad numerosas líneas de investigación están abiertas a la búsqueda de nuevas

(65)

Fig.N°3.6. Volante de inercia. 15” de diámetro y 30 Kg de peso

3.2 Método de Procedimiento

En nuestro caso hemos visto varios diseños que utilizan

diferentes configuraciones, y de acuerdo a lo investigado en los antecedentes nuestra propuesta es realizar un diseño conceptual

basado en lo siguiente

El diseño deberá ser estable y fijo y en posición erguida con

apoyo en la espalda para prevenir dolores lumbares

El mecanismo de transmisión deberá ser apoyado por una volante que permita estabilizar las fluctuaciones de torque.

(66)

El Alternador escogido es el perteneciente a un Toyota Yaris.

El diseño se realizará en un software CAD y se podrecerá a

mostrar las medidas principales.

Se realizará una simulación para ver la integridad de la estructura. En general la Estructura estará sobredimensionada

en virtud de que con la volante de 15 pulgadas y 30 Kilos el conjunto tiende a vibrar conforme aumenta la velocidad.

Cálculos

Siempre el objetivo ha sido tener mayor potencia y esto se ha

conseguido con desarrollos más largos y mayor potencia, agrandando las bielas pero hay tablas respecto al tamaño de la

persona.

Talla Longitud de la biela

Menos de 152 cm 160 cm

Entre 152 y 168 cm Entre 165 y 167.5 cm

(67)

Entre 183 y 189 cm 172.5 mm

Entre 189 y 195 cm 175 mm

Más de 195 cm Entre 180 y 185 mm

Tabla N°3.1. Tabla de tamaños de bielas

La fuerza promedio que se puede ejercer en los pedales es aproximadamente 30 kg por lo tanto la fuerza aplicada es de 294,3 N

con lo cual se puede estimar la potencia que se genera así:

T= F x L

Donde:

T: Es el torque F: Fuerza aplicada

L: Longitud de la biela. La cual se toma como 17 cm (longitud más utilizada en la construcción de bielas para bicicleta)

Reemplazando los valores en la ecuación:

𝑇 = 294,3 N × 0,17 m

𝑇 = 50,031 Nm

Por lo tanto, si se logra mantener una velocidad de pedaleo de 60

(68)

𝑊̇ 𝑀= 50,031 Nm × 6,283 rad/s

(69)

CAPÍTULO IV.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

4.1 RESULTADOS

Después de hacer las correcciones al modelo bocetado se procedió

al dibujo respectivo del diseño conceptual.

(70)
(71)

Fig N°4.3 Vista Isométrica del bicigenerador

El marco será hecho en tubo cuadrado LAC 2pulgx2pulgx3.0

Para este espesor el conjunto tiene gran peso, si suponemos un

peso de una persona de 100 Kilos mas la volante de 30 Kilos la Estructura se carga con un gran factor de seguridad llegando el

mayo punto de concentración de tensión a no superar los 45 MPa. Según simulación realizada en software CAE.

Para la transmisión del pedal al eje I, suponiendo que una

(72)

Relación de marchas

Fig N°4.4. Aquí aprecíamos el sistema de transmisión de potencia.

La relación de marchas o «razón de cambio» (proporción entre plato y piñón), se refiere a la velocidad a la que las piernas del

ciclista dan vueltas en comparación con la velocidad a la que giran las ruedas.

Un cambio, como una palanca, es un medio para variar el ritmo

al que se realiza el trabajo. A este ritmo de variación se le denomina «razón de cambio». En una bicicleta, esta razón

(73)

coronas. Como ejemplo, en el sistema de medición de «desarrollo métrico», con un plato de 52 dientes (D), una vuelta

completa de las bielas hará girar cuatro veces una rueda con una corona de 13 dientes (D), (la razón es de 4:1), mientras que un plato de 28 D hará girar una vez una rueda con una corona

de 28 D (la razón es de 1:1). Una combinación de 52/13 D es grande y proporciona velocidad, mientras que una combinación

de 28/28 D es baja y proporcionará fuerza para subir cuestas, aunque sea lentamente.

Como las piernas de los ciclistas son más eficientes en una

extensión estrecha de velocidades de pedaleo (cadencia), una relación de marchas con el equipamiento de una transmisión

(74)

Fig. N° 4.5. Desarrollo métrico

A los ciclistas a menudo les resulta útil contar con una representación numérica de la transmisión proporcionada por

sus bicicletas. Esto les permite tomar decisiones significativas en la personalización de sus engranajes, y puede ser útil para

comparar el rendimiento de una bicicleta con otra. Hay varios sistemas para medir esto, entre ellos son los siguientes:

Desarrollo métrico

El desarrollo métrico es la distancia, medida en metros, que viaja la bicicleta por una revolución de la manivela. Se calcula

(75)

𝑑𝑒𝑠𝑎𝑟𝑟𝑜𝑙𝑙𝑜 𝑚é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜 = 𝐿𝐶 𝑥

𝑛

𝑚

=

𝑑 𝜋 𝑛

𝑚

donde LC representa la longitud de circunferencia de la rueda

motriz medida en metros, n el número de dientes del plato, m el número de dientes del piñón trasero trasera y d el diámetro de la rueda motriz en metros. Existen tablas con el desarrollo

métrico de acuerdo con las características de la bicicleta

DESARROLLO MÉTRICO Diámetro nominal de rueda: 27"

