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Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Estudios Superiores Plantel Aragón INGENIERIA INDUSTRIAL CLASE “ mecánica de materiales” trabajo GRUPO:2804 NOMBRE DE LA PROFESORA: MARTHA BERENICE FUENTES FLORES NOMBRE DEL ALUMNO: CORTES HERNANDEZ RICARDO FECHA DE ENTREGA: 13 DE FEBRERO DEL 2023 2 DEDICATORIA A Dios y a nuestros padres, nuestros mejores guías Que nos apoyaron a pesar de las adversidades. 3 AGRADECIMIENTO A nuestro profesor de curso: Edwin Juarez Marchena, quien confió en nosotros y nos dio la oportunidad de desarrollar éste tema. 4 INTRODUCCION En este informe se hallaran todos los esfuerzos que ejercen en toda la bicicleta chacarera. Introduciremos el concepto de esfuerzo cortante en un elemento de una estructura y se demostrará como puede determinarse ese esfuerzo a partir de la fuerza del elemento. Como ya hemos mencionado otro aspecto importante del análisis y diseño de estructuras se relaciona con las deformaciones causadas por las cargas que se aplican a la estructura de una bicicleta. Obviamente, es importante evitar deformaciones tan grandes que impidan a la estructura cumplir el propósito para el que está destinada. Pero el análisis de las deformaciones también puede ayudar en la determinación de esfuerzos. También presentaremos una variedad de aplicaciones donde podemos encontrar esfuerzos cortantes y deformaciones observando que existe un sinfín de aplicaciones en nuestro alrededor y que son parte de la vida diaria. Daremos conocimiento de los materiales más usados en las estructuras de una bicicleta como por ejemplo tenemos al acero, al aluminio, usados en diferentes aplicaciones y también tendremos en cuenta las propiedades micro estructural de la fractura en materiales metálicos. 5 INDICE CAPÍTULO I: LA BICICLETA .................................................................................................... 6 1.1. RESEÑA HISTÓRICA ............................................................................................... 6 1.2. TIPOS DE BICICLETA .............................................................................................. 7 1.2.1. Bicicleta de carretera o ruta: .................................................................................. 8 1.2.2. Bicicleta montañera: ................................................................................................ 8 1.2.3. La bicicleta BMX: ................................................................................................... 10 1.2.4. Bicicleta de paseo: ................................................................................................ 10 1.2.5. Bicicleta híbrida: .................................................................................................... 12 CAPÍTULO II: LA BICICLETA CHACARERA....................................................................... 13 2.1. ELEMENTOS DE UNA BICICLETA: ...................................................................................... 14 2.1.1. Neumáticos ............................................................................................................... 14 2.1.2. Cadena ....................................................................................................................... 15 2.1.3. Cambio de marchas. ................................................................................................ 16 2.1.4. Buje ............................................................................................................................ 16 2.1.5. Cuadro ....................................................................................................................... 16 2.1.6. Manivelas .................................................................................................................. 17 2.1.7. Pedales ...................................................................................................................... 17 2.1.8. Manillar ..................................................................................................................... 