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Universidad de los Andes
Facultad de Ingeniería
Mecánica de materiales II
Triciclo funcional impulsado mediante sistema de escaladora
Compañía: Soluciones Mecánicas
Miembros:
Gerente: Sebastián Martínez Rios
Director: Ali José Gonzales Bastidas
Ingeniero: Enmanuel Josué Pérez Marín
Ingeniero: Randy Javier Araujo Moreno
Ingeniero: Wilmer Jose Leal Luque
Introducción
Desde los comienzos de la humanidad el ser humano ha buscado el bienestar físico, pues este representaba supervivencia. Este impulso, nos permitía escapar de depredadores, cazar grandes animales, desplazarnos grandes distancias y luchar por aquello que nos pertenecía. La evolución de la tecnología ha permitido que el ser humano tenga una vida más sencilla, con una mayor supervivencia, pero esto ha tenido un costo. El costo de dejar a un lado la dependencia del ejercicio y el movimiento del cuerpo. Esto ha traído consecuencias nocivas sobre la salud, pues con el paso de los años, las cifras de obesidad han aumentado dado que cada vez hay más gente sedentaria.
En la actualidad, el ejercicio está pasando a ser algo más importante y poco a poco se innovan maneras nuevas de realizarlo, y que este sea cada vez más atractivo. Es fácil encontrar en la actualidad amigos y familiares que realicen algún deporte, asistan a un gimnasio o solo caminen de vez en cuando. Esta búsqueda de una vida más sana y con mayor movimiento es algo por lo que nuestra generación y las venideras tendremos que incentivar, hacer que este movimiento persista. Desde el marco de enfoque de nuestra futura profesión como ingenieros, si queremos aportar nuestro grano de arena, lo haremos mediante el diseño y la innovación de sistemas que garanticen formas de ejercitarse que sean atractivas y que hagan el trabajo requerido de la mejor manera posible, siempre pensando en el consumidor y sus necesidades.
Es por ello que nuestra compañía Soluciones Mecánicas presenta el prototipo inicial de un sistema de triciclo impulsado mediante escaladora. El diseño de este permite que el usuario pueda ejercitarse arduamente con la experiencia grata de dar una vuelta y respirar aire fresco, de observar espacios diferentes o de usarse como complemento para una sesión de ejercicios. El enfoque como ingenieros nos permite observar detalles que es posible que otras profesiones no puedan priorizar. Cabe resaltar que al ser un prototipo para ser lanzado al mercado, este pudiera verse sometido a cambios en su diseño, pero nuestra compañía ha trabajado duramente para presentar un diseño óptimo, de modo de minimizar los cambios a los que hubiera lugar en el futuro. 
Para lograr los objetivos planteados por nuestra compañía en la creación de tal dispositivo, fueron necesarios los conocimientos impartidos en la materia de mecánica de materiales II. Estos conocimientos muy importantes en el desarrollo del estado de cargas del eje de transmisión permitieron diseñar un dispositivo con el factor de seguridad deseado, tomando en cuenta la fatiga y los ciclos al que el dispositivo pudiera verse sometido. Además de estos conocimientos, fue importante la indagación sobre programas de modelado, permitiendo hacer uso de sistemas que facilitaban el diseño.
La actividad física en el ser humano
En la actualidad el ser humano es afectado por la gran cantidad de facilidades que puede encontrar a la hora de desplazarse o al momento de tener un tiempo recreacional, por tanto es deber de generaciones futuras el incentivar la actividad física. Para ello debemos tomar en cuenta la tecnología, que a pesar de ser una causante de la inactividad es un aspecto vital de la sociedad que vivimos. Desde nuestro campo laboral como ingenieros estamos capacitados para inventar y desarrollar mecanismos que ayuden al usuario promedio a ejercitarse, mediante formas innovadoras y divertidas que atraigan un mayor número de personas.
A continuación se definen aspectos relativos a la actividad física y su importancia, con estos puntos tratados se podrá, posteriormente, tratar el tema del diseño usado por nuestra compañía.
La actividad física
La organización mundial de la salud define a la actividad física como cualquier movimiento corporal producido por los músculos esqueléticos que exija gasto de energía. Por lo que la actividad física no debe confundirse con el ejercicio. Este último, es una variedad de actividad física, la cual está planeada y cuyo fin es el mejoramiento de la aptitud física del usuario de dicha actividad. La actividad física abarca el ejercicio, pero también cualquier actividad que genere movimiento corporal.
Basándonos en lo anterior podemos afirmar que la actividad física la realizamos a diario, aunque no nos demos cuenta, estamos realizando movimientos que permiten que aumente el flujo de la sangre y nuestros músculos demanden energía.
