Tesis Milton Jimenez (1)
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Instituto Politécnico Nacional CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN CIENCIA APLICADA Y TECNOLOGÍA AVANZADA UNIDAD QUERÉTARO POSGRADO EN TECNOLOGÍA AVANZADA Desarrollo de ejercitador físico multifuncional y ergonómico utilizable como fuente de energía renovable TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRIA EN CIENCIAS EN TECNOLOGÍA AVANZADA PRESENTA Milton Jiménez Ángeles Directores de Tesis Dr. Jorge Adalberto Huerta Ruelas M.C. Maximiano Ruiz Torres Querétaro, Qro. Diciembre de 2007
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Instituto Politécnico Nacional CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN CIENCIA
APLICADA Y TECNOLOGÍA AVANZADA
UNIDAD QUERÉTARO
POSGRADO EN TECNOLOGÍA AVANZADA
Desarrollo de ejercitador físico multifuncional y ergonómico utilizable
como fuente de energía renovable
TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE
MAESTRIA EN CIENCIAS EN TECNOLOGÍA AVANZADA
PRESENTA
Milton Jiménez Ángeles
Directores de Tesis
Dr. Jorge Adalberto Huerta Ruelas M.C. Maximiano Ruiz Torres
Querétaro, Qro. Diciembre de 2007
AGRADECIMIENTOS
Agradezco al INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL por darme la oportunidad de
crecer académicamente a través de CICATA-IPN Unidad Querétaro.
Agradezco al CONSEJO NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGIA por otorgarme
beca económica y contribuir a este crecimiento.
Agradezco a todo el personal de CICATA-IPN Unidad Querétaro en conjunto con mis
profesores y mis compañeros quienes siempre me facilitaron la estancia en esta
institución.
Deseo dar un nombramiento especial al Dr. Jorge A. Huerta Ruelas y al M.C.
Maximiano Ruiz Torres por su admirable compromiso en la labor y dirección de este
trabajo y por su valiosa contribución a quienes hicieron la revisión del mismo.
Este logro lo comparto además con mi familia: Juan Manuel Jiménez Martínez, Mª
Guadalupe Ángeles, Denisse Jiménez Ángeles, Emmanuel Jiménez Ángeles y Juan Pablo
Jiménez Ángeles porque sin darse cuenta, este trabajo también lo hicieron suyo.
Y a ti OTI por mostrarme el verdadero significado de cómo alcanzar la realización del
mismo.
ÍNDICE
RESUMEN.................................................................................................................................................... 7
ABSTRACT .................................................................................................................................................. 8
ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................................................................ 9
ÍNDICE DE TABLAS ................................................................................................................................ 11
CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN..................................................................................................... 12
1.1 ANTECEDENTES HISTÓRICOS DE LOS MECANISMOS EJERCITADORES.......................................... 12 1.2 SITUACIÓN ACTUAL DE LOS FACTORES QUE MOTIVAN EL DESARROLLO DE ESTE TRABAJO......... 17
1.2.1 Salud..................................................................................................................................... 17 1.2.2 Energía ................................................................................................................................. 20 1.2.3 Edificaciones inteligentes .................................................................................................... 24
1.3 FUNDAMENTOS Y DEFINICIONES................................................................................................. 25 1.3.1 Definiciones básicas ............................................................................................................. 25 1.3.2 Gasto energético................................................................................................................... 27 1.3.3 Diseño Mecánico .................................................................................................................. 30 1.3.4 Ergonomía y antropometría ................................................................................................. 34
CAPÍTULO 2 ANTECEDENTES, JUSTIFICACIÓN Y OBJETIVOS ....................................... 39
2.1 ANTECEDENTES ......................................................................................................................... 39 2.2 JUSTIFICACIÓN ........................................................................................................................... 44 2.3 OBJETIVO ................................................................................................................................... 46
2.3.1 Objetivo General .................................................................................................................. 46 2.3.2 Objetivos particulares .......................................................................................................... 46
CAPÍTULO 3 DESARROLLO DE LA MAQUINA EJERCITADORA ...................................... 47
3.1 DISEÑO CONCEPTUAL DEL PROTOTIPO........................................................................................ 47 3.2 DISEÑO ERGONÓMICO ................................................................................................................ 51 3.3 DISEÑO MECÁNICO..................................................................................................................... 57
3.3.1 La banca ............................................................................................................................... 57 3.3.2 La estructura soporte del mecanismo para la bicicleta inversa ........................................... 61 3.3.3 El sistema de remo................................................................................................................ 64 3.3.4 El sistema de pedales............................................................................................................ 72 3.3.5 Transmisión .......................................................................................................................... 72
CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS ...................................................................... 76
4.1 ANÁLISIS ENERGÉTICO PARA APLICACIONES POTENCIALES ........................................................ 76 4.2 CALCULO DE POTENCIA ENTREGADA POR REMO......................................................................... 76 4.3 CÁLCULO DE POTENCIA ENTREGADA POR BICICLETA Y BICICLETA INVERSA .............................. 80
CAPÍTULO 5 CONCLUSIÓN Y PERSPECTIVAS DEL TRABAJO ......................................... 82
5.1 CONCLUSIÓN.............................................................................................................................. 82 5.2 PERSPECTIVAS DEL TRABAJO ..................................................................................................... 83 REFERENCIAS ........................................................................................................................................... 85 PRESENTACIONES EN CONGRESOS CON ARTICULO EN EXTENSO................................................................ 88 ANEXO 1. DIBUJOS DE DETALLE............................................................................................................. 89 ANEXO 2. RESULTADOS DADOS POR PROGRAMA PARA VERIFICAR LA CONSTRUCCION
DE LOS MECANISMOS HECHOS DE MANERA GEOMETRICA..................................................... 99 ANEXO 3. CÁLCULOS DE POTENCIA OBTENIDA PARA BICICLETA Y BICICLETA INVERSA. ...................... 104
Resumen
El uso de energías alternativas y renovables para la generación de electricidad, principalmente, ha
permitido a los Institutos de Investigación trabajar en una gran cantidad de proyectos referentes
al tema. En México es necesario el trabajo de concientizar el uso de la energía renovable ya que
el valor de la electricidad para los usuarios esta en función de los costos de producción cada día
mas elevados. El presente trabajo esta basado en el esfuerzo realizado por varios investigadores
que conforman la comunidad CICATA-IPN Querétaro, para desarrollar una edificación
inteligente, la cual cuenta, dentro de sus comodidades tecnológicas, con un apartado en el uso de
la energía limpia como complemento de su sustentabilidad. Las energías limpias consideradas
para el proyecto de la edificación inteligente fueron la solar (uso de celdas fotovoltaicas), la
eólica (uso de aerogeneradores) y el gasto energético (maquina ejercitadora). En base al uso esta
última energía, el proyecto aquí presentado consistió en el desarrollo de una máquina
ejercitadora. La máquina podrá ser manipulada por el usuario en base a tres diferentes tipos de
ejercicios físicos: la bicicleta estacionaria, el remo estacionario y la bicicleta estacionaria
invertida (con el uso de las manos) cuyos movimientos de mecanismos caerán en una flecha de
salida a la cual se le podrá acoplar un generador eléctrico. Para la bicicleta estacionaria, la rueda
principal (polea) es movida por el usuario, aprovechando la potencia de las piernas, y esta a su
vez transmite movimiento a la flecha de salida por medio de bandas. Para el remo estacionario,
se utiliza un doble mecanismo de 4 barras Grashof, análogo al de una locomotora. Los remos dan
movimiento al mecanismo de cuatro barras donde la biela transforma el movimiento lineal en
circular de la rueda principal y de esta pasara al eje del generador por medio de bandas. En la
bicicleta invertida, la rueda es movida por medio del movimiento de brazos y manos del usuario y
este se transmitirá a la flecha de salida; la adaptación de este mecanismo es tambien útil para
usuarios que tengan discapacidades físicas o se encuentren en rehabilitación física. El dispositivo
también toma en cuenta aspectos psicológicos que motivarán una actividad recreativa de mayor
satisfacción personal al obtener un valor agregado mediante la producción de energía eléctrica de
una manera limpia y renovable que puede ser utilizada en electrónica personal, iluminación y
equipos de DC de bajo consumo de energía principalmente proveyendo una máquina que genere
energía eléctrica de una forma nueva, recreativa y ecológica para ser utilizada o almacenada en
una batería emergente para el abastecimiento domestico.
