Otras carreras Simulación de la dinámica del remo

[Woshi]

Hola,

estoy intentando crear un simulador de remo y tengo una duda básica sobre la palanca que hace que el bote se mueva:

- El bote avanza ya que se usa la pala en el agua como fulcro, pero esto no es completamente cierto ya que la pala no queda completamente quieta ya que se hace más fuerza con la pala que la resistencia que ejerce el agua. Como calcular la fuerza que hará que se mueva?

gracias y espero que me puedan ayudar, nos veremos!

[[Beto]]

Re: Simulación de la dinámica del remo

Hola, no entiendo muy bien tu pregunta ... cuando tienes un bote a remo si realizas un diagrama de cuerpo libre del bote hay dos fuerzas:

1. Rozamiento con el agua.
2. Fuerza empuje del remo.

y a fuerza de empuje del remo la puedes determinar usando un diagrama de cuerpo libre para el remo, donde tendrás que considerar la fuerza con la que empujas al remar, la fuerza de rozamiento del agua con el remo y la fuerza de contacto del bote con el remo.

[Woshi]

Re: Simulación de la dinámica del remo

hola, lo primero gracias por responder.

La pregunta era como calcular la fuerza empuje del remo, sabiendo la fuerza que se ejerce al remo he calculado la fuerza que ejercería con la pala en el agua y la resistencia también se calcularla que contrarrestaría la fuerza de la pala, pero cual es la fuerza que se le hace al bote? Fuerza Bote = Resistencia del Agua en la Pala - Fuerza en la Pala?


La palanca que se usa con el remo es una mezcla entre el primer y segundo genero... si el agua fuese un solido (osease que la resistencia fuese muy grande) la palanca seria de segundo grado, y por el contrario si en vez de en el agua se hiciese palanca en el aire la palanca seria de primer grado.

[felmon38]

Re: Simulación de la dinámica del remo

Las fuerzas que entran en el problema te las ha dicho Beto y a tí se te ha olvidadado dibujar la que andas buscando que es la fuerza de contacto del remo sobre la barca. He ido a Wikimedia y mira como se expresa en términos naúticos este problema:

" El remo, sujetado por el estrobo, actúa como una palanca: la potencia es el remero, el fulcro del estrobo fijado en el escálamo y la resistencia la hace la pala en el agua. La fuerza que recibe la embarcación es la que transmite el estrobo al escálamo (que forma parte de la embarcación)",

Así que si despreciamos la masa del remo, tomando momentos de las fuerzas que actúan sobre él respecto del punto donde agarra el remero se obtiene la fuerza que el escálamo ejerce sobre el remo. La fuerza igual y contraria a esta es la que el remo ejerce sobre la barca (aquí incluyo al remero). Hay que añadir, como fuerza exterior a la barca, la resistencia del agua sobre la quilla.

Saludos.


Ah! Se me olvidaba, esto es si consideras que hay dos sistemas mecánicos : por un lado la barca y el remero, siendo el otro sistema mecánico, el remo.

Si consideras tres sistemas: la barca, el remero y el remo, las fuerzas exteriores que actúan sobre la barca serán : la acción del agua sobre la quilla, la acción del remero y la acción del remo. Sobre el remero. .... Y sobre el remo. ...

Por último puedes considerar un único sistema: el definido por la barca, el remero y el remo, en cuyo caso las dos únicas fuerzas que actúan sobre él serán la acción del agua sobre la quilla y sobre la pala.

[Woshi]

Re: Simulación de la dinámica del remo

Buenas, gracias por molestarte en responder,

Se que faltan fuerzas por tener en cuenta pero tengo que ir calculándolas de una en una.....tranquilos seguro que volveré con el resto jajaja. Por lo que creo entender (lo siento si no es así), la palanca es de primer grado (sigo pensando que no es 100% así) y la fuerza que se ejerce en la pala es la que se trasladara al bote? Por ejemplo esto:


Aprovecho el mensaje para proponer otra duda, he estado buscando la velocidad de rotación que debería de tener el remo después de ejercer la fuerza, creo que depende de la inercia del momento, es así?

Gracias y lo siento si no lo he entendido correctamente.