Estudios han demostrado que al menos un 60% de la población mundial no realiza la actividad física necesaria para obtener beneficios en su salud. Esto se debe en parte a la insuficiente participación en la actividad física durante el tiempo de ocio y a un aumento de los comportamientos sedentarios durante las actividades laborales y domésticas. El aumento del uso de los medios de transporte "pasivos" también ha reducido la actividad física.
Según la Organización Mundial de la Salud los adultos con edades comprendidas entre 18 y 64 años, consideran que la actividad física consiste en actividades recreativas o de ocio, desplazamientos de un lugar a otro, actividades relacionadas con el trabajo, tareas domésticas, juegos, deportes o ejercicios programados en el contexto de las actividades diarias, familiares y comunitarias.
Es importante tomar en cuenta que pueden existir factores ambientales o civiles que desalientan la actividad física, entre estos factores encontramos la superpoblación, el aumento de la pobreza, el aumento de la criminalidad, la alta cantidad de tráfico, la mala calidad del aire, el exceso de trabajo y la inexistencia de parques, aceras e instalaciones deportivas y recreativas, entre otros factores.
Con el fin de mejorar las funciones cardiorrespiratorias y musculares y la salud ósea y de reducir el riesgo de ENT y depresión, se recomienda que:
Los adultos de 18 a 64 años dediquen como mínimo 150 minutos semanales a la práctica de actividad física aeróbica, de intensidad moderada, o bien 75 minutos de actividad física aeróbica vigorosa cada semana, o bien una combinación equivalente de actividades moderadas y vigorosas.
La actividad aeróbica se practicará en sesiones de 10 minutos de duración, como mínimo.
Con el fin de obtener aún mayores beneficios para la salud, los adultos de este grupo de edades aumenten hasta 300 minutos por semana la práctica de actividad física moderada aeróbica, o bien hasta 150 minutos semanales de actividad física intensa aeróbica, o una combinación equivalente de actividad moderada y vigorosa.
Dos veces o más por semana, realicen actividades de fortalecimiento de los grandes grupos musculares.
En gran medida el sedentarismo actual es producto de la enorme cantidad de beneficios en tecnología que la humanidad ha logrado, tecnología que nos ha permitido llevar vidas más fáciles en comparación con antaño. Por lo tanto, para evitar este tipo de afecciones como el sedentarismo, es importante innovar en este campo, y así llegar a cada vez más usuarios con deportes o prácticas que puedan generar un mayor entusiasmo e interés. 
Escaleras y escaladoras
Según el periódico español El Pais, subir y bajar escaleras tiene la ventaja de ser un hábito fácil de incluir en nuestras costumbres del día a día. Estudios médicos apuntan a que el cerebro emite sustancias que hace que veamos ese ejercicio como algo bueno y necesario para nuestro organismo. "Una actividad como subir y bajar escaleras es importantísimo para la autosuficiencia de las personas en sus acciones cotidianas", señala Fernando Martín, "especialmente de las personas mayores, ya que su movilidad seve reducida con el paso de los años, sobre todo, si no hacen ejercicio".
En ese sentido, estudios indican que esta clase de pequeñas medidas, incluyendo cuidar las cantidades de lo que se come, pueden ser más efectivas contra la obesidad que hacer régimen o hacer un programa intensivo en el gimnasio.
Para la mayoría de las personas las escaleras son una fuente de salud que está disponible ya mismo. Además en ciertas circunstancias puede ser más rápido tomar las escaleras que esperar el ascensor, los beneficios que obtendríamos al hacer estos pequeños esfuerzos serán inmensos.
Esto nos indica que el subir y bajar escaleras tiene un impacto positivo en la actividad física, pero hay que tomar en cuenta que existen ciertas personas para las cuales este tipo de ejercicio puede no ser el mejor, dado que genera problemas en las rodillas al igual que a las personas que lo trabajan en exceso. Por ellos mecanismos que simulen el ejercicio que se realiza en unas escaleras pero con un menor impacto en articulaciones sería muy positivo para el usuario, teniendo las ventajas del ejercicio presentado con una disminución en los problemas que conlleva.
En los gimnasios podemos encontrar escaladoras, son maquinas pequeñas para hacer ejercicio, que te permite simular el movimiento de subir escaleras, colinas y formas similares de ejercicio cardiovascular. Estas pequeñas máquinas te ofrecen casi los mismos beneficios que una escaladora de gimnasio, pero suelen tener menor ajustes y algunas no tienen asas. Con una mini escaladora puedes obtener varios beneficios de salud y de condición física. Una de las ventajas que tienen es la posibilidad de ajustar el entrenamiento al requerido por el usuario.