Abstract
The use of alternate and/or renewable energy sources to generate electricity, has led
research centers to work in many projects about this subject. In México, it is necessary to
raise awareness between people about the use of renewable energy sources because
electricity production costs increase everyday. The present work shows a piece of an
effort done by some researchers at CICATA-IPN Queretaro, Mexico, to develop
environment-friendly intelligent buildings, which consider the use of clean-renewable
energy as a complement for their whole energy requirements.
Solar, wind, and human-powered energy sources have been considered as good
options for the buildings. Human-powered energy gave birth to the idea of constructing
an exercise machine to generate electricity. This machine was designed to be manipulated
by the user through three different exercises: stationary bike, stationary rowing and the
inverse stationary bike (using both hands). Electricity could be generated by directing all
exercises to an exit axle connected to an electrical generator. In the case of the stationary-
bike exercise type, the main wheel (pulley) is moved by the user’s both legs, transmitting
the movement-generated power to the exit axle using bands. For the stationary-rowing
exercise type, a double four-bar Grashof mechanism was used like a locomotive machine.
A continuous rowing exercise moves the four-bar mechanism where a connecting rod
changes linear movement into circular movement in the main wheel, where it is directed
to the generator axle using bands. In the inverse-stationary-bike exercise type, the main
wheel is moved by the user’s both arms and hands and power is transmitted to the exit
axle. The device design allows for its use by persons with disabilities and those under
rehabilitation programs. Additionally, the device could induce more psychological
satisfaction on performing a recreational activity, by obtaining the additional benefit of
producing clean, renewable electric energy, which can be used to charge electronic
personal devices, regular and emergency illumination, to operate low DC consumption
equipment, providing a complete exercise machine that generates electrical energy in a
new, recreational and ecological way for being used or stored in a battery to deliver DC
energy to buildings.
Índice de figuras
Figura 1-1. La altura del sillín y del manillar únicos inconvenientes en las bicicletas estáticas de
antes. (Figura tomada de http://www.menshealth.es/scripts/noticias/ficha.asp?ID=1052 )........ 13 Figura 1-2. Las bicicletas estáticas de hoy están sencillamente optimizadas (Figura tomada de
http://www.menshealth.es/scripts/noticias/ficha.asp?ID=1052 )................................................... 15 Figura 1-3. Estructura del Sector Energético en México ........................................................................ 22 Figura 1-4. Las fuentes de energía primaria. El petróleo, carbón y gas forman el 80% de la energía
primaria. Las fuentes de energía renovable como la solar, del viento y geotérmica apenas llegan
al 0.5%. .............................................................................................................................................. 26 Figura 1-5. a) Uso del combustible fósil para diferentes propósitos; b) El uso de la energía para la
generación de la electricidad............................................................................................................ 27 Figura 1-6. Fases en el diseño que reconoce las muchas retroalimentaciones e iteraciones................. 31 Figura 1-7. Esquema de mecanismo de cuatro barras ............................................................................ 32 Figura 1-8. Imagen que ilustra el concepto de la antropometría........................................................... 34 Figura 1-9. Dimensiones antropométricas mas importantes a considerar en un diseño ...................... 38 Figura 2-1. Generadores eléctricos comerciales....................................................................................... 40 Figura 2-2. Logotipos de las diferentes organizaciones que han apostado por el gasto energético de los
seres humanos como fuente de energía para la creación de electricidad ..................................... 41 Figura 2-3. Patente de maquina que utiliza la potencia mecánica de la bicicleta para mover un
compresor y de ahí generar energía eléctrica................................................................................. 42 Figura 2-4. Máquinas multimodo que combinan la bicicleta con la remadora.................................... 43 Figura 2-5. En países como la India los sistemas emergentes de generación de electricidad están
comenzando a ser utilizados en zonas rurales ................................................................................ 43 Figura 3-1. Primer diseño conceptual de la maquina ejercitadora multifuncional .............................. 49 Figura 3-2. Diseño conceptual tomado como modelo para el diseño del dibujo ergonómico y mecánico
............................................................................................................................................................ 50 Figura 3-3. Se observa en base a dimensiones antropométricas la altura que debe tener la cara
superior de la banca (aproximadamente 30 cm.) con respecto al piso. ....................................... 52 Figura 3-4.Se observa en base a dimensiones antropométricas la longitud total de la banca.............. 53 Figura 3-5. Dimensiones antropométricas para el hombre (dimensión B) y para la mujer (dimensión
A) para posicionar el pie en el pedal utilizado en el mecanismo de bicicleta fija. ....................... 53 Figura 3-6. Dimensión antropométrica que deberá tener la polea para el ejercicio de “bicicleta
inversa”.............................................................................................................................................. 55 Figura 3-7. Se muestra la distancia a la que el soporte de la polea para el ejercicio de bicicleta
“inversa” debería colocarse con respecto al usuario. Note que la distancia en el dibujo (28.44
cm.) es menor a la considerada como máxima (41.402 cm.).......................................................... 55 Figura 3-8 Dimensiones antropométricas relacionadas con el diseño del asiento................................. 57
Figura 3-9 Diseño 1 de la banca. En esta se puede observas el ángulo de inclinación con respecto a la
horizontal........................................................................................................................................... 58 Figura 3-10 Isométrico de la banca........................................................................................................... 59 Figura 3-11. Banca conectada con el posicionador de altura................................................................. 59 Figura 3-12 La banca se hace armadura con el posicionador de alturas, dando mayor rigidez y
seguridad............................................................................................................................................ 60 Figura 3-13 Vista frontal donde se muestra la colocación de los anillos fijadores para evitar el
desplazamiento lateral de la banca.................................................................................................. 61 Figura 3-14. a),b),c): Varias alternativas para “esconder” el poste y la polea utilizados sólo en el
ejercicio de bicicleta “inversa”......................................................................................................... 62 Figura 3-15 Posicionador de polea para bicicleta fija (a) y bicicleta “inversa” (b) .............................. 63 Figura 3-16. Se muestra el concepto original para el mecanismo de remo............................................ 64 Figura 3-17. Se muestran los dos mecanismos: doble-balancín y balancín manivela de Grashof ....... 65 Figura 3-18. Muestra las razones del cambio de posición de la chumacera .......................................... 66 Figura 3-19 Se propone el nuevo lugar de la chumacera ........................................................................ 66 Figura 3-20. Síntesis dimensional del mecanismo balancín-oscilatorio ................................................. 67 Figura 3-21. Se muestra la síntesis dimensional de los dos eslabonamientos que serán activados por el
ejercicio de remo por parte del usuario que terminara en la rotación de la vuelta de la polea
principal............................................................................................................................................. 68 Figura 3-22 Vista lateral del ejercitador donde se aprecia la longitud máxima del Remo es de 70 cm