[felmon38]

Re: Simulación de la dinámica del remo

Perdona Woshi pero te sigue faltando dibujar la fuerza que la barca ejerce sobre el remo que es la suma de P y R con el signo cambiado. Bueno, sobre el remo actúa además su peso, así como también hay que tener en cuenta los pesos del remero y la barca y el empuje del agua sobre la barca y el remo (esta supongo que se puede despreciar).
Creo que la velocidad angular más importante es la de avance, ya que de este valor habrás obtenido la R.

[visitante20160513]

Re: Simulación de la dinámica del remo

La verdad es que este es un problema que puede analizarse con diversos grados de complejidad. El caso más simple es suponer que la barca no roza con el agua y que el remo no se desplaza en el agua, es decir que su extremo inferior lo suponemos fijo en el agua. En este caso la fuerza aplicada al remo se traduce en una fuerza aplicada a la barca que se calcula fácilmente aplicando la ley de la palanca en la que la potencia es la fuerza aplicada al remo por el remero y el punto de apoyo es el extremo del remo sumergido en el agua, la consecuencia es que ese desarrollo imprimirá a la barca un movimiento uniformemente acelerado, lo que evidentemente es falso. Pero el asunto puede complicarse algo más si aceptamos que tanto la barca como el remo se desplazan respecto del agua y ambos rozan con ella. Es necesario analizar la cuestión con algo más de detenimiento y aplicar las leyes de la dinámica de una forma algo mas rigurosa que una sencilla ley de la palanca, creo.

Salu2

[felmon38]

Re: Simulación de la dinámica del remo

Jabato, la ley de la palanca se puede aplicar si se supone la masa del remo despreciable, y en eso se está. Como dices no se puede suponer que no hay rozamiento, luego habrá que utilizar el modelo mas sencillo de rozamiento que no entre en contradicción con el problema (tendrá que ser viscoso ). Woshi ha calculado la fuerza que ejerce el agua sobre la pala, yo creo que se tiene ahora que suponer que el diseño de la pala es tan bueno y que la viscosidad del agua es tan grande que se pueda despreciar el desplazamiento de la pala respecto del agua. Y así siguiendo se puede al menos tener una idea cualitativa de las fuerzas que actúan en el proceso y una primera aproximación de su magnitud.

[Woshi]

Re: Simulación de la dinámica del remo

Hola jabato a ti también,

Perdona Woshi pero te sigue faltando dibujar la fuerza que la barca ejerce sobre el remo que es la suma de P y R con el signo cambiado.

* Ya he dibujado la fuerza que faltaba.... pero ahora las fuerzas se anularían no?

Bueno, sobre el remo actúa además su peso, así como también hay que tener en cuenta los pesos del remero y la barca y el empuje del agua sobre la barca y el remo (esta supongo que se puede despreciar).

* Los pesos del remero, de la barca y demás entiendo que influyan en la velocidad del bote, pero en la fuerza que ejerce el sistema del remo al bote(que es lo que intento simular de momento) no debería de influir no?

Woshi ha calculado la fuerza que ejerce el agua sobre la pala, yo creo que se tiene ahora que suponer que el diseño de la pala es tan bueno y que la viscosidad del agua es tan grande que se pueda despreciar el desplazamiento de la pala respecto del agua.

* En el arranque cuando se ejerce mucha fuerza si el bote pesa lo suficiente la pala "resbala en el agua", osea arrastras agua. Por esto decía que la palanca es una mezcla de tipos de palanca, la que tiene como punto de apoyo el escálamo(la pala patina en el agua) y la que tiene el punto de apoyo en el agua(la pala queda inmóvil y la fuerza se ejerce al bote).

En la salida de este video se puede ver como la primera palada resbala (mas o menos 2:00):

Gracias a todos

[felmon38]

Re: Simulación de la dinámica del remo

Date cuenta que las ecuaciones de la estática derivan de las de la dinámica cuando las aceleraciones de las partículas respecto de un sistema inercial son cero, o cuando las masas son nulas, ya que ambas aparecen en las ecuaciones como m.a, por lo que el sistema de fuerzas tiene que ser equivalente a cero,, tal como te has dado cuenta, ( en caso contrario aparecerían aceleraciones infinitas)

* Los pesos del remero, de la barca y demás entiendo que influyan en la velocidad del bote, pero en la fuerza que ejerce el sistema del remo al bote(que es lo que intento simular de momento) no debería de influir no?

