Banco de pruebas en túnel de viento para el análisis y la optimización del rendimiento aerodinámico de ciclistas profesionales

Introducción

El grado de tecnificación y perfeccionamiento que ha alcanzado el ciclismo profesional hoy en día provoca que la diferencia entre una victoria y una derrota pueda medirse en unos pocos segundos, en el marco de una competición de tres semanas de duración. Es por ello que los deportistas de primer nivel no pueden dejar ningún detalle al azar, y que se incida en aquellas disciplinas donde el método y el estudio de factores controlables puedan reportar algún beneficio, que por mínimo que sea, puede significar el éxito. La contrarreloj individual es el ejemplo más claro de ello, y una mejora de unos pocos gramos en la resistencia aerodinámica puede convertirse en un factor diferencial.

Requisitos

Como en toda prueba realizada en túnel de viento, el objetivo principal es la medición de las 6 componentes, fuerzas y momentos, que actúan sobre el modelo, asociadas al eje de referencia seleccionado.

En este caso, el modelo es el propio ciclista pedaleando en condiciones que se asemejan lo máximo posible a las que encontrará en carrera. Por ello, es necesario introducir un sistema de rodillos que simule la resistencia a la rodadura, ajustable en tiempo real según los objetivos de la prueba particular que se realice en ese momento, o según las preferencias personales del propio ciclista.

Del mismo modo, se requiere medir la potencia generada durante el pedaleo, la velocidad a la que rueda sobre los rodillos, la cadencia de pedaleo y otros parámetros asociados, no al ciclista como en este caso, sino al propio túnel, y más concretamente a las condiciones del flujo de aire, que tendrán influencia a la hora de realizar el procesado de los datos. Estas mediciones de temperatura, presiones totales y dinámicas, y de humedad relativa principalmente, se emplean tanto para realizar cálculos de velocidades, coeficientes aerodinámicos y eficiencias, como para asegurar que las condiciones del ensayo han sido las óptimas (la temperatura y humedad pueden regularse desde el control del túnel) y repetibles, de modo que se mantenga la consistencia de los datos recogidos, y que su análisis y comparación posteriores resulten válidos.

Por último, la propia mesa de simulación y mediciones sobre la que se instala la bicicleta y el ciclista debe incluir un control de posicionamiento y bloqueo del ángulo de incidencia con respecto al aire, que se traduce en una precisión requerida inferior a una décima de grado.

El procesado de los datos se realiza en tiempo real, que se muestran al operador junto con los mandos de control del sistema, y se almacenan una vez terminada la secuencia de adquisición.

Adicionalmente, un conjunto de cámaras, una matriz de video, un sistema de proyección y el correspondiente software específico permiten mostrar al ciclista su rendimiento en tiempo real, así como su posición en la bicicleta, comparada y superpuesta con la posición ideal (ver Figura 1).

Por lo tanto, y resumiendo, las funciones que desempeña el sistema son:

• Adquisición de fuerzas y momentos con respecto al sistema de coordenadas del túnel de viento.
• Adquisición de variables de velocidad, presión dinámica, temperatura y humedad relativa del caudal de aire.
• Control y aplicación de resistencia de rodadura.
• Adquisición de velocidad de rodadura, cadencia de pedaleo, potencia generada.
• Control de posicionamiento.
• Cálculo y procesado en tiempo real de datos finales y coeficientes, y almacenamiento de los mismos.
• Captación de imágenes, control de posición objetivo y proyección frente al ciclista tanto de la señal de video procesada como de su rendimiento en tiempo real.
• Y todo ello sin condicionar los sistemas mecánicos desarrollados para las pruebas ni generar perturbaciones al flujo en la sección de test.

Arquitectura

La Figura 2 muestra un esquema simplificado de la arquitectura general del sistema descrito, dividido en dos partes principales.

La primera de ellas, compuesta por aquellos elementos ubicados en la sala de control, se compone del software desarrolladocon LabVIEW para las funciones de adquisición, control, procesado, almacenamiento y visualización, y la matriz de video que selecciona la imagen proyectada frente al ciclista. Esta imagen puede combinar datos de rendimiento con capturas de la posición real frente a la objetivo.

La segunda parte está compuesta por el subsistema ubicado en el interior de la sección de test. Aquí encontramos las cámaras y el proyector, así como los sensores de variables ambientales, que se encuentran fuera de la corriente de aire principal (excepto en el caso del sensor de presión dinámica para medir la velocidad del aire), protegidos por las paredes ranuradas. Asimismo, dentro de esta segunda parte como subsistema autónomo y aislado, se halla el banco de pruebas propiamente dicho. Éste integra los sensores de fuerza, par y velocidad para el ciclista y la bicicleta, el equipo de adquisición, el freno electromagnético de histéresis y su control asociado, el servomotor de giro con su correspondiente hardware, las alimentaciones para todos ellos, y todos los dispositivos mecánicos que permiten que funcione como un banco de rodillos y balanza simultáneamente.

Conclusión

El entorno de desarrollo gráfico LabVIEW ha permitido desarrollar un software con una interfaz que permite ser utilizado simultáneamente por el operador para el control de la prueba y por el propio ciclista para la visualización en tiempo real de su rendimiento. Funciones tan diversas como la adquisición, el procesado, el almacenamiento de los datos y el control de subsistemas anexos han sido desarrolladas en plazos de tiempo muy reducidos, del orden de los que se contemplan en el área de negocio principal de Epsilon Euskadi: El automovilismo de competición.

El tamaño compacto del CompactDAQ y su versatilidad para adquirir señales tan diversas como las procedentes de células de carga, sensores analógicos diversos, entrada de pulsos digitales para la velocidad y salidas analógicas para establecer el punto de trabajo del control de resistencia, han permitido integrar todo el sistema en el mínimo espacio posible. Ello ha hecho posible un diseño mecánico del banco de pruebas con un tamaño y sección tales que la perturbación del flujo laminar de aire sea mínima, y evitando el efecto de bloqueo en la sección de test.

Información del Autor:

Mikel Fauri Larrea
Epsilon Euskadi S.L.-