............................................................................................................................................................ 70 Figura 3-23 Vista superior del ejercitador donde se muestra la dimensión de 50 cm que tendrán de
separación los brazos del remo ........................................................................................................ 71 Figura 3-24 Vista isométrica del ejercitador........................................................................................... 71 Figura 3-25. Vista isométrica del mecanismo con el sistema de pedales................................................ 72 Figura 3-26 Vista lateral donde se aprecia la longitud entre centros considerada para la selección de
la banda.............................................................................................................................................. 74 Figura 4-1 Maquina ejercitadora donde se midió la fuerza que una persona puede aplicar a una
remadora............................................................................................................................................ 77 Figura 4-2 Sujeto 1 trabajando en la maquina ejercitadora................................................................... 78 Figura 4-3 Sujeto 2 trabajando en la maquina ejercitadora................................................................... 79 Figura 4-4. Potencia necesaria en función de la velocidad para un ciclista profesional. ...................... 81
Índice de Tablas
Tabla 1-1. Dosis de ejercicio según la población ...................................................................................... 19 Tabla 1-2. Aparatos comunes utilizados en el hogar y su consumo mensual ........................................ 24 Tabla 1-3. Gasto energético en base a actividad física y diferentes tiempos de duración .................... 29 Tabla 1-4. Interacción entre los factores que sustentan a la ergonomía como una técnica preventiva
integral ............................................................................................................................................... 35 Tabla 1-5. Dimensiones antropométricas para el hombre y la mujer.................................................... 37 Tabla 2-1. Pruebas eléctricas hechas en bicicleta, no estática, donde el generador eléctrico era
considerado un accesorio más.......................................................................................................... 39 Tabla 3-1. Relación de altura del chasis de las bicicletas de montaña y de carreras en función de la
altura del usuario. ............................................................................................................................. 54 Tabla 3-2. Comparación de características entre dispositivos mecánicos para la transmisión de
potencia.1............................................................................................................................................ 73 Tabla 4-1 Características físicas de los usuarios...................................................................................... 77
Capítulo 1 Introducción
El presente trabajo describe la forma en que fue concebida, diseñada y construida una
maquina para hacer ejercicio. Esta maquina tiene entre otras características, la de servir
para poder realizar en ella tres tipos de ejercicios cuando comúnmente las maquinas para
hacer ejercicio comerciales presentan solo dos modalidades; además el movimiento del
usuario transmitirá el movimiento a los mecanismos que conforman la máquina y estos a
su vez estarán dirigidos a una flecha de salida con el fin de que esta pueda servir para
mover algún otro dispositivo, como por ejemplo un generador eléctrico. La estructura de
este trabajo es de la siguiente manera: En la primera sección se dan los antecedentes
históricos de los mecanismos diseñados y construidos con la finalidad de ejercitar las
diferentes partes del cuerpo humano. En la segunda sección se exponen los factores más
importantes que fueron considerados durante el diseño del mecanismo objeto de este
trabajo. En la tercera sección se exponen los fundamentos y definiciones más necesarias
en las que se basa el diseño y construcción del mecanismo.
La parte posterior a la introducción, está organizada como sigue. En el capítulo 2 se dan
los antecedentes, justificación y objetivos del trabajo. En el capítulo 3 se describe el
desarrollo de la maquina ejercitadora. En el capítulo 4 se analizan dichos resultados, y
finalmente, en el capítulo 5, se dan las conclusiones de esta tesis y se mencionan las
perspectivas y el trabajo a continuar en este tema.
1.1 Antecedentes Históricos de los mecanismos ejercitadores
Desde su aparición, el hombre, en base a su actividad física ha realizado tareas como
construir, cazar o explorar sitios inhóspitos para desarrollar la base de una sociedad. Sin
embargo, la prudencia y la fuerza física con la que eran sometidas las antiguas sociedades
desencadenaron la esclavitud. En el antiguo Egipto los ejércitos practicaban ejercicios de
luchas y combates con palos, por otro lado, los cretenses entrenaban combatiendo con
toros.
En el siglo XVI, Guth Maths publica en 1793 su obra Gymnastik fiir die Jugend
(Gimnasia para jóvenes) donde se resalta la importancia de los ejercicios gimnásticos
llegando a proponer que el Estado debía encargarse de la organización y cuidado de los
ejercicios corporales de los ciudadanos (hacer el ejercicio inmediatamente después de
levantarse, al aire libre y dependiendo del sexo, edad, constitución física y profesión) 2.
Con la revolución industrial del siglo XVIII, los postulados de Rene Descartes y Francis
Bacón acerca de que el conocimiento de la naturaleza a través del desarrollo científico
permitiría el desarrollo ilimitado de las potencialidades productivas se cumplían y con
esto se sistematizaron diversas situaciones en la modernidad de aquella época donde la
actividad física no fue la excepción.
Es en Estados Unidos, con la invención de la bicicleta, donde comienzan a fomentarse los
paseos para las sociedades acomodadas estudiando los beneficios en el organismo así
como la disponibilidad psicológica a las actividades de la vida cotidiana. La
sistematización de este dispositivo puede apreciarse en la Figura 1-1. En donde se
muestra una maquina ejercitadora, específicamente una bicicleta estática, de gran calidad.
Figura 1-1. La altura del sillín y del manillar únicos inconvenientes en las bicicletas estáticas de
antes. (Figura tomada de http://www.menshealth.es/scripts/noticias/ficha.asp?ID=1052 )
Pero es hasta el siglo XX, entre 1958 y 1967 cuando comienza el estudio científico,
hecho por suecos, acerca de la adaptación del corazón al ejercicio físico (disminución de
tensión arterial, del ritmo cardiaco en reposo, disminución en factores de riesgo en
enfermedades cardiacas). En Alemania, en 1967, Otto Neumann en su publicación
“Gimnasia para todos” propone una visión contemporánea de la actividad física en una
época de “automatización” proponiendo las desventajas de llevar una vida sedentaria y
una modificación en el consumo adecuado de la alimentación ordenada para obtener
resultados que repercutan en la estética corporal. En Estados Unidos Kenneth Cooper,
1968, publica su método de acondicionamiento físico, enfocado a personas menores de
30 años.
En México, durante el gobierno de José Joaquín Herrera (1844-1846), el ejército se
convierte en la primera institución en incorporar oficialmente la práctica de ejercicios
gimnásticos. En el gobierno de Adolfo López Mateos (1958-1964) los programas de
educación física se orientaron hacia la protección de la salud y mejoramiento del vigor
físico bajo fundamento biológico. En el sexenio de Gustavo Díaz Ordaz (1964-1970) se
incrementó la infraestructura en las instalaciones deportivas debido a la celebración de
los juegos olímpicos. En el sexenio de Ernesto Zedillo Ponce de León (1994-2000) se
implementó el programa de Educación Física y deporte por un lado para mejorar la
calidad de vida de los mexicanos promoviendo la formación de hábitos de salud mediante
la practica sistemática de la educación física y el deporte y por otro para mejorar el nivel
competitivo de los atletas. Dentro del sector privado surgieron Centros de
acondicionamiento físico integrales, con el concepto de bienestar y salud, dejando atrás el
concepto de gimnasio tradicional donde solo se practicaba el culturismo abriéndose
lugares donde las personas asisten para realizar actividad física con maquinas de ejercicio
de tecnología avanzada como la que se muestra en la Figura 1-2 que es una bicicleta
estacionaria actual, donde se ha ganado en aspectos ergonómicos y en electrónica ya que
existen programas que simulan una carrera de ciclistas.