.

Si se hace la hipótesis de que el movimiento se puede aproximar aproximar a una traslación rectilínea sí, pero con oleaje, p.e, las componentes de las fuerzas en x e y están acopladas y hay que tenerlas en cuenta.

* En el arranque cuando se ejerce mucha fuerza si el bote pesa lo suficiente la pala "resbala en el agua", osea arrastras agua. Por esto decía que la palanca es una mezcla de tipos de palanca, la que tiene como punto de apoyo el escálamo(la pala patina en el agua) y la que tiene el punto de apoyo en el agua(la pala queda inmóvil y la fuerza se ejerce al bote).

En la salida de este video se puede ver como la primera palada resbala (mas o menos 2:00):

Esto es muy interesante. Al principio la fuerza sobre la barca no solamente tiene que vencer al rozamiento sino que tiene también que acelerarla.
Yo creo que aquí no vale el modelo de palanca con algún punto fijo en un sistema inercial, ya que tiene pinta que no lo va a tener, aunque se haga la hipótesis de que sí.

Saludos

[visitante20160513]

Re: Simulación de la dinámica del remo

Hay un modelo simplificado que creo que evita todas estas dificultades y otras que aún no se han comentado. Se basa en la geometría del sistema y evita tener que aplicar las leyes de la dinámica. Trataré de explicarme, veamos en primer lugar los dos extremos posibles del problema:

1º).- Es el caso más ineficaz posible, es decir cuando el "agua" no realiza ninguna reacción sobre el remo y este puede por tanto desplazarse con libertad. En este caso el extremo sumergido del remo se mueve respecto del agua en la misma proporción en que el remero rema. La barca no se desplaza.

2º).- Es el caso más eficaz posible, es decir cuando se admite que la reacción del agua sobre el remo es infinita y por lo tanto su extremo sumergido se mantiene fijo, sea cual sea la fuerza con la que se reme. En ese caso el desplazamiento de la barca puede calcularse usando la ley de la palanca como el desplazamiento del extremo superior del remo multiplicado por la relación de la palanca, que al ser una palanca del tipo PRA siempre será menor que la unidad.

Todos los casos intermedios entre ambos extremos son ahora posibles si consideramos que el extremo sumergido del remo se desplaza una cierta cantidad que podemos parametrizar para dar flexibilidad a nuestro modelo, porque la suma de los desplazamientos del extremo sumergido del remo y de la barca (son desplazamientos opuestos) debe satisfacer la relación de la palanca por la geometría del sistema, es decir:

a).- Si la relación de la palanca ($\overline{RA}/\overline{PA}$) vale $r$.
b).- Si el desplazamiento del extremo superior del remo, impulsado por el remero, vale $d$
c).- Si el desplazamiento de extremo inferior del remo vale $D$
d).- Si el desplazamiento de la barca vale $b$

entonces la ecuación que relaciona todos estos conceptos es matemáticamente exacta y debe satisfacerse de forma precisa por la geometría del sistema:

$(|b|+|D|)r=|d|$

Bastará pues evaluar los valores de $d$ y $D$ (que son geométricamente opuestos) y conocido el valor de $r$ poder estimar el valor de $b$

$|b|=\displaystyle\frac{|d|-r|D|}{r}$

Para poder estimar la forma en que se moverá el extremo sumergido del remo es necesario describir de forma precisa el rozamiento del remo con el agua y este creo que es un asunto que se sale de los límites del problema por su complejidad, el desplazamiento del extremo sumergido del remo dependerá en general de la forma de la pala, de la fuerza que aplique el remero, de las propiedades viscosas del agua, etc, pero creo que el modelo descrito resuelve satisfactoriamente el problema al menos en el contexto de este foro.