17 2.1.9. Sillín ........................................................................................................................... 17 2.1.10. Piñón ....................................................................................................................... 17 2.1.11. Horquilla .................................................................................................................. 18 2.1.12. Frenos ...................................................................................................................... 18 2.2. Materiales de la bicicleta ................................................................................................. 18 2.2.1. Acero ......................................................................................................................... 18 2.2.2. Aluminio .................................................................................................................... 19 2.3. Biomecánica del ciclismo ................................................................................................. 20 2.4. Ubicación y origen de las fuerzas ..................................................................................... 22 2.5. Fuerzas del equilibrio ....................................................................................................... 22 2.6. Fuerzas del movimiento ................................................................................................... 23 2.7. Tipos de Esfuerzo ............................................................................................................ 25 2.8. Las leyes aplicadas en la bicicleta .............................................................................. 29 2.9. Desarrollo de la bicicleta .................................................................................................. 29 6 a) BICICLETA ................................................................................................................... 29 b) LLANTAS ..................................................................................................................... 29 c) TUBOS ......................................................................................................................... 30 d) TIMÓN ........................................................................................................................ 31 BIBLIOGRAFÍA: ........................................................................................................................ 48 CAPÍTULO I: LA BICICLETA 1.1. RESEÑA HISTÓRICA 7 Desde siempre el hombre ha buscado mejorar la movilidad y por tanto es difícil precisar el momento de la invención de la bicicleta, sin embargo se puede situar la evolución de la bicicleta moderna en los principios del siglo XIX. Este hecho se atribuye al barón Drais von Sauerbronn, quien construyó en 1817 el primer prototipo de una bicicleta que ha ido evolucionando según los avances tecnológicos y las demandas sociales. El barón de Karlsrue, Drais von Sauerbronn, inventó la “draisina” o “laufmaschine”, que significa máquina de correr, pensando que la mejor manera de auto-transportarse es optimizar el movimiento que se realiza al caminar o correr. Para ello quería construir un artefacto que permitiera aumentar la zancada y además disminuir las pérdidas energéticas debidas la variación de la altura delcentro de gravedad del cuerpo. Los inconvenientes que presentaba este invento que llegó a fabricarse para algunos nobles de la época, eran, en primer lugar el equilibrio y el peso además del coste. Poco más tarde, un comerciante inglés apostó por este producto y consiguió reducir el peso y hacer la conducción más eficiente para venderlo como un caballo de entretenimiento, hobby horse en inglés. (BORDILS 2010) 1.2. TIPOS DE BICICLETA 8 1.2.1. Bicicleta de carretera o ruta: Se emplea para carreras por carretera y en pista (modificadas para buscar mayor aerodinámica), pero los aficionados la