El buen desarrollo de una persona requiere una parte importante de actividad física, esta hace que tengamos una mejor salud mental y mejores condiciones para vivir y ser más felices. Es importante destacar que la actividad física no es solo ejercicio repetitivo y planeado en algún ambiente, la actividad física también cubre todos esos movimientos corporales que hacemos a diario, bien sea con el fin de desplazarnos de un lugar a otro o cualquier actividad meramente recreacional. Adicional a todo lo anteriormente planteado, es importante resaltar que durante estas sesiones de ejercitación se pueden presentar grandes niveles de relajación, en los que te puedes olvidar de problemas cotidianos y por ello hacer tu vida más placentera.
Diseño de un triciclo con impulso mediante un sistema de escaladora
Tal como se ha expuesto, la actividad física es muy importante para un buen desarrollo humano. Desde pequeños somo sometidos a actividades físicas, jugando, corriendo o aprendiendo deportes, todo esto para garantizar una mejor salud.
Es vital que cada profesional use sus conocimientos para fomentar la actividad física y así mejorar nuestro cuerpo y mente. Desde nuestro ámbito como ingenieros nos vemos en la obligación de diseñar formas innovadoras para cumplir la demanda creciente de ejercicio, mecanismos que permitan maneras divertidas y funcionales para ejercitarse, en un todo de acuerdo con los estándares internacionales impartidos.
Como ingenieros mecánicos el diseño es una parte fundamental en nuestra carrera, desde una gran variedad de piezas a estructuras más grandes, como ingenieros mecánicos estamos inmersos en el área del diseño. Para ello nuestra visión de las cosas tiene que ser a favor de las condiciones requeridas por el usuario y el cliente. Basándonos en esto no solo necesitaremos conocimientos en cuanto a la mecánica, también tendremos que aplicar conocimientos que conlleven al desarrollo del proyecto y estar dispuestos a aprender cosas nuevas útiles para el diseño.
Antecedentes
Para garantizar un diseño competitivo en este mercado se investigó una gran cantidad de mecanismos y formas para el triciclo. Entre todas las investigaciones uno de ellos destaco por su diseño, era un dispositivo muy similar a lo que habíamos imaginado para tales fines. El dispositivo, denominado como Halfbike, cumplía en gran medida los requisitos, siendo este el perfecto diseño a estudiar. En este inusual aparato desaparece la idea de galopar sobre una máquina y se presenta como un equipo para hacer ejercicios montado sobre un triciclo. Dispone de tres ruedas como un triciclo, pero sin asiento. La inclinación del cuerpo, como en una patineta, permite los movimientos, ayudado por un timón como en un scooter para niños. 
La Halfbike irrumpe con la forma tradicional de la bicicleta y propone una manera de movilizarse en las ciudades. Al mismo tiempo, es lo suficientemente compacta para moverse por la ciudad y poder desplazarla en ascensores, autobuses, metro o en vehículos particulares.
Una liviana estructura de aluminio conecta la rueda delantera con el eje de ruedas trasero. La tracción, como en las bicicletas antiguas, se genera en esta rueda de mayor tamaño, que usa un solo cambio. El timón lo conforman dos estilizadas piezas de madera que surgen del centro de los pedales hasta encontrar la manilla de freno.
T-MOVE
El T-MOVE surge cuando 5 estudiantes de ingeniería mecánica de la Universidad de los Andes (ULA) Venezuela, querían un método de transporte diferente, bueno para ejercitarse, cómodo, fácil de usar, retráctil, no contaminante y que la potencia la genere el mismo cuerpo del usuario. Una bicicleta fue la primera idea, pero no era muy innovador, y el mercado es muy competitivo y diverso. Por eso, encontrando inspiración en el Halfbike de Koleina se nos ocurrió construir un triciclo con un eje rotatorio en la parte trasera y un sistema de dirección muy interesante, ya que no sería el típico manubrio con una orquídea adelante, dispondríamos de resortes en la parte trasera, sujetos al eje y al chasis, para que así, mediante la inclinación del usuario pueda girar es la dirección deseada, tal cual cómo funcionan las skateboards de montaña. Pero la innovación no termina allí, debido a que el sistema de propulsión al cual el usuario transmitirá la potencia no serán unos pedales comunes de bicicleta, se buscó la inspiración en el mundo fitness y se agregó sistema de transmisión de propulsión tipo mini escalador. 