Si observáis detenidamente el movimiento de las embarcaciones de remo (muy eficiente) en las competiciones deportivas se ve claramente que el extremo sumergido del remo se mueve pero su desplazamiento es muy pequeño. Tanto más eficiente es la remada cuanto menor es el desplazamiento del extremo sumergido del remo (puesto que esto hace que el desplazamiento de la barca aumente en la misma proporción), conclusión que coincide exactamente con el modelo que os he propuesto aquí. Una vez evaluados los valores de $D$ y $d$ no es complicado calcular la velocidad de la barca conociendo la frecuencia de la remada puesto que en cada ciclo la barca se desplaza un valor de $B$

En este vídeo se aprecia claramente como el desplazamiento del extremo sumergido del remo adopta valores muy pequeños, lo que conlleva a que el desplazamiento de la canoa sea el mayor posible, ahí es donde está precisamente la habilidad de los remeros, ya que deben imprimir la fuerza y la frecuencia adecuadas para conseguir que la velocidad del conjunto sea la máxima posible:

http://www.youtube.com/watch?v=jBUwk6E-Y5Y

Salu2

[Woshi]

Re: Simulación de la dinámica del remo

G R A C I A S! ahora si que se a reflejado lo que decía de la palanca que no era del tipo PRA o PAR (según tu los has llamado) siendo un intermedio de las 2 opciones enumeradas que has ofrecido (siendo bastante mas cercana a la 2.).

Para poder estimar la forma en que se moverá el extremo sumergido del remo es necesario describir de forma precisa el rozamiento del remo con el agua y este creo que es un asunto que se sale de los límites del problema por su complejidad, el desplazamiento del extremo sumergido del remo dependerá en general de la forma de la pala, de la fuerza que aplique el remero, de las propiedades viscosas del agua, etc, pero creo que el modelo descrito resuelve satisfactoriamente el problema al menos en el contexto de este foro.

Buscando encontré una formula que pensé que me serviría para calcular la resistencia que ejercería el agua a la pala. Realmente no se usaba en este contexto por lo que lo traslade a mi problema, y es una formula que creo que derivaba del teorema de Bernoulli:

F = 1/2 * densidad * velocidad^2 * Superficie

Con esto debería de saber la fuerza que ejerce el agua a la pala, con lo que suponía que si la fuerza ejercida en la pala era igual a esta fuerza se mantendría quieta y entraría en funcionamiento la palanca PRA.

¿Se podría calcular con algo parecido cuanto seria el pequeño movimiento del extremo sumergido?

esta seria la velocidad que tiene el bote pero lo que necesito es la fuerza ejercida... por lo tanto, como puedo conseguirlo? ya que tengo que sumar esta fuerza de cada remero.

En serio, Gracias por el tiempo y ganas que has invertido en ayudarme.

[visitante20160513]

Re: Simulación de la dinámica del remo

Pues si la velocidad media es constante la fuerza media debe compensar exactamente al rozamiento de la barca con el agua, digo yo, ahora bien, si conoces la fuerza que aplica el remero y la reacción del agua sobre la pala del remo puedes, aplicando momentos, calcular el empuje generado pero resulta que ni conoces el rozamiento ni la reacción del agua sobre el remo y evaluarlos parece que va a ser complicado. Ten en cuenta que el modelo que yo he descrito se basa solo en la geometría del sistema, que es conocida, pero este modelo tiene la desventaja de evitar las leyes de la dinámica. No existen en él razonamientos basados en la mecánica, solo consideraciones de tipo geométricas y por lo tanto no vas a poder obtener ni fuerzas ni momentos porque no están definidos en él. Tendrás que recurrir a un modelo basado en las leyes de la dinámica, pero eso es harina de otro costal y algo más complicado.

Podrías intentar razonar de la siguiente forma. La fuerza que aplica cada remero se traduce en un desplazamiento de la pala sobre el agua y en otro de sentido opuesto de la barca sobre el agua. La fuerza del conjunto de remeros se distribuye entre cada uno de los efectos referidos en una determinada proporción, podemos estimar que si los desplazamientos de la barca y del remo se distribuyen en la misma proporción también lo harán las fuerzas respectivas, estando la primera aplicada en la pala y la segunda en el apoyo del remo sobre el bote, pero no estoy seguro de que ese razonamiento te conduzca a resultados correctos porque la reacción del agua contra la pala del remo es claramente de distinta naturaleza que la reacción del agua sobre el bote y eso no nos garantiza que el reparto de fuerzas se produzca de esa forma. No puedo aconsejarte otra cosa basándome en este modelo. Si a alguien se le ocurre alguna otra idea basada en un modelo físico, no geométrico, que sea viable pues tendrás tu solución pero no con un modelo geométrico como éste.