Figura 1-2. Las bicicletas estáticas de hoy están sencillamente optimizadas (Figura tomada de
http://www.menshealth.es/scripts/noticias/ficha.asp?ID=1052 )
En el sexenio de Vicente Fox Quesada (2001-2006) se buscó la activación física de la
población para erradicar paulatinamente el sedentarismo de la vida cotidiana de los
mexicanos, ya que entre los países con más alto índice de obesidad se encuentran Gran
Bretaña, Canadá, Estados Unidos y México donde se estima que dos de cada tres
personas de la población sufre de obesidad y sobrepeso aparte de que el riesgo de
prevalecer en la población de más de 20 años es de 30% en hipertensión arterial,10.7% de
diabetes y el 12.7% prediabetes.3
¿Hacia a donde irán estas maquinas ejercitadoras? Aun se pude ganar en comodidad, ya
que poco se puede hacer en cuanto al aspecto del movimiento, sin embargo, tal vez en su
utilidad este el cambio.
La historia de la obtención de energía eléctrica por medio de fuentes de energía
renovables no dista mucho de las maquinas para hacer ejercicios ya que el gasto
energético podría ser aprovechado para combatir una problemática central que es la
protección del ambiente y no el de la carencia de recursos energéticos (la pobreza
energética estará presente ya que se pronostica que en el año 2030, 2600 millones de
personas dependerán aun de la biomasa tradicional para calentar y cocinar, y 1400
millones aun no tendrán electricidad). Los países hoy aún basan su crecimiento
económico en los combustibles fósiles tales como el aire, gas, y el petróleo entre otras
como si fueran inagotables por lo que las transiciones energéticas corresponden a las
generaciones presentes.
Se puede sacar provecho del gasto energético, como energía renovable, comenzando con
economizar la energía en una edificación inteligente beneficiando su iteración con el
medio ambiente.
Así que una nueva vertiente que las maquinas ejercitadoras pueden emprender es a servir
como medios de transformación de energía, así que no serán nuevas maquinas sino mas
bien conceptos revolucionarios y saludables que pueden marcar a nuestra generación.
Ahora el usuario entrara a prueba con su propia fatiga física. El beneficio es triple, por un
lado la satisfacción de contribuir a la propia salud fisiológica, después el de poder
disponer de un dispositivo tecnológico de consumo energético externo nulo y que mas
bien permite generar energía, y por último que esta contribuyendo a proteger el medio
ambiente.
No se trata de aumentar la disponibilidad de energía y de bienes materiales sino
principalmente de asegurar la calidad de vida. Esfuerzos en esta dirección están siendo
realizados por la agencia de protección ambiental de los Estados Unidos de América,
realizando foros como el del 2006 titulado “Tu salud, tu ambiente, tu futuro (Your health,
your environment, your future)”.4 Otro ejemplo es la asociación Peswiki que esta
enfocada en soluciones energéticas renovables, alternas, limpias y prácticas.5
1.2 Situación actual de los factores que motivan el desarrollo de este
trabajo
1.2.1 Salud
El ejercicio físico regular ayuda a mejorar la calidad de vida previniendo enfermedades o
condiciones degenerativas e incapacitantes tales como: la cardiopatía coronaria,
hipertensión, diabetes sacarina, la obesidad y sus complicaciones, enfermedades cerebro
vasculares, osteoporosis y artritis prematura;6 además de otras como condiciones/dolores
en la espalda baja, con una incidencia anual del 10% al 15% y su prevalencia del 15% al
45%. 7,4
Debemos tomar la definición de ejercicio, como la serie de movimientos específicos para
entrenar o desarrollar el organismo a través de una práctica rutinaria dirigida a promover
un buen estado de salud. El objetivo fundamental de la prescripción de ejercicio es
proveer aquella ayuda necesaria para que los participantes puedan modificar su
comportamiento hacia un estilo de vida más activo. La planificación del programa de
ejercicio se estructura de tal forma que se puedan desarrollar los componentes de la
aptitud física relacionados con la salud como: la tolerancia cardiorrespiratoria, la
composición corporal, flexibilidad y la fuerza y tolerancia muscular.
Si la persona tiene una edad mayor de 40 años se recomienda que realice un examen del
estado de salud y condición física antes de comenzar un ejercicio al que no se esta
acostumbrado (existen casos documentados evidenciando ataques al corazón u otros
males producidos durante el ejercicio debido a que las personas piensan estar preparadas
cuando no lo están). Estos exámenes consisten en cuestionarios completados por los
participantes, el examen medico efectuado por un medico, análisis de los factores de
riesgo relacionados a las enfermedades coronarias, pruebas ergo métricas, diagnosticas de
tolerancia cardiorrespiratoria, pruebas diagnosticas cardiovasculares avanzadas.6
La planificación y diseño del programa de ejercicio individualizado deben ser capaces de
sobrecargar a una dosis apropiada los sistemas fisiológicos/orgánicos del participante
durante cada sesión de ejercicio, de manera que los tejidos puedan adaptarse a la carga
bajo la cual se someten. Con esto se obtendrá un alto nivel de seguridad y efectividad
para el programa ha ser estructurado e implementado. Según el Colegio Americano de
Medicina Deportiva (American College of Sports Medicine - ACSM, 1995), los
componentes que debe incluir la prescripción de ejercicio para el desarrollo de la aptitud
cardiorrespiratoria en adultos son: un calentamiento previo, el tipo o modo de actividad,
la intensidad, la duración, la frecuencia, un enfriamiento y con el tiempo la progresión.8
Hay varias maneras para determinar la intensidad del ejercicio. Una de las más comunes
y fáciles es utilizando la frecuencia cardiaca (o pulso). Un método sencillo es el de
calcular un por ciento dado para la frecuencia cardiaca máxima (FCmáx) ajustada a la
edad. Lo primero que se hace es determinar la frecuencia cardiaca máxima. En términos
generales, la FCmáx representa la frecuencia cardiaca registrada a la intensidad más alta
obtenida durante una prueba ergo métrica máxima de esfuerzo. Este valor se puede
determinar directamente por medio de una prueba ergo métrica de tolerancia
cardiorrespiratoria a niveles máximos, donde se monitorea la frecuencia cardiaca. De no
ser posible llevar a cabo esta prueba, la FCmáx se puede estimar restándole la edad del
participante de 220 (220 - Edad). Luego se multiplica el por ciento de entrenamiento
deseado (el cual puede fluctuar de 55 a 90% de la frecuencia cardiaca máxima a justada a
la edad) por la frecuencia cardiaca máxima. La frecuencia cardiaca de entrenamiento
(FCE se puede verificar tomando el pulso en la arteria radial o la carótida. Es muy
importante enfatizar que cuando se verifique el pulso, mantenerse moviéndose para evitar
un posible mareo o desmayo.9
La Tabla 1-1 muestra el tipo de ejercicio recomendado, su intensidad, duración y
frecuencia para distintos tipos de población. Generalmente, la población a la que va
encaminada el aparato ejercitador multifuncional es aquella ejercitante moderada y
ejercitante esporádico o sedentario.
Tabla 1-1. Dosis de ejercicio según la población
Población o nivel de ejercicio
Frecuencia (veces/semana)
Intensidad
(FCmáx-reserva)
Duración (minutos) Tipo de ejercicio
Envejecientes, enfermos, sedentarios
3/semana 40-60 % 10-20 Caminar, ejercicios en el agua, ciclismo, deportes recreativos de bajo impacto
Ejercitante esporádico o sedentario
3/semana 50-70% 15-30 Caminar, ciclismo, natación
Ejercitante moderado 3-5 /semana 60-90% 20-60 Trotar, correr, natación, ciclismo, remo
Atleta competitivo y elite 5-7/ semana 75-95% 60-300 Destreza y prácticas competitivas, entrenamiento con pesas
NOTA: Adaptado de: Hyatt, Gwen. "A New Look at Exercise Prescription". IDEA TODAY. Vol. 8, No. 8, (September, 1990), p. 40.