Gracias a esto, el T-Move será un propuesta nueva a la hora de ejercitarse y aprovechar el tiempo libre en parques, plazas, stadiums, centros deportivos, lugares públicos, entre otros. Nuestro mercado se direccionara en primera estancia a adultos jóvenes, y con el tiempo expandirse a un público más amplio con modelos en diferentes tamaños. 
Logotipo del T-MOVE
Diseño
Tabla 1. Propiedades mecánicas de la madera
	
Tipo
	
Módulo de Elasticidad (E, GPa)
	
Limite Elástico (σy, MPa)
	Máximo esfuerzo de compresión (σ, MPa)
	
Resistencia a la Torsión ( T, MPa)
	Birch
	15.2
	85 - 90
	67 - 74
	13 – 18.5
Tabla 2. Propiedades mecánicas del acero a usar
	
Tipo
	
Esfuerzo ultimo (Mpa)
	Acero 1095
	835
Para determinar el factor de seguridad (F.S) inicial de nuestro producto, usaremos una tabla proporcionada por ASME (American Society of Mechanicals Engineers) que se basa en función de la incertidumbre que rodea al producto.
Tomando en cuenta la información que provee la tabla anterior, para nuestro producto usaremos un factor de seguridad entre 1.5 y 2.0, ya que los criterios de adaptan a nuestras condiciones de trabajo. Esto quiere decir, que se conocen las cargas y esfuerzos máximos que va a soportar, el entorno con el que va a interactuar, y del material que será fabricado. 
Proceso de Diseño:
 Después de varias reuniones de los miembros de la compañía, discutiendo la viabilidad y estética del prototipo, se decidió por el diseño de triciclo con un eje giratorio en vez de uno estático en la parte trasera. Una vez tomada esa decisión se procede a analizar las características del usuario promedio, para así establecer el mercado en el cual debutara el producto, como también el entornoadecuado y recomendado para su uso. El usuario promedio estimado tendrá edades comprendidas entre los 25 y 29 años de edad, por lo cual se está apuntando en principio a una población de adultos jóvenes. Las dimensiones estándar entre esas edades establecen una simetría para el chasis y componentes, y como en el futuro se planea expandir estos rangos de edades y dimensiones de los usuarios, categorizaremos los modelos por tamaños; este rango de edad antes mencionado (de 25 a 29 años) se incluye en el tamaño M. 
Al tener definido el usuario promedio se puede determinar los estados de carga y esfuerzos a los cuales se enfrentara todos los componentes mecánicos del producto, pero nosotros en este artículo no analizaremos el triciclo completo, solo analizaremos las cargas que se transmiten al eje rotatorio, haciendo énfasis en las cargas cíclicas (fatiga) que soportará y así mediante el uso de una teoría de fallas determinar un factor de seguridad que le permita operar sin complicaciones a lo largo de su vida útil. Con todo lo antes planteado todavía se presentaba una interrogante, ¿Cuál será el sistema que le dará la potencia al triciclo? La primera opción fue un sistema de potencia estándar de bicicleta, pero era algo muy común y poco innovador, necesitábamos algo que nos hiciera resaltar sin perder la esencia y que no afectara la estética del triciclo, esto se resolvió dándole un enfoque fitness y así surgieron varias propuestas de sistemas de propulsión los cuales introducimos al programa Expert Choice y da como ganador el sistema de potencia tipo escalador (ver figura 1). Al tener el sistema de potencia definido ya se podría con más precisión determinar las cargas que genera este sistema en conjunto con las demás cargas existentes y como todas ellas se transmiten a nuestro objeto de estudio, el eje trasero. Con toda esta información se procede al uso de programas CAD en los cuales se puede obtener una mejor apreciación de cómo será la geometría, hacer análisis estructural y determinación del punto crítico para así escoger los materiales que mejor se adapten a esas condiciones de trabajo. Finalmente al juntar todo estos procesos se obtiene una propuesta para diseño de un eje trasero que funcionara perfectamente en las condiciones requeridas. 
Imágenes realizadas mediante modelado en 3D
Dimensiones 
Cálculos
Ya que el eje es simétrico tomaremos solo una parte del eje así que:
Datos:
Peso de la persona: 120 kg
Masa del dispositivo: 10 kg
Gravedad: 10 m/s^2
F1 = (120 + 10)*10 = 1.3 kN
Fuerza de la pisada (F2) = Peso*(Altura del pedal)*(duración de la pisada)
Altura del pedal: 40 cmFt
Duración de la pisada: 1.02 s
F2 = 120*0.40*1.02 = 50 NT
Ft = 1350 N
D = 1.2d
Radio de entalle (re) = d/10
ω = 1568 rpm
N = 5 h (300 min)
Material: Acero al carbono
Sut: 835 MPa
Estado de cargas:
Rb = 627.61 N
Ra = 722.09 N
Mz = 21.66 N*m.