emplean también para practicar el ciclismo en ruta, aunque no sea de un modo federado, e incluso como medio de transporte para recorridos cortos (en ciudad o entre poblaciones cercanas). Las ruedas son tubulares finísimos y, normalmente, sólo presentan dos platos (ocasionalmente tres), ya que los profesionales suelen preferir incluir piñones con más dientes (en la actualidad, los casetes de piñones pueden incluir hasta diez tamaños, suficiente para cualquier puerto). Se usan pedales automáticos y el sillín es largo y muy estrecho. (RAUL ALFONSO LOZADA 2011) Imagen 1: Bicicleta de ruta Fuente: ALFONSO2011-BICYCLE 1.2.2. Bicicleta montañera: A finales de 1970 y principios de 1980, los cuadros de «cruisers» fueron la base para la bicicleta de montaña de reciente desarrollo.A mediados de los 70, un grupo de entusiastas en el Condado de Marín, California, comenzaron a competir con las 9 bicis por los cortafuegos del monte Tamalpais en downhill, (expresión anglófona de «descenso de montaña»). Una carrera que ellos llamaban «repack», debido a que dicho viaje era tan agotador que los ciclistas debían reempacar sus frenos de contrapedal con grasa después de cada carrera. (RAUL ALFONSO LOZADA 2011) La bicicleta de montaña es ideal para pedalear en caminos empinados y dejarte rodar por pendientes escalofriantes gracias a sus ruedas gruesas que tienen tacos que permiten que la bici se deslice correctamente por terrenos escarpados. Por tener el cuadro más ancho que la mayoría de las bicicletas, suelen ser muy pesada, pero muy estable. Estas bicicletas puede ser usada en la ciudad, pero su peso y sus virtudes solo las podrás apreciar en el terreno. Imagen 2: Bicicleta de montaña. Fuente: ALFONSO2011-BICYCLE https://es.wikipedia.org/wiki/Idioma_ingl%C3%A9s 10 1.2.3. La bicicleta BMX: La bicicleta BMX es la bici de las acrobacias, por lo que en la mayoría de los casos mientras la rueda de atrás esté en movimiento los pedales no se detendrán. Es la típica bicicleta que ves en los programas extremos por televisión donde chicos descienden de una cima haciendo una pirueta en el aire y al caer caen sentados en la bicicleta, como si nada. Es de uso urbano ya que su principal objetivo es superar obstáculos, dar giros extraños y piruetas sorprendentes. (RAUL ALFONSO LOZADA 2011) Imagen 3: Bicicleta BMX Fuente: ALFONSO2011-BICYCLE 1.2.4. Bicicleta de paseo: Estos son los tipos de bicicletas más comunes en ciudades con playa. Tal vez, esa sea la razón por la que muchas personas les llaman las bicicletas playeras. Se trata de bicicletas que ofrecen un confort estupendo para dar un paseo corto, suave, disfrutando del paisaje y de los amigos. La diferencia de las bicicletas de paseo con los demás tipos de bicicletas es que ofrecen un cuadro robusto con una geometría o 11 forma del cuadro que se traduce en una posición más cómoda de nuestro cuerpo. Con las espalda erguida, no cansaremos nuestra cintura y podremos disfrutar de inicio a fin de nuestro ciclo paseo. Y esa es -sin lugar a dudas- la mayor ventaja de estas bicicletas. La comodidad es la razón por la que miles de personas la eligen. Aunque también su precio resulta accesible. Dado que el peso de estas bicicletas no es un problema, usualmente se utilizan materiales más resistentes, económicos y pesados. El uso que se le dará no amerita utilizar componentes de bicicletas como los que utilizan las bicicletas de competición. La desventaja de estas bicicletas es que no podrás realizar trayectos muy largos, viajes en bicicleta, o -por ejemplo- disfrutar de trillas y senderos por el campo. Son las bicicletas ideales para dar un paseo por la costa, por un parque o para ir a hacer las compras a un comercio cercano. (RAUL ALFONSO LOZADA 2011) Imagen 4: Bicicleta de paseo Fuente: ALFONSO2011-BICYCLE 12 1.2.5. Bicicleta híbrida: Se usa a menudo para pedalear por ciudad, y se caracteriza por montar un cuadro de rigidez intermedia y unas ruedas algo más finas que las de una bicicleta montañera. Surge de la mezcla de las ventajas de las bicicletas de paseo y las bicicletas de