La duración del ejercicio depende a la intensidad en que se efectúe el ejercicio. Por lo
tanto, entre menor sea la intensidad de la actividad física, mayor deberá ser su
duración. La duración de un ejercicio/actividad física de naturaleza aeróbica, continua o
discontinua, debe fluctuar entre 15 a 60 minutos (ACSM, 1995), con un gasto energético
mínimo de 300 kilocaloría (Kcal.) por sesión de ejercicio. Por lo regular, se recomienda
que el ejercicio sea uno de mayor duración pero de poca o moderada intensidad; esto se
conoce como un ejercicio de tipo aeróbico.
La frecuencia o las veces por semana en que se va a realizar el ejercicio, puede fluctuar
de 3 a 5 veces por semana. Esto dependerá del nivel inicial de la aptitud física del
individuo. Se recomienda que el gasto energético por semana sea de 1000 kcal. Para
poblaciones que poseen capacidades funcionales mayores de 5 METs (El MET
representa los múltiplos de la tasa metabólica en reposo (3.5 ml/kg/min)), se sugiere que
el programa de ejercicio se efectúe como mínimo 3 veces por semana en días alternados.
No obstante, las adaptaciones óptimas al ejercicio se observan cuando estos participantes
se ejercitan a intensidades moderadas, 7 veces por semana (ACSM, 1995).
Por lo tanto se recomienda que el programa de ejercicio dirigido a desarrollar la
tolerancia cardiorrespiratoria debe incluir actividades físicas que utilicen grandes grupos
musculares que se mantengan continuamente (por un período prolongado) y rítmicamente
y que sean de naturaleza aeróbicos tales como: caminar, trotar (jogging), correr, nadar,
correr bicicleta, patinar (sobre ruedas o sobre hielo), remar, baile (aeróbico, disco, y
ballet), esquí nórdico o de campo traviesa (puede se un equipo diseñado para
interiores/bajo techo) subir y bajar escaleras o un banco (este ejercicio puede ser algo
extenuante, dependiendo de la altura del banco/escalón y condición física de la persona) y
deportes que envuelven correr (baloncesto, tenis, balompié, entre otros).
1.2.2 Energía
La ubicación geográfica y orográfica ha permitido a México disponer de un significativo
potencial de generación eléctrica con energía renovable, en especial la hidroeléctrica y la
geotermia. Sin embargo, aunque su sector de energía se estructura como lo indica la
Figura 1-3, no existe un marco legal, así que diferentes organizaciones como la SENER
(Secretaria de Energía), interesada entre otras cosas en el desarrollo de fuentes renovables
en zonas rurales así como la creación de fideicomisos sectoriales de investigación en
materia de energía y medio ambiente; la CONAE (Comisión Nacional para el Ahorro de
Energía) y la ANES (Asociación Nacional de Energía solar) han creado la COFER
(Consejo Consultivo para el Fomento de las Energías Renovables,
http://www.conae.gob.mx/wb/CONAE/CONA_243_cofer) con el propósito, junto con otras
instituciones de interés y desarrollo tecnológico, de promover las energías renovables.
El interés publico en cuanto a la necesidad de legislar debe existir ya que: las fuentes
energéticas son bienes públicos, el consumo energético incide en patrimonio natural, la
eficiencia energética es un derecho del consumidor, el desarrollo sustentable debe
proyectarse como el propósito central en el crecimiento, competitividad, protección
ambiental y la equidad social, el Estado es soberano en el aprovechamiento de los
recursos renovables y no renovables que son patrimonio de la nación, además determina
la política nacional del ambiente y promueve el uso sostenible de los recursos naturales
así como el desarrollo científico y tecnológico del país.
Actualmente el uso de energías renovables en México se da en una porción inferior a su
potencial según el reporte del Balance Nacional de Energía 2005, en la que se señala que
solamente el 3.6% de la oferta interna bruta de energía primaria se compuso de fuentes
renovables de energía, lo que se compara con el uso de hidrocarburos, cuya participación
en la oferta interna bruta de energía primaria fue de 89.4%.10
Así que entre otros proyectos, dentro del país, se han identificado mas de 100 sitios para
el aprovechamiento de la energía de las caídas de agua (principalmente en regiones de
Veracruz y Puebla) donde se estima una generación de hasta 3,570 GWh/año en base a
mini hidráulica. Además, en el 2001 se contaba con pequeñas cargas distribuidas de más
de 115 mil metros cuadrados en sistemas fotovoltaicos instalados en el país, entre los que
se encuentran plantas hibridas que generaron cerca de 8 GWh/año. Al 2012 se esperan 30
MW instalados y 18 GWh/año de energía.
Según informes de la Comisión Reguladora de Energía en México se encuentran
autorizados tres proyectos municipales y uno industrial, en el periodo del 2003 al 2012,
los cuales contemplan una capacidad de aproximadamente 500 MW adicionales por
aerogeneradores ya que comercialmente se encuentran disponibles aerogeneradores desde
0.5 hasta 1.5 MW de potencia nominal, también existen prototipos con una potencia de
3.0 MW. Por otra parte, el Instituto de Investigaciones Eléctricas estima que la
producción de residuos sólidos municipales en el país es de 90 mil toneladas diarias, con
lo que es una alternativa rentable en ciudades grandes y medianas. En el 2003 se puso en
marcha el primer proyecto de generación de energía eléctrica a partir del biogas generado
por la fermentación anaerobia de residuos sólidos orgánicos municipales en Nuevo León.
La CFE que es el único desarrollador en México de proyectos geotérmicos, ha
establecido la existencia de diversas manifestaciones termales en el país. Se estima que el
potencial geotérmico de México en sistemas hidrotermales de alta entalpía permitirá
generar cuando menos 2 400 MW.
Figura 1-3. Estructura del Sector Energético en México
Por otro lado considerando el contenido en la Ley de Servicio Público de Energía
Eléctrica (LSPEE) se ha planteado la creación de una Ley de Energías Renovables que
atienda varios aspectos del sector eléctrico, entre los cuales destacan:
• “La CFE estará obligada a fomentar que el 18% de la generación de electricidad del país sea renovable para el año 2015.
• Adicionar al artículo 3 de la Ley del Servicio Público de Energía Eléctrica (LSPEE) la figura de productor renovable. Esta figura podrá autoabastecerse de electricidad y venderle a la CFE y LyFC sus excedentes.
• Se otorgarán a los inversionistas en proyectos renovables incentivos fiscales y financieros.
• Incentivar la coordinación y las sinergias entre los recursos eólicos, hidráulicos y sistemas de almacenamiento (baterías cargadas con generadores eólicos o sistemas fotovoltaicos) para asegurar la calidad y continuidad del suministro eléctrico a partir del uso en gran escala de sistemas fotovoltaicos.
• Aplicación de incentivos de largo plazo en función de la generación eléctrica producida que aseguren la rentabilidad de los proyectos.
• Otorgamiento de créditos blandos de desarrollo rural para los municipios o usuarios de estos sectores que se interesen en aprovechar este recurso.