Un ejemplo más sencillo de entender, considera una tubería no necesariamente uniforme, por la que circula un fluido incompresible, agua por ejemplo. Una consideración geométrica te dice que la cantidad de agua que entra por un extremo debe ser exactamente igual a la cantidad de agua que sale por el otro, pero ese modelo no te dará nunca información sobre otras magnitudes físicas como la presión, la energía etc. porque el modelo no contiene información sobre esos conceptos. Ocurre lo mismo en el modelo que os propuse más arriba.

Salu2.

[felmon38]

Re: Simulación de la dinámica del remo

Aparte del enfoque geométrico de Jabato, que puede complementar el estudio dinámico, y siguiendo con este, creo que te falta una constante en la ecuación

F = 1/2 * densidad * velocidad^2 * Superficie

Ya que has resuelto un problema peliagudo, queda otro, que es calcular la fuerza de rozamiento del agua sobre la barca. El modelo más sencillo es el de amortiguamiento viscoso. En este caso F=N.v.$\nu$. ¿Cuanto vale $\nu$?. Mientras rastreas su valor, te propongo hacerlo a ojo. Supongo que en un estanque agarro un bote de 100 kg y tiro de él con una fuerza, supongo de 50 N, y consigo moverlo a una velocidad de ¿ 0.5 m/s ? entonces :

50 = 100.9,8.0,5.$\nu$

Con esto tengo una idea del valor de. $\nu\cong$. 0,1. Bueno ahora tienes que hacer algo parecido para estimar la k de tu ecuación y de estas dos fórmulas podemos calcular la velocidad del bote, ya que considerando como el conjunto de sólidos, el bote, el remero y el remo y suponiendo que la masa de los brazos del remero es despreciable frente a la masa de él, y que este no se mueve respecto del bote, las fuerzas exteriores horizontales que actúan sobre este sistema son la fuerza de rozamiento y la fuerza del agua sobre la pala cuya suma es la masa del conjunto por la aceleración del c.d.g. como esta es cero, se puede de ahí calcular la velocidad del bote. Bueno así puedes calcular, espero, la velocidad angular que hay que imprimir a los remos, completandolo con el modelo geométrico....

[visitante20160513]

Re: Simulación de la dinámica del remo

Puestos a hacer estimaciones con poco fundamento acerca de las fuerzas viscosas y de rozamiento sobre la pala del remo y sobre la parte sumergida de la barca es quizás más sencillo probablemente hacer estimaciones basándonos en el modelo geométrico, que hasta el momento se ha comportado de forma precisa. Imaginemos que el par aplicado por el conjunto de los remeros se distribuye a partes iguales para compensar el par aplicado por la fuerza resistente del agua aplicada a las palas de todos los remos y el par resistente generado por la resistencia al desplazamiento de la barca. No es una estimación descabellada. Eso nos permitirá determinar las fuerzas aplicadas en cada punto y obtener la fuerza de arrastre que se ejerce sobre la canoa. Es decir que si el par total aplicado por el conjunto de los remeros vale $M$ entonces el para aplicado para compensar el par resistente en el extremo de los remos valdría$M/2$ y otro tanto quedaría para el par total que se aplica en los puntos de apoyo de los remos, que es el que se utiliza en desplazar la barca. Como se conocen los brazos de cada uno de los pares aplicados se pueden obtener sin problemas las fuerzas resistentes en ambos puntos, lo que resolvería el problema. Es una estimación, desde luego, y no es la única posible, pero bastante realista en mi opinión. ¿Que diferencia hay entre hacer esta estimación y la que nos propone felmon en su último mensaje? Al gusto, pero puestos a inventar ... el invento más sencillo suele ser casi siempre el que da mejores resultados.

Salu2