montaña. Ofrecen cuadros de hierro o aluminio, con diferentes cantidades de marchas y una geometría del cuadro que ofrece al ciclista una posición de manejo muy cómoda. Desde luego no tendrás la comodidad de las bicicletas de paseo, ni la versatilidad de las bicicletas montaña. Pero con esta bicicleta se ha logrado un excelente ejemplar para quienes desean viajar o practicar cicloturismo por rutas asfaltadas, o paseos largos. Todas actividades que no implican competencia, sino placer. Usos en los que no interesa llegar antes, sino disfrutar del camino. Imagen 5: Bicicleta Hibrida. Fuente: ALFONSO2011-BICYCLE 13 CAPÍTULO II: LA BICICLETA CHACARERA La bicicleta chacarera, muy similar a la bicicleta inglesa, es un tipo de bicicleta utilitaria que se usa como vehículo de carga pesada y de transporte, su estructura es muy parecida a la de la bicicleta montañera y debido a eso algunas personas las confunden, la diferencia que ésta no tiene cambios, tiene un piñón simple (a diferencia de la montañera que tiene un piñón múltiple), tiene tapabarros para cubrir las llantas y la cadena del lodo, sus neumáticos son más grandes, gruesos y resistentes que los de la montañera, sus frenos tienen más fuerza al momento de frenar, tiene una velocidad mayor a la de la montañera, es más pesada que la montañera, es mucho más resistente a las caídas que la montañera y puede circular por lugares donde la montañera no puede (como caminos empedrados); también tiene un aditamento adicional en la parte trasera para llevar más cosas (a diferencia de otras bicicletas en las que sólo se puede llevar a una persona, en ésta se puede llevar a dos). (BORDILS 2010) Imagen 6: Bicicleta chacarera Fuente: BARUC2010-BICYCLE https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Bicicleta_chacarera&action=edit&redlink=1 https://es.wikipedia.org/wiki/Bicicleta_inglesa https://es.wikipedia.org/wiki/Bicicleta_de_monta%C3%B1a https://es.wikipedia.org/wiki/Bicicleta_de_monta%C3%B1a https://es.wikipedia.org/wiki/Palanca_de_cambio_(bicicleta) https://es.wikipedia.org/wiki/Barro https://es.wikipedia.org/wiki/Neum%C3%A1tico_de_bicicleta https://es.wikipedia.org/wiki/Bicicleta_de_monta%C3%B1a https://es.wikipedia.org/wiki/Bicicleta_de_monta%C3%B1a https://es.wikipedia.org/wiki/Bicicleta_de_monta%C3%B1a https://es.wikipedia.org/wiki/Bicicleta_de_monta%C3%B1a https://es.wikipedia.org/wiki/Bicicleta_de_monta%C3%B1a 14 2.1. ELEMENTOS DE UNA BICICLETA: Para concluir este preámbulo sobre la historia de la bicicleta se hará una descripción de los principales elementos de la misma y se explicará cómo han llegado a formar la bicicleta tal como la conocemos hoy en día. En la Figura se muestra un esquema de una bicicleta con el nombre de cada una de sus partes. Imagen 7: elementos de la bicicleta Fuente: BARUC2010-BICYCLE2.1.1. Neumáticos La importancia de la aparición de los neumáticos y su progreso ha sido vital en el desarrollo de la bicicleta ya que ha permitido constituir un elemento de mayor comodidad y con mayor adherencia, debido al efecto amortiguador del mismo. El descubrimiento de la vulcanización del caucho, que es el paso del estado plástico al elástico, es un episodio anecdótico en la historia del neumático. Charles Goodyear, un personaje activo y con gran interés por la experimentación, ensayaba en casa con mezclas de 15 caucho natural con cualquier producto que encontraba en la cocina. Esto era algo que molestaba enormemente a su mujer que, con razón, se quejaba de los olores nauseabundos de las mezclas que realizaba. Esta situación llegó a tal punto que Charles tuvo que prometer que no volvería a experimentar con dichas mezclas. A pesar de la promesa siguió con sus investigaciones a escondidas, y un día mientras experimentaba, su mujer entró en la habitación donde se encontraba. Entonces él para deshacerse de la mezcla, la echó a la estufa encendida. Al cabo de un rato apareció una masa fantástica resistente al frío, calor y a los productos químicos. Después, R.W. Thompson desarrolló un neumático con cámara de aire. Boyd Dunlop trabajó sobre estos neumáticos para reforzarlos. También otros fabricantes como Michelin contribuyeron al avance con sus “tubeless” así como con el desarrollo de nuevos tejidos para reforzar el neumático, que han llevado a crear un producto de gran complejidad, como lo es actualmente, por la cantidad de materiales que hay involucrados así como la enorme variedad de modelos adaptados a las necesidades del mercado. 