Plato → 36 40 44 48 52 56 Corona ↓

12 6.48 m 7.20 m 7.92 m 8.64 m 9.36 m 10.09 m 13 5.98 6.65 7.31 7.98 8.64 9.31 14 5.56 6.17 6.79 7.41 8.03 8.64 15 5.19 5.76 6.34 6.92 7.49 8.07 16 4.86 5.40 5.94 6.48 7.02 7.56 17 4.58 5.08 5.50 6.10 6.61 7.12 18 4.32 4.80 5.28 6.17 6.24 6.72 20 3.89 4.32 4.75 5.19 5.62 2.05 22 3.54 3.93 4.32 4.71 5.11 5.50 24 3.24 3.60 3.96 4.32 4.68 5.04 26 2.99 3.33 3.66 3.99 4.32 4.65

(76)

La marcha de trabajo será 52/13, con el dato del 60 rpm, tendremos una velocidad de rotación de 240 RPM

Del eje de la volante al Alternador tendrá una relación de poleas 9

pulgadas/3 pulgadas, si esta relación la multiplicamos por 240

tendremos la velocidad a la cual rotara el alternador que es de 720

RPM velocidad mínima para que el alternador pueda funcionar.

Después de finalizada el diseño claramente se observa que en la estructura se carga más a un lado que al otro esto es debido

al peso de la volante, por lo cual se podría haber colocado volantes más pequeñas a ambos lados para que la distribución

(77)
(78)

CAPÍTULO V

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

5.1 Conclusiones

 Se logró realizar el diseño del bicigenerador y toda su

configuración

 Se describió todas las relaciones de transmisión, así como el

cálculo de la velocidad a la cual funcionara el bicigenerador.  Se obtuvieron las medidas, así como la disposición de los

principales equipos.

5.2 Recomendaciones

 El diseño con una solo volante hace que se cargue más a un

lado que a otro se debería realizar un nuevo diseño, pero con

dos volantes pequeñas a los costados

 El generador se puede cambiar por un generador de flujo

Axial y mejorar su rendimiento con imanes de neodimio.  Se debería colocar al usuario que pedalea con su centro de

(79)

 El Diseño debería poder doblarse y transportarse fácilmente

esto cambiara todo el diseño, pero así resultaría más

práctico.

 El diseño debería ser fabricado para ver su potencial y hacer

(80)

CAPITULO VI

6.1 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

[1] Michael Mazgaonkar, Ronnie Sabavalla, Ravi Kuchimanchi, “Pedal

Powered Electricity Generator” PP- 2-7, July 2010.

[2] Rajesh Kannan, Meggalingam, Pranav Sreedharan Vrliyara, Raghavengra

Murli Prabhu, Rocky Katoch, “Pedal Power Genetaion” Internatina Journal of

Applied Engineering Research, ISSN 0973-4562 Vol. 7 No. 11, 2012.

[3] Bradley Pelz and Jeffrey Feiereisen, “Bicycle Powered Generator for the

University Farm” Thesis PP-8-22.

[4] Nuno Brito, Luis Ribeiro and Joao Sena Esteves , “ Electroic Power

Generating Bicycle” 3ed International Conference on Hand-on Science-2006

H-sci ISBN.

[5] Chetan Khemraj, Jitendra Kumar, Sumit Kumar and Vibhav Kausik,

“Energy Generation And Storage Using Bicycle Pedal System” Special Issue

of International Journal of Sustainable Development and Green Economics

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[9] P. R. F., Bicicleta generadora de electricidad a bajas RPM., Chile:

Universidad Tecnológica

Metropolitana del estado de Chile, 2009.

[10] J. O. F. R. C. F. Núñez Rodríguez, «DISEÑO DE UN SISTEMA DE

GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA A PARTIR DE BICICLETAS

ESTÁTICAS.,» bucaramanga., 2011.

[11] Secretaria de energía, Termodinámica y sus aplicaciones, CONAE,

México, 1995

[12] Navasquillo Aerogeneradores Consultado (3/05/12)

http://www.uv.es/~navasqui/aero/Aerogenerador.pdf

[13] Navasquillo, OP.cit

[14] Imanes de neodimio Consultado (26/04/2012)

http://www.imanes.com/imanes_neodimio_descripcion.php

[15] Wallace Rogel, Rodríguez Alejandro , “Diseño de un generador de flujo

Axial con imanes permanentes para aplicaciones eólicas” Editorial Revista

facultad de ingeniería universidad de Tarapaca, Arica, Chile.

(82)

Trillas, México, 1997

[17] Robert L. Norton. (2009), ”Diseño de maquinaria, síntesis y análisis de

máquinas y

(83)
(84)
(85)

Figure

Fig N°2.1.  Retrato de Karl Drais.
Fig. N°2.2. La draisiana (ca. 1820) era el primer vehículo de dos ruedas  dispuestas en línea, y el primer vehículo práctico de propulsión humana
Fig N°2.3 La bicicleta de pedales moderna
Fig. N°2.4.  Evolución histórica de la bicicleta.
+7

Referencias

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