El Torque se determinó suponiendo el estado más crítico que sería si el usuario pierde el control en una pendiente de 45⁰, por lo cual T = 59.71 N*m
La zona crítica es el cambio de sección donde ira el disco de freno (punto B), y la sección transversal es:
T
Y
 
Mzzz
Z
Inversión Completa por momento en la zona B:
Mzmax = Mz Mzmin = -Mz
T varia R = 0, por lo tanto Tmin = 0
Esfuerzos alternantes:
Concentradores de Esfuerzo:
D/d = 1.2 r/d = 0.10
Por Torsión:
	Ktt = 1.4
Por Momento: 
	
Kt = 1.6
Índice de sensibilidad al entalle Kf:
W = 0⁰ 
Para Momento:
Kfm = 1 + q*(Ktm – 1)
Kfm = 1 + q*0.6
Para Torsión: 
Kft = 1 + q*(Ktt – 1)
Kft = 1 + q*0.4
Límite de resistencia a la Fatiga:
Como estará la temperatura es igual a 25⁰:
Dejaremos él Se en término de Kb:
Calculo de Sf
Sm
Sf
n
Por relación de triángulos:
Calculo de Sm
Ciclos (N)
Seremos muy conservadores y diremos que el tiempo que durara el eje en estado crítico serán unas 5 h = 300 min y las rpm fueron calculadas con la misma analogía del torque.
Factor de Seguridad de Soderberg:
Proceso de iteración:
Todas las ecuaciones que están en color naranja serán usadas para el proceso de iteración el cual nos arrojara como resultado un valor de diámetro específico en relación con el estado de carga que soportara el eje. Debemos iterar hasta que converja el resultado.
Comenzaremos suponiendo una d, y de allí encontraremos los demás valores.
	d (m)
	r (d/10, m)
	q
	Kfm
	Kft
	Kb
	Se’ (MPa)
	Sf (MPa)
	d (m)
	0.03
	0.003
	0.53
	1.32
	1.21
	1.8
	430.2
	99
	0.024
	0.024
	0.0024
	0.24
	1.14
	1.10
	1.85
	441.97
	101.48
	0.023
	0.023
	0.0023
	0.24
	1.14
	1.10
	1.86
	444.35
	101.97
	0.023
El diámetro menor (d) es 0.023 m, por lo tanto el diámetro mayor será (D = 1.2d) 0.028 m. Estos valores garantizan que no fallara por fatiga.
Conclusión
A lo largo de la evolución el ser humano se ha basado en el diseño para perfeccionar lo existente y llegar cada vez más lejos, es mediante éste que ha podido dominar y prevalecer a través del tiempo, le ha permitido crear herramientas como extensiones de su cuerpo, crear construcciones y grandes edificaciones, con el fin de mejorar la calidad de vida. 
El diseño es una parte fundamental en la ingeniería mecánica siendo este el proceso de dar forma a ideas, pensamientos y necesidades, usando materiales y tecnología, para de esta manera crear algo que pueda ser útil y necesario. Es gracias a grandes mentes creativas puestas al servicio del progreso que se han ideado una gran cantidad de máquinas y dispositivos que permiten que el ser humano pueda tener una mayor supervivencia. Siendo la invención y la innovación una parte vital de la existencia, es importante que como ingenieros mecánicos desarrollemos destrezas y facilidades a la hora de realizar el diseño de máquinas, pues un ingeniero mejor enfocado en esta área será mucho capaz en el mundo y será más útil a la hora de ser necesitado.
En tal sentido, nuestra compañía Soluciones Mecánicas se crea para satisfacer la necesidad creciente en el mundo de hoy de ejercitarse de forma divertida y eficaz mediante máquinas que faciliten este proceso. La empresa se vio sometida a un gran número de retos, que poco a poco y con un buen equipo de trabajo logramos afrontarlos. Nos vimos obligados a aprender sobre la actividad física en la actualidad y como poco a poco la sociedad toma conciencia sobre ello. Aplicamos conocimientos adquiridos en la materia de Mecánica de Materiales para poder determinar los diámetros requeridos y así garantizar un factor de seguridad que permitiera al usuario usar sin problemas el dispositivos, también aprendimos sobre los conocimientos de fatiga en materiales y su importancia en el fallo de estos.