2.1.2. Cadena En el Códice Adriático de Leonardo da Vinci aparecen cadenas ideadas para la construcción de máquinas del campo de la obra civil o artilugios militares. Sin embargo la primera adaptación para la bicicleta surge de André Galle, que aunque no llegara a triunfar, llevó a desarrollar una modificación que consistía en una cadena de eslabón más corto, que evitaba pérdidas por rozamiento gracias a 16 que estaba bañada en aceite. También se han probado otras formas de transmitir la fuerza de los pedales a la rueda. Este es el caso de la junta cardan, que por su elevado coste no ha cuajado en el sector de la bicicleta. 2.1.3. Cambio de marchas. La idea de que se pueda modificar la relación entre el número de vueltas del plato y la rueda ya existía en 1879, puesto que se vendían bicicletas en las que se podía intercambiar el plato por el piñón. Pero no es hasta 1932 cuando se introducen los cambios de marchas tipo Campagnolo. 2.1.4. Buje El origen de este elemento es simplemente el atravesar un trozo de madera con un eje de hierro para que la rueda pueda rotar. Posteriormente se fueron haciendo modificaciones para mejorar la eficiencia de movimiento. Otro elemento íntimamente relacionado con el buje es la rueda libre, que se encarga de transmitir el movimiento a la rueda y además permite el dejar de pedalear mientras la rueda sigue moviéndose. 2.1.5. Cuadro Es básicamente la estructura de la bicicleta. Éste ha de aguantar el peso propio más el del ciclista además ha de unir las ruedas de tal manera que sea posible la dirección de la bicicleta. A lo largo de la historia, el cuadro de una bicicleta ha ido evolucionando junto con otros componentes de la bicicleta como el tamaño de las ruedas, el tipo de transmisión, etc. 17 2.1.6. Manivelas Es un elemento de mecanismo de transmisión de movimiento que consiste en una barra fijada por un extremo y accionada por la otra con un movimiento de rotación. Es una pieza de hierro compuesta de dos ramas, una de las cuales se fija por un extremo al eje de una máquina, de una rueda, etc. la otra se utiliza a modo de mango que sirve para hacer girar el eje, maquina o la rueda. Puede servir también para efectuar la transformación inversa del movimiento circular en movimiento rectilíneo. 2.1.7. Pedales Es un componente de apoyo que contienen las bicicletas desde 1860 hasta hoy en día. Los pedales están compuestos básicamente por dos partes: partes de apoyo y el eje. 2.1.8. Manillar Los manillares varían entre una anchura de 52.5 a 60 cm, los anchos permiten un control de velocidades bajas mientras los estrechos son mejores para velocidades altas, los estrechos además son convenientes en la cuidad para escurrir entre los automóviles. Un tipo de manillar se denomina cola de ballena. Se distinguen de los de más en que carece de los extremos libres, que caracterizan al manillar tradicional. 2.1.9. Sillín Sirven para reducir el peso y otros están diseñados para el confort 2.1.10. Piñón También llamadas ruedas libres es el mecanismo que permiten a un eje girar libremente en un sentido y ser engranado en el sentido 18 contrario. Un piñón libre permite, por ejemplo, que un ciclista deje de pedalear sin provocar que la rueda se frene o bloquee. 2.1.11. Horquilla Está formada por un tubo de dirección y unos brazos que sujetan el buje de la rueda delantera. Él tubo de dirección de la horquilla sostiene la potencia (que a su vez (RAUL ALFONSO LOZADA 2011)sujeta) al tubo frontal de cuadro. 2.1.12. Frenos Un freno de bicicleta es el sistema que permite detener, reducir o mantener sin que si incremente la velocidad de una bicicleta. 