Secretaria
de Energía
Sector Hidrocarburos
Gobierno
Sector Electricidad
PEMEX, PP, PEP, PPR, PGPB,
Instituto Mexicano del Petróleo
CFE, LFC, Instituto de
Investigaciones eléctricas
Comisión reguladora de energía, Comisión
Nacional para el Ahorro de energía, Comisión
Nacional de seguridad nuclear y salvaguardias
• Instaurar programas para cubrir necesidades eléctricas domésticas, de proyectos productivos y educativos en comunidades rurales aisladas empleando Fuentes renovables de energía (micro, mini y pequeño hidráulico, solar, eólico y de biomasa)
• Extensión del subsidio proveniente del sector eléctrico a los 5 millones de habitantes que viven en zonas alejadas de la red eléctrica para financiar proyectos renovables de electrificación rural.
• Equipar con módulos fotovoltaicos hospitales rurales que se encuentren, principalmente ,en zonas no electrificadas para la refrigeración de medicinas
La cantidad de energía que utilizamos todos los días depende de cómo vivimos y que
actividades hacemos. Si se quiere saber cuanta energía usamos, debemos saber cuanto
tiempo usamos los dispositivos eléctricos. Una guía para el uso eficiente de la energía en
la vivienda editada por Fomento a la Vivienda (CONAFOVI) es muy útil para el ahorro
de la energía.11
Para asegurar la disponibilidad de energéticos al menor costo utilizando eficientemente
todos los recursos de energía al alcance sin dejar de respetar el medio ambiente para
impulsar el crecimiento económico y el bienestar social a largo plazo[8], puede decirse
que en nuestro país el uso de las nuevas fuentes renovables de energía tanto del lado de la
oferta como de la demanda aún esta en desarrollo y las políticas orientadas a fomentarlas
se reducen a las que se incluyen en los programas nacionales de energía.
En la Tabla 1-2 se presentan un extracto del consumo energético de los electrodomésticos
comúnmente utilizados en el hogar. En las columnas se tienen los siguientes datos,
nombre del electrodoméstico, la Potencia (promedio) en Watts, el tiempo de uso al día
(períodos típicos), el tiempo de uso al mes (horas) y su consumo mensual kilowatts-hora
(Watts/1000) X hora. Es importante considerar además del consumo promedio, el tiempo
de uso, ya que ambos factores son los que determinan el impacto del electrodoméstico en
el gasto energético final.
El uso de la actividad humana para generar electricidad y otras necesidades de energía ha
sido olvidado en gran medida, provocando una problemática de salud y contaminación.
La red denominada PES network, Inc considera a la fuerza humana como una de las
alternativas para obtener energía gratis.12
Tabla 1-2. Aparatos comunes utilizados en el hogar y su consumo mensual
Aparato Potencia
(promedio)
Watts
Tiempo de uso al día
(períodos típicos)
Tiempo de uso al mes
(horas)
Consumo mensual
kilowatts-hora
(Watts/1000) X hora
Videocassetera o DVD 25 3 h 4 veces/sem 48 1.2
Licuadora baja potencia 350 10 min./día 5 2
Licuadora alta potencia 500 10 min./día 5 4
Radio grabadora 40 4 h/día 120 8
Stereo musical 75 4 h/día 120 9
TV color (13-17 pulg.) 50 6 h/día 180 10
TV color (32- 43 pulg.) 250 6 h/día 180 45
TV color (43-50 pulg. Plasma) 360 6 h/día 180 65
Equipo de computo 300 4 h/día 120 36
Refrigerador (11-12 pies cúbicos) 250 8 h/día 240 60
Refrigerador (25-27 pies cúbicos) 650 8 h /día 240 156
Focos incandescentes (8 de 60 W
c/u)
480 5 h/día 150 72
Focos fluorescentes (8 de 15 W c/u) 120 5 h/día 150 18
Teléfono celular
Computadora personal
1.2.3 Edificaciones inteligentes
La pregunta obligada como habitante de un país subdesarrollado es: ¿Qué tan accesible
podría ser una casa habitación inteligente para mi bolsillo? Conociendo la definición de
“casa o edificio inteligente” tal vez ayude a generar una conclusión en cuanto a que si se
puede construir y habitar una de ellas aún con nuestra economía.
Algunos autores definen a las casas inteligentes como: Aquella en la cual casi todas las
facetas de servicios de la edificación son coordinados mediante sensores controlados
mediante computadora. La capacidad para telecomunicaciones es la determinante más
significativa de la inteligencia de una construcción 13. Otra definición cita: Una
edificación o conjunto de edificaciones con propósitos recreacionales, de salud,
residenciales, de trabajo, educacionales o de otro tipo que posee una red integral de
telecomunicaciones, ofreciendo una variedad de servicios de computación y
telecomunicaciones a los ocupantes de la edificación. Dichos servicios han sido
articulados para asegurar un ambiente más favorable a seguridad, productividad y
creatividad que aquel provisto por edificaciones ordinarias. Otra definición a considerar
es: Construcciones inteligentes son aquellos edificios en los que el control y regulación
de los sistemas que lo integran tanto de electricidad, seguridad, comunicaciones,
informática, transportes, etc., se hace de manera integrada y automatizada, obteniendo un
mayor aprovechamiento de la energía y un mayor confort además de contar con un
conjunto de servicios añadidos que podrán ir mejorando cuando los adelantos
tecnológicos lo posibiliten. Estos edificios se caracterizan por su pluridisciplinariedad,
integración y su concepto dinámico 14, 15, 16.
Por lo tanto una casa inteligente aborda los siguientes componentes:
• Sistemas de un edificio • Servicios de un edificio • Estructura del edificio • Administración del edificio
1.3 Fundamentos y definiciones
1.3.1 Definiciones básicas
Las energías que se renuevan constantemente como la energía potencial del agua, la
energía cinética del viento o la energía solar son conocidas como energías renovables. La
Biomasa, sinónimo de materia orgánica, fue una de las primeras fuentes de energía que
se utilizaron y que aun continúa siéndolo, principalmente en forma de desechos sólidos,
residuos agropecuarios y de los bosques como la madera y las plantas que pueden ser
consideradas renovables si se les permite volver a crecer; por otro lado, el calor
geotérmico también es una fuente renovable ya que el calor dentro de la tierra es
demasiado y nunca desaparecerá. Generalmente, las unidades que generan electricidad de
estas fuentes normalmente son pequeñas, tales como los paneles solares o los
aerogeneradores permitiendo que estas fuentes se utilicen para generar la electricidad
cerca de donde se desea usar.
Los combustibles fósiles se llaman así porque se formaron hace muchos millones de
años, están formados por plantas y animales prehistóricos que se descompusieron y
llegaron a ser quemados bajo capas de roca, lava y arena, El petróleo y el gas natural
fueron creados de organismos que vivieron en el agua y fueron quemados bajo
sedimentos del océano. El petróleo esta compuesto de hidrocarburos, los cuales son
cadenas largas de átomos de carbón con átomos de hidrogeno unidos a ellos. El gas
natural esta hecha principalmente de metano (CH4) un componente que tiene un átomo de
carbón rodeado por cuatro átomos de hidrogeno. El metano es altamente flamable y se
quema completamente. El carbón es el combustible más pleno en la familia de los fósiles
y hoy es utilizado para generar electricidad. Los combustibles fósiles proveen el 80 % de
toda la energía en el mundo.17
Figura 1-4. Las fuentes de energía primaria. El petróleo, carbón y gas forman el 80% de la energía
primaria. Las fuentes de energía renovable como la solar, del viento y geotérmica apenas llegan al
0.5%.
a) b)
Figura 1-5. a) Uso del combustible fósil para diferentes propósitos; b) El uso de la energía para la
generación de la electricidad
1.3.2 Gasto energético
El Gasto energético por actividad física humana puede considerarse dentro de la
definición de energías renovables ya que nuestro cuerpo utiliza energía contenida en los
alimentos que son considerados renovables. El cuerpo humano procesa la comida para
hacer trabajo útil como caminar, mover los músculos, crecer y otras actividades. Tal vez
esta energía no mueva aerogeneradores como el viento, ni tampoco turbinas como las
caídas de agua, pero si puede dar movimiento a los mecanismos que constituyen a las
maquinas para hacer ejercicio.