2.2. Materiales de la bicicleta 2.2.1. Acero Es el material principal, antes todas las bicis estaban hechas de acero (al menos las que yo he conocido desde los años 60, imagino que a principios de siglo sería hierro). Es un material resistente, rígido pero no demasiado, posee una cierta flexibilidad que le hace muy vivaz, “sientes” la carretera, además es confortable, absorbe bien las vibraciones. No es el más ligero, aunque actualmente hay aleaciones más ligeras pero más caras. Muchas veces se puede arreglar si se rompe y no suele perder propiedades con el tiempo (hay bicis que tienen 40 años y están como el primer día). Construir una bici con él (es decir, algo que parece tan simple como unir los tubos) es un arte, y puede hacerse de muchas maneras. Su único problema es que puede oxidarse, pero eso se retrasa o evita con cuidado y una buena pintura. Además, un buen acero puede ser barato. 19 Tabla 1: Bicicleta chacarera ACERO Densidad (kg/m3) Límite de rotura (MPa) Módulo de Young (GPa) 7800 1000 210 Fuente: Beins, B. C. 2012 2.2.2. Aluminio Es más rígido y ligero que el acero, por lo general más caro, pero no tan confortable. Además, cuando se rompe lo hace de modo irreparable. Es relativamente fácil de trabajar y tiene un “ciclo de vida útil”, más o menos largo según la intensidad con que se utilice la bici. Lo comparo al material de los médicos jóvenes: son eficaces pero a veces intolerantes (“rígidos”), se creen poseedores de la ciencia y la verdad absoluta, quieren resultados inmediatos. Yo creo que es un momento en la vida de un médico, ulteriormente cambia de material: se transforma en acero para poder seguir siendo un clínico (normalmente mejor) o pasa al mundo de la gestión (normalmente lejos de los pacientes y sus sufrimientos). Tabla 2: Bicicleta chacarera Fuente: Beins B. C. 2012 ALUMINIO Densidad (kg/m3) Límite de rotura (MPa) Módulo de Young (GPa) 2700 500 70 20 2.3. Biomecánica del ciclismo Es necesario describir la biomecánica del pedaleo puesto que más adelante se realizarán experimentos para probar la resistencia de 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 transmisiónde 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 respecto a la horizontal son -19º cuando el pedal está en el punto muerto superior y -62º en el punto muerto inferior, pero lo más importante es que la cadera nunca llega a su verdadera extensión 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 Imagen 8 21 Imagen 8: biomecanismo de la bicicleta. Fuente: Beins, B. C. (2012) También se puede observar en la misma Imagen 8 la variación de los distintos experimentos con cada uno de los ciclistas que es de unos 10º, y por tanto se puede decir que las posiciones están prácticamente estandarizadas. Aunque también es cierto que se pueden producir algunas situaciones en las que se vean 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 15º. De todos modos el desfase entre los ciclistas es pequeño y por tanto puede considerarse un experimento significativo. (BORDILS 2010) 22 2.4. 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, tal como se observa en la Figura 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. Imagen 9: origen de fuerzas Fuente: Beins, B. C. (2012) 2.5. Fuerzas del equilibrio En primer lugar se analizan las fuerzas del equilibrio, que en el diagrama aparecen como vectores, con su correspondientes módulo, dirección, sentido y punto de aplicación. Por ejemplo, las 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. (BORDILS 2010) 23 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. 2.6. 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. Imagen 10: Fuerzas del movimiento. Fuente: Beins, B. C. (2012) 24 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 vertical como se veía en el punto anterior, sino que también se le añade la componente horizontal de la propulsión, lo que 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 Estudio mediante elementos finitos de los esfuerzos producidos en una biela de bicicleta 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. (BORDILS 2010) 25 2.7. Tipos de Esfuerzo Imagen 11: Bicicleta chacarera Fuente: Beins, B. C. 2012 También llamado Tensión, los extremos del material son estirados hacia afuera para alargar al objeto. Fuente: Beins, B. C. 2012 Los esfuerzos del material son empujados para contraer al mismo. Imagen 13: Compresión Fuente: Beins, B. C. 2012 Imagen 12: Tracción 26 Ocurre sobre el cuerpo que actuan las fuerzas, tienden a cortarlo o desgarrarlo. Imagen 14: Cortante Fuente: Beins, B. C. 2012 Ocurre cuándo sobre el cuerpo actúan fuerzas que tienden a doblarlo. Imagen 15: Flexión Fuente: Beins, B. C. 2012 Ocurre cuando sobre el cuerpo actuan fuerzas que tienden a retorcerlo. Imagen 16: Torsión Fuente: Beins, B. C. 2012 27 Análisis de fuerzas en la bicicleta chacarera Fuente: PROPIA Fuente: PROPIA 28 Fuente: PROPIA Fuente: PROPIA 29 2.8. Las leyes aplicadas en la bicicleta 1) Primera Ley de Newton o Ley de la Inercia: Responsable de que la bicicleta siga rodando cuando dejamos de dar pedales, aunque debido al rozamiento y la fricción irá disminuyendo la velocidad. 2) Segunda Ley de Newton o principio fundamental de la dinámica: Para una misma fuerza, la aceleración será mayor cuanto menor sea la masa del tándem bicicleta-ciclista. De aquí la búsqueda de materiales ligeros y la disminución del peso de los ciclistas. 3) Tercera Ley de Newton o Principio de Acción-Reacción: Al pedalear, la fuerza llega a la rueda trasera, que a su vez ejerce sobre el suelo una fuerza de acción. La reacción del suelo es devolver una fuerza sobre la rueda trasera, de igual dirección pero de sentido opuesto. Es decir, siempre hacia delante. 4) Ley de Hooke: La bicicleta sólo tiene dos puntos de apoyo (los contactos de las dos ruedas con el suelo), que no permite que la bicicleta se tenga en pie por sí misma, y hace necesario el tercer punto (pata de cabra) que delimitarán el triángulo y en cuya superficie caerá el vector que representa el peso de la bicicleta 2.9. Desarrollo de la bicicleta a) BICICLETA Tabla 3: Bicicleta chacarera Peso 20 kilogramos Altura 1 metro Largo 1.75cm Distancia de rueda a rueda 35 cm Tamaño 1metro FUENTE: PROPIA b) LLANTAS Tabla 4: Bicicleta chacarera Radio de llantas delanteras Radio de llantas traseras Interior Exterior Interior Exterior 30.4cm 34.5cm 30.7cm 34.8cm Cantidad de rayos y dimensiones 30 36 rayos 29.5cm dimensiones 36 rayos 29.5cm dimensiones Código de llantas 54-571(26) FUENTE: PROPIA c) TUBOS Tabla 5: Bicicleta chacarera FUENTE: PROPIA Imagen 23: Escuadra FUENTE: PROPIATubos Espesor externo Expesor interno Largo 1) Primer tubo 8cm 7.5cm 55cm 2) Segundo tubo 8cm 7.5cm 57cm 3) Tercer tubo 9cm 8.5cm 53cm 4) Cuarto tubo 9cm 8.5cm 50cm 5) Quinto tubo 12cm 10.5cm 20cm 6) Sexto tubo 5.3cm 4cm 50cm 7) Séptimo tubo 7.2cm 6cm 50cm 31 d) TIMÓN Tabla 6: Bicicleta chacarera Distancia de timón 50.7cm Tamaño de los ejes de llantas anterior y posterior Trasera Largo : 22cm Grosor: 8.5cm Delantera Largo : 17cm Grosor 7.2cm FUENTE: PROPIA 32 Análisis del asiento de la bicicleta LEY DE HOOKE 𝑭 = −𝒌𝒙 𝟕𝟖𝟒. 𝟖𝑵 = 𝑲(𝟕𝒄𝒎) 𝒌 = 𝟕𝟖𝟒. 𝟖 𝟕𝒄𝒎 𝒌 = 𝟏𝟏𝟐. 𝟏𝟏𝟒𝑵/𝒄𝒎 283.8065 342.0667 55cm 50 cm 57cm 50 cm A B C F D E F=m*g Masa = 80kg Gravedad = 9.81m/s2 F= 80kg*9.81m/s2 F= 748.8N 33 Descomponemos en F a una fuerza de 748.8 ∑ 𝐹𝑦 = 0 F BC => 𝐹𝐵𝐶 Seno 60º 𝐹𝐵𝐶 = 748.8𝑁 𝑆𝑒𝑛60º 𝐹𝐵𝐶 = 864.21𝑁 𝝈𝐵𝐶 = 𝐹𝐵𝐶 𝐴 𝝈𝐵𝐶 = 864.21𝑁 76.50 𝑐𝑚2 = 11.2968 𝑁 𝑚2 𝝈𝐵𝐶 = 𝐹𝐵𝐶𝑁 76.50 𝑐𝑚2 = 864.21𝑁 0.007650 𝑚2 𝝈𝐵𝐶 = 𝐹𝐵𝐶𝑁 76.50 𝑐𝑚2 = 864.21𝑁 0.007650 𝑚2 𝝈𝐵𝐶 = 112968.627𝑃𝑎 ∑ 𝐹𝑥 = 0 𝐹𝐶𝐷 − 864.21 𝐶𝑜𝑠60º = 0 𝜎𝐶𝐷 = 432.105𝑁 𝜎𝐶𝐷 = 432.105𝑁 5.3𝑐𝑚.4𝑚 34 𝜎𝐶𝐷 = 81.529 𝑁 𝑐𝑚2 𝜎𝐶𝐷 = 81.529𝑥10 −4 𝑁 𝑚2 𝜎𝐶𝐷 = 0.0081529 𝑃𝑎 Análisis del asiento de la bicicleta 𝑭 = 𝒎 ∗ 𝒈 Mas total= 90kg 𝑭𝑻 = 𝟗𝟎𝒌𝒈 ∗ 𝟗. 𝟖𝟏𝒎/𝒔 𝟐 𝑭𝑻 = 𝟖𝟖𝟐, 𝟗𝑵 𝑭𝑻 = −𝒌𝑻 𝒌 = 𝟏𝟐𝟔, 𝟏𝟐𝟖𝟓𝑵/𝒄𝒎 Análisis de l cuadro de la bicicleta 35 Análisis del cuadro de la bicicleta La masa total se divide en 5 fuerzas B2 C A B1 18KG 18KG 18KG F E D G 36 Los 90kg de masa de distribuye entro los tubos: AC; AB1; AB2 ;AD y FE. 𝑚𝑓 = 𝑚𝑡 5 𝑚𝑓 = 90 5 = 18𝑘𝑔 B2 C A B1 18KG 18KG 18KG B2 60° 60° B1 60° 37 𝐹 = 18𝑋9,81 = 176,58𝑁 𝐹𝐴𝐵1 = 176,58𝑁 𝐹𝐴𝐵2 = 176,58𝑁 𝐹𝐴𝐶 = 176,58𝑁 𝐹𝐵𝐶 = 176,58𝑁 𝐹𝐵2𝐶 = 176,58𝑁 𝐹𝐵𝐶 = 353,16𝑁 𝐴𝐴𝐵1 = 21,2𝑐𝑚 2 → 0,0212𝑚2(𝐴𝐴𝐵1 = 𝐴𝐴𝐵2) 𝐴𝐴𝐵2 = 21,2𝑐𝑚 2 → 0,0212𝑚2 𝐴𝐵1𝐶 = 43,2𝑐𝑚 2 → 0,0432𝑚2(𝐴𝐵1𝐶 = 𝐴𝐵2𝐶) 𝐴𝐵2𝐶 = 43,2𝑐𝑚 2 → 0,0432𝑚2 𝐴𝐴𝐶 = 76,5𝑐𝑚 2 → 0,0765𝑚2 𝜺 = 𝝈 𝑬 38 𝐺 = 706𝑝𝑎 𝜀𝐴𝐵1 = 8329,245 𝑁/𝑚2 70𝑥 109𝑁/𝑚2 𝜀𝐴𝐵1 = 1,189892𝑥10 −7 𝜀𝐴𝐵2 = 8329,245 𝑁/𝑚2 70𝑥 109𝑁/𝑚2 𝜀𝐴𝐵2 = 1,189892𝑥10 −7 𝜀𝐵1𝐶 = 4087,5 𝑁/𝑚2 70𝑥 109𝑁/𝑚2 = 5,839285𝑥10−8 𝜀𝐴𝐶 = 2308,235 𝑁/𝑚2 70𝑥 109𝑁/𝑚2 = 3,297478𝑥10−8 𝝈𝑨𝑩𝟏 = 𝟏𝟕𝟔, 𝟓𝟖𝑵 0,0212𝑚2 = 8329,245 𝑁 𝑚2 𝝈𝑨𝑩𝟐 = 𝟏𝟕𝟔, 𝟓𝟖𝑵 0,0212𝑚2 = 8329,245 𝑁 𝑚2 𝝈𝑩𝟏𝑪 = 𝟏𝟕𝟔, 𝟓𝟖𝑵 0,0432𝑚2 = 4087,5 𝑁 𝑚2 𝝈𝑩𝟐𝑪 = 𝟏𝟕𝟔, 𝟓𝟖𝑵 0,0432𝑚2 = 4087,5 𝑁 𝑚2 𝝈𝑨𝑪 = 𝟏𝟕𝟔, 𝟓𝟖𝑵 0,0765𝑚2 = 2308,235 𝑁 𝑚2 39 𝛿 = 𝑃𝑥 𝑙 𝐸𝑥𝐴 𝛿𝐴𝐵1 = 176,58𝑁𝑥0,5𝑚 70𝑥 109𝑁/𝑚2𝑥0,0212𝑚2 𝛿𝐴𝐵1 = 5,9494609𝑥10 −8𝑚 𝛿𝐴𝐵1 = 5949,4609𝑥10 −5𝑚𝑚 𝛿𝐴𝐵 = 176,58𝑁𝑥0,5𝑚 70𝑥 109𝑁/𝑚2𝑥0,0212𝑚2 𝛿𝐴𝐵 = 5,9494609𝑥10 −8𝑚 𝛿𝐴𝐵 = 5949,4609𝑥10 −5𝑚𝑚 𝛿𝐵1𝐶 = 176,58𝑁𝑥0,5𝑚 70𝑥 109𝑁/𝑚2𝑥0,0432𝑚2 𝛿𝐵1𝐶 = 2,919642𝑥10 −8𝑚 𝛿𝐵1𝐶 = 2919,642𝑥10 −5𝑚𝑚 𝛿𝐵2𝐶 = 176,58𝑁𝑥0,5𝑚 70𝑥 109𝑁/𝑚2𝑥0,0432𝑚2 𝛿𝐵2𝐶 = 2,919642𝑥10 −8𝑚 𝛿𝐵2𝐶 = 2919,642𝑥10 −5𝑚𝑚 40 𝛿𝐴𝐶 = 176,58𝑁𝑥0,5𝑚 70𝑥 109𝑁/𝑚2𝑥0,0765𝑚2 𝛿𝐴𝐶 = 1,648739𝑥10 −8𝑚 𝛿𝐴𝐶 = 1648,739𝑥10 −5𝑚𝑚 𝜀𝑈 = 𝐷𝐸𝐹𝑂𝑅𝑀𝐴𝐶𝐼Ó𝑁 𝑈𝑁𝐼𝑇𝐴𝑅𝐼𝐴 𝜀𝑈𝐴𝐵1 = 𝛿𝐴𝐵1 𝐿𝐴𝐵1 = 5,9494609𝑥10−8𝑚 0,5𝑚 𝜀𝑈𝐴𝐵1 = 1,189892𝑥10 −7 𝜀𝑈𝐴𝐵2 = 𝛿𝐴𝐵2 𝐿𝐴𝐵2 = 5,9494609𝑥10−8𝑚 0,5𝑚 𝜀𝑈𝐴𝐵2 = 1,189892𝑥10 −7 𝜀𝑈𝐵1𝐶 = 2,919642𝑥10−8𝑚 0,5𝑚 = 5,839284𝑥10−8 𝜀𝑈𝐵2𝐶 = 2,919642𝑥10−8𝑚 0,5𝑚 = 5,839284𝑥10−8 𝜀𝑈𝐴𝐶 = 1,648739𝑥10−8𝑚 0,5𝑚 = 3,297478𝑥10−8 Para la otra parte de la bicicleta 41 𝐹𝐹𝐶 = 176,58𝑁 𝐹𝐹𝐸 = 176,58𝑁 𝐹𝐸𝐶 = 176,58𝑁 𝐹𝐹𝐶 + 𝐹𝐹𝐸 = 𝐹𝐸𝐶 𝑠𝑒𝑛 61° 176,58𝑁 + 176,58𝑁 = 𝐹𝐸𝐶 𝑠𝑒𝑛 61° 𝐹𝐸𝐶 = 353,16𝑚 𝑠𝑒𝑛 61° = 403,7869𝑁 𝝈𝐹𝐶 = 176,58𝑁 0,0765𝑚2 = 2308,2352𝑁/𝑚2 𝝈𝐹𝐸 = 176,58𝑁 0,0760𝑚2 = 2943, 𝑁/𝑚2 𝝈𝐸𝐶 = 403 + 369𝑁 0,0765𝑚2 = 2308,2352𝑁/𝑚2 61° 79° 40° F C E 50cm 53cm 57cm 176,58𝑁 176,58𝑁 42 𝐴𝐹𝐶 = 76,5𝑐𝑚 2 = 0,0765𝑚2 𝐴𝐹𝐸 = 60𝑐𝑚 2 = 0,0765𝑚2 𝐴𝐸𝐶 = 76,5𝑚 2 = 0,0765𝑚2 𝑎𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑜 = 70𝑥104𝑚𝑚 ∈𝐹𝐶= 2308,2352𝑁/𝑚2 70𝑥109 𝑁/𝑚2 = 3,297478𝑥108 ∈𝐹𝐸= 2943𝑁/𝑚2 70𝑥109 𝑁/𝑚2 = 4,204285𝑥10−8 ∈𝐸𝐶= 5278,26𝑁/𝑚2 70𝑥109 𝑁/𝑚2 = 7,5403𝑥10−8 𝛿 = 𝑃. 𝐿 𝐸1𝐴1 𝛿𝐹𝐶 = 176,58𝑥0.5 70𝑥1090.0765𝑚2 = 1,648739𝑥10−8𝑚 = 1648,739𝑥10−5𝑚𝑚 𝛿𝐹𝐸 = 176,58𝑥0.57 70𝑥1090.060𝑚2 = 2,3644𝑥10−8𝑚 = 2396,44𝑥10−5𝑚𝑚 43 𝛿𝐵1𝐶 = 403,7𝑥 0.53𝑚 70𝑥, 109𝐍/𝑚2𝑥0.0765𝑚2 𝛿𝐸𝐶 = 3,99590209x10𝑁/𝑚 2 𝛿𝐸𝐶 = 3995,90209x10𝑁/𝑚𝑚 2 ∈𝑉= 𝛿𝐹𝐶 𝐿𝐹𝐶 ∈𝑢= 1,648739𝑥10−8𝑚 0.15𝑚 = 3,297478𝑥10−8 ∈𝐸𝐶= 3,297478𝑥10−8𝑚 0.53𝑚 = 7,53943790𝑥10−8 ∈𝐹𝐶= 2,39644𝑥10−8𝑚 0.57𝑚 = 4,204280𝑥10−8 44 𝐹𝐴𝐶 = 𝐹𝐷𝐸 176,58 = 𝐹𝐷𝐶𝑠𝑒𝑛115 = 0 𝐹𝐷𝐸 = 176.58 𝑠𝑒𝑛115° 𝐹𝐷𝐸 = 194,83° 𝐴𝐴𝐷 = 60c𝑚 2 = 0,060𝑚2 𝐴𝐴𝐶 = 76,5c𝑚 2 = 0,0765𝑚2 𝐴𝐷𝐸 = 126c𝑚 2 = 0,126𝑚2 𝐴𝐶𝐸 = 76,5c𝑚 2 = 0,0265𝑚2 𝐿𝐴𝐷 = 0.55m 𝐿𝐴𝐶 = 0.5m 55cm 20cm 53cm A D C E 61° 79° 105° 115° 176,58cm 55cm 176,58cm 45 𝐿𝐷𝐸 = 0.52m 𝐿𝐶𝐸 = 0.53m ∈𝐴𝐿= 2308𝑁/𝑚2 70𝑥109𝑁/𝑚2 = 3,39714𝑥10−8 ∈𝐴𝐿= 3397,14𝑥10−5𝑚𝑚 ∈𝐴𝐷= 4,204285𝑁/𝑚2 70𝑥109𝑁/𝑚2 = 4,204285𝑥10−8𝑚 ∈𝐴𝐷= 4204,285𝑥10−5𝑚𝑚 ∈𝐷𝐸= 1546,304𝑁/𝑚2 70𝑥109𝑁/𝑚2 = 2,2090057𝑥10−8𝑚 ∈𝐴𝐷= 2209,0057𝑥10−5𝑚𝑚 ∈𝐶𝐸= 2639,1302𝑁/𝑚2 70𝑥109𝑁/𝑚2 = 3,770186𝑥10−8𝑚 ∈𝐶𝐸= 3770,186𝑥10−5𝑚𝑚 𝐹𝐴𝐶 = 176,58N 𝐹𝐴𝐷 = 176,58N 𝐹𝐷𝐸 = 194,8344N 𝐹𝐶𝐸 = 201,893461N 𝐹𝐴𝐷 − 𝐹𝐶𝐸 = 0 𝐹𝐶𝐸 = 176.58 𝑠𝑒𝑛61° 46 𝐹𝐶𝐸 = 201,893461 𝝈𝐴𝐶 = 176.58𝑁 0,0765𝑚2 = 2308𝑁/𝑚2 𝝈𝐴𝐷 = 176.58𝑁 0,060𝑚2 = 2343𝑁/𝑚2 𝝈𝐷𝐸 = 194.8344𝑁 0,126𝑚2 = 1546.304𝑁/𝑚2 𝝈𝐶𝐸 = 201,893461𝑁 0,0765𝑚2 = 2639,1302𝑁/𝑚2 𝛿𝐴𝐷 = 176,58𝑥 0.55𝑚 70𝑥, 109𝑥0.060𝑚2 = 2,312357143𝑥10−8𝑚 𝛿𝐴𝐷 = 2312,357143𝑋10 −5𝑚𝑚 𝛿𝐴𝐶 = 176,58𝑥 0.5𝑚 70𝑥109𝑥0.0765𝑚2 = 1,64873𝑥10−8𝑚 𝛿𝐴𝐷 = 1648,739𝑋10 −5𝑚𝑚 𝛿𝐷𝐸 = 194,8344𝑥 0.2𝑚 70𝑥109𝑥0.126𝑚2 = 4,418136𝑥10−9𝑚 𝛿𝐷𝐸 = 4418,0136𝑋10 −6𝑚𝑚 𝛿𝐶𝐸 = 201,893461𝑥 0.53𝑚 70𝑥109𝑁/𝑚2𝑥0.0765𝑚2 = 1,9981985𝑥10−8𝑚 𝛿𝐶𝐸 = 1998,1985𝑥10 −5𝑚𝑚 47 ∈𝑢𝐴𝐷= 2,31235714𝑥10−8𝑚 0.55𝑚 = 4,2042857𝑥10−8 ∈𝑢𝐴𝐶= 1,64873𝑥10−8𝑚 0.5𝑚 = 3,29746𝑥10−8 ∈𝑢𝐷𝐸= 4,4180136𝑥10−9𝑚 0.2𝑚 = 2,209006𝑥10−8 ∈𝑢𝐶𝐸= 1,9981965𝑥10−8𝑚 0.53𝑚 = 3,770185849𝑥10−8 48 BIBLIOGRAFÍA: BORDILS, FRANCISCO JAVIER GESÉ. «PDF BICICLETA .» 21 de DICIEMBRE de 2010. RAUL ALFONSO LOZADA. «BICICLETAS 2011.» 2011. https://core.ac.uk/download/pdf/29405989.pdf http://blog.educastur.es/myrylaapuntes02/files/2007/12/ud1-conduccion-y-manejo-de-la-bicicleta-2-tipos-de-bicicleta-y-su-funcionalidad.pdf
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