Si queremos saber cuanta energía usamos partiremos de su definición: Energía es la
capacidad de hacer un trabajo. La energía es medida en joules (J) y un joule es la cantidad
necesaria para levantar una masa de 100 gr. sobre un metro. Para ser más precisos la
fórmula es:
E = mgh
Donde E= la energía
m= la masa
g = la aceleración de gravedad que tiene un valor de 9.81 m/s2
h = la altura de un metro
La energía de la comida esta expresada en una unidad diferente al joule y es la caloría. La
caloría es la energía necesaria para calentar un gramo de agua, un grado centígrado. Una
caloría equivale a 4.19 joule.
El gasto de energía alrededor de 1000 kcal. (4200 k.o.) por semana – el equivalente a
caminar 1 hora 5 días a la semana-, se asocia con beneficios a la salud, así que la
actividad física se recomienda como una terapia preventiva de enfermedades
cardiovasculares para gente de todas las edades. El ejercicio aeróbico se refiere a la
habilidad del cuerpo para transportar y usar oxigeno durante un ejercicio prolongado. El
ejercicio anaeróbico se refiere a la habilidad para producir energía sin el uso del oxigeno.
Entre los ejercicios anaeróbicos se encuentran el ciclismo, correr y caminar, aunque
investigaciones recientes han postulado que la capacidad anaeróbica juega un papel muy
importante en muchas actividades de la vida diaria.9
La gente obesa debe cuidarse de los efectos de esta enfermedad cuando desee utilizar el
ejercicio como una parte de la solución a esta enfermedad. Por ejemplo, para la gente
obesa sería más cómodo utilizar dispositivos de ejercicio que soportar su propio peso, la
bicicleta estacionaria que las caminadoras, y que correr. La mayoría de las enfermedades
padecidas se ven favorecidas por el ejercicio físico. Otro ejemplo son las personas con
diabetes tipo 2, que utilizando el hecho que la contracción de los músculos incrementa la
asimilación de la glucosa.7
Una prescripción de ejercicio consta de tres componentes modificables que son: la
intensidad, la duración y la frecuencia del ejercicio. Muchas personas prefieren
concentrarse en la intensidad del ejercicio ya que la naturaleza de la actividad y la
velocidad que se logra provee grandes gastos de energía por minuto. En la Tabla 1-3 se
muestran los gastos de energía estimados que una persona de 70 Kg de peso promedio
lograría haciendo varias actividades físicas para diferentes tiempos de duración así como
su equivalencia en kWatt-h.9
A parte de la energía, también encontramos la potencia. La potencia es la cantidad de
energía usada por unidad de tiempo, es medida en joules por segundo (J/s) lo cual es
llamado Watt (W). Los caballos de potencia (horsepower) son aun utilizados para
expresar de los motores de combustión. Un caballo de potencia equivale a 746 watts.
La energía más común en nuestros hogares es la electricidad. La energía eléctrica es
alimentada por la fuente de la corriente eléctrica como una batería o un generador
eléctrico. La unidad de energía eléctrica vendida a los dueños de los hogares es llamada
kilowatt-hora (kW). Un kilowatt-hora equivale a 3 600 000 joules.
Tabla 1-3. Gasto energético en base a actividad física y diferentes tiempos de duración
Tiempo, min.; gasto total de energía, kcal. (kWatt h) Actividad
20 25 30 35 40 45
Bicicleta estacionaria 163
(0.1897)
204
(0.2374)
245
(0.2851)
286
(.3328)
327
(.3805)
368
(0.4233)
Bicicleta (16-19.2 km/h) 140
(0.1629)
175
(0.2036)
210
(0.2444)
245
(0.2851)
280
(0.3258)
315
(0.3666)
Bicicleta (22.5-25.6 km/h) 233
(0.2711)
292
(0.3398)
350
(0.4073)
408
(0.4748)
467
(0.5435)
525
(0.6110)
Correr (7.5 min./km) 187
(0.2176)
233
(0.2711)
280
(0.3258)
327
(0.3805)
373
(0.4341)
420
(0.4888)
Correr (3.4 min./km) 420
(0.4888)
525
(0.6110)
630
(0.7332)
735
(0.8554)
840
(0.9776)
945
(1.099)
Caminar (3.2 km/h) 58
(0.0675)
73
(0.0849)
88
(0.1024)
102
(0.1187)
117
(0.1361)
131
(0.1524)
Caminar (8 km/h) 187
(0.2176)
233
(0.2711)
280
(0.3258)
327
(0.3805)
373
(0.4341)
420
(0.4888)
1.3.3 Diseño Mecánico
El diseño es un proceso innovador, iterativo y restringido que se planifica para satisfacer
una necesidad específica o resolver un problema. Si el método conlleva a crear algo
físico, entonces este debe ser funcional, seguro, confiable, competitivo, útil que se
pueda manufacturar, comercializar y además debe de ser legal y adecuarse a los códigos
y normas aplicables. Los resultados del proceso del diseño son decisiones con respecto a
los componentes y su conectividad, geometría, procesos de formado, tratamientos
termomecánicos y tolerancias asociadas.
El proceso completo, de inicio a fin, se perfila como el mostrado en la Figura 1-6. Se
comienza con un reconocimiento de una necesidad y una decisión para hacer algo al
respecto. Después de muchas iteraciones, termina con la presentación de los planes que
satisfacen la necesidad. El reconocimiento de la necesidad constituye un acto creativo,
porque la necesidad quizá solo sea una vaga incorformidad, un sentimiento de inquietud o
una detección de que algo “no esta bien”. La necesidad a menudo no es evidente. La
definición del problema debe incluir todas las especificaciones para lo que se va a
diseñar.
La síntesis es la invención del concepto. Este es el primer paso de la síntesis. A medida
que el desarrollo del esquema progresa, se deben realizar análisis para evaluar si el
desempeño del sistema es cuando menos satisfactoria, desechando o mejorando los
esquema del sistema que no sobreviven al análisis. Aquellos con potencial se optimizan.
La evaluación representa la prueba final del diseño exitoso y por lo general implica la
prueba de un prototipo en el laboratorio.
La comunicación, ya sea de forma escrita, oral o gráfica, del diseño a otros es el paso
final y vital de presentación en el proceso del diseño. La presentación es un trabajo de
venta.18
Figura 1-6. Fases en el diseño que reconoce las muchas retroalimentaciones e iteraciones
Las bases del diseño mecánico son extensas ya que se asocian con la producción y el
procesamiento de la energía proporcionando los medios de producción, las herramientas
de transportación y las técnicas de automatización. La ciencia explica lo que es, la
ingeniería crea lo que no existía, es decir, los ingenieros y los científicos conocen un
poco del trabajo del otro pero en raros casos se desarrollan ambos talentos en los
individuos.
Un mecanismo es el dispositivo que transforma el movimiento en un patrón deseable y a
comparación de una máquina, las fuerzas que desarrolla y la potencia que transmite son
muy bajas.19
Virtualmente cualquier maquina o dispositivo que se mueve contiene uno o mas
elementos cinemáticos, tales como eslabonamientos, levas, engranes, bandas, cadenas.
Una cadena cinemática se define como: “un ensamble de eslabones y juntas
interconectados de modo que produzcan un movimiento controlado en respuesta a un
movimiento suministrado. Una inversión es creada por la conexión a tierra de un eslabón
diferente en la cadena cinemática.
Reconocimiento de la
necesidad
Definición del
problema
Síntesis
Análisis y optimización
Evaluación
Presentación
Un mecanismo de cuatro barras es una cadena cinemática que cuenta con cuatro bloques
de construcción para proporcionar las restricciones de movimiento necesarias [Ver Figura
1-7].
Figura 1-7. Esquema de mecanismo de cuatro barras
La manivela es el eslabón que realiza una revolución completa (r2) y esta pivotada a la
banca. Un balancín es el eslabón que tiene rotación oscilatoria (de vaivén) y esta pivotada
a la banca (r4), y un acoplador (r3) es el eslabón que tiene movimiento complejo y no está
pivotado a la banca. La banca (r1)) se define como cualquier eslabón o eslabones que
están fijos (inmóviles) con respecto a marco de referencia (el cual puede estar en
movimiento).19
La sencillez es la marca de un buen diseño. La menor cantidad de partes que puede
realizar el trabajo en general será la solución menos cara y más confiable. Por lo tanto, el
eslabonamiento de cuatro barras deberá estar entre las primeras soluciones a problemas
de control de movimiento.
Considerando la siguiente notación:
S = Longitud del eslabón más corto
L = longitud del eslabón más largo
P = longitud de un eslabón restante
Q = longitud de otro eslabón restante
Los movimientos posibles de un eslabonamiento de cuatro barras son:
CASO I: S + L < P + Q
Si se fija cualquier eslabón adyacente al mas corto, se obtiene un mecanismo manivela-
balancín (cranck-rocker), donde el eslabón mas corto girara por completo y el otro
eslabón oscilará pivotado en la bancada.
Si se fija el eslabón mas corto, se obtendrá un doble manivela (double cranck), en el que
ambos eslabones pivotados a la bancada realizan revoluciones completas, así como lo
hace el acoplador.
Si se fija el eslabón opuesto al más corto, se obtendrá un doble-balancín (double rocker),
en el que ambos eslabones pivotados a la bancada oscilan y solo el acoplador realiza una
revolución completa.
Caso II: S +L > P + Q
Serán balancines triples (triple rocker) en donde ningún eslabón puede girar por
completo.
CASO III: S + L = P + Q
Esta es conocida como caso especial de Grashof, todas las inversiones serán dobles-
manivelas o manivela-balancín, pero tendrán “puntos de cambio” dos veces por
revolución de la manivela de entrada cuando todos los eslabones se vuelven colineales.
La condición de Grashof es una relación muy simple que dice el comportamiento de
rotación o rotabilidad de las inversiones de un eslabonamiento de cuatro barras basado en
las longitudes de los eslabones:
S + L ≤ P + Q
Barker desarrolló un esquema de clasificación que permite predecir el tipo de
movimiento que se puede esperar de un eslabonamiento de cuatro barras con base en los
valores de sus relaciones de eslabones. Cada eslabón se designa con una letra basada en
su tipo de movimiento cuando se conecta a los demás eslabones. Si un eslabón puede dar
una revolución completa con respecto a los demás eslabones, se llama manivela C, y si
no, balancín R. Los diseñadores de movimiento C y R siempre se mencionan con el fin
de eslabón de entrada, acoplador, eslabón de salida.
1.3.4 Ergonomía y antropometría
El cuerpo siembre busca la comodidad. Es por eso que el ser humano no dura más de un
minuto sentado, sin moverse en una misma posición. Por lo que cualquier dispositivo
debe cumplir con funcionalidad, comodidad y estética. El diseño de productos para que
se adapten a los cuerpos y las capacidades de las personas no es algo nuevo, incluso los
hombres prehistóricos daban forma a sus herramientas y armas para hacerlas mas fáciles
de usar.
Figura 1-8. Imagen que ilustra el concepto de la antropometría
La ergonomía -palabra derivada de las palabras griegas "ergos", trabajo, y "nomos",
leyes- es la actividad de carácter multidisciplinario que se encarga del estudio de la
conducta y las actividades de las personas, con la finalidad de adecuar los productos,
sistemas, puestos de trabajo y entornos a las características, limitaciones y necesidades de
sus usuarios, buscando optimizar su eficacia, seguridad y confort. Pero, ¿Cómo
identificar los problemas ergonómicos? Existen ciertas características conocidas como
factores de riesgo que pueden causar problemas en los usuarios como son: la repetición,
la fuerza excesiva, posición o postura que provoque tensión y la temperatura. En la
medida que se considere a la ergonomía como una técnica preventiva integral,
necesariamente se debe vincular a las distintas ciencias o disciplinas.20
En la Tabla 1-4 se ilustra la interacción entre los distintos factores y disciplinas. Son
diferentes clasificaciones de las áreas donde interviene el trabajo de los ergonomistas, sin
embargo se pueden considerar las siguientes: la antropometría, la Biomecánica y
fisiología, la ergonomía ambiental, la ergonomía cognitiva, la ergonomía de diseño y
evaluación, la ergonomía de necesidades específicas, la ergonomía preventiva.
Tabla 1-4. Interacción entre los factores que sustentan a la ergonomía como una técnica preventiva
integral
Físico Mental Social Cuerpo humano
Áreas de conocimiento
Condiciones del ambiente físico del trabajo
Esta determinada por la cantidad de información que debe tratarse, el tiempo de que se dispone y la importancia de las decisiones
Organización del trabajo
Considera las medidas corporales, el movimiento mecánico (aplicación de las fuerzas)
Disciplinas Seguridad
Física
Fisiología
Psicología
Ingeniería
Psicología
Sociología
Ingeniería
fisiología
Ingeniería
Psicología
economía
Antropometría
Biomecánica
Se debe utilizar a la fisiología, antropometría y biomecánica para entender como ajustar
el dispositivo al usuario. Se debe saber donde se va a utilizar, para que y por quien. Una
vez que existe una comprensión de la mecánica corporal, los ergonomistas profesionales
se enfocan en la ingeniería. El dispositivo diseñado “ergonómicamente” ayuda a proteger
a los usuarios contra uno o más factores de riesgo.
La antropometría es una de las áreas que fundamentan la ergonomía, y trata con las
medidas del cuerpo humano que se refieren al tamaño del cuerpo, formas, fuerza y
capacidad de trabajo. Se clasifica en estática (aquella que mide las diferencias
estructurales del cuerpo humano, en diferentes posiciones y sin movimiento) y dinámica
(considera las posibles resultantes del movimiento y va ligada a la biomecánica).
A la hora de diseñar en base a la antropometría se debe tomar en cuenta los siguientes
supuestos básicos:
− Principio de diseño para individuos extremos. En aquellos casos en los que se
tengan que definir las dimensiones de un espacio interior, como un hueco,
abertura o acceso, la medida de partida será la dimensión antropométrica
pertinente del sujeto de mayor tamaño.
− Principio de diseño para un intervalo ajustable. Podrá aplicarse, siempre y cuando
se cuente con los medios técnicos y económicamente viables, dado que cada
persona podrá ajustar el objeto a su medida, a sus necesidades. Para este principio
se debe considerar como valor de referencia a la diferencia entre la medida
antropométrica del sujeto grande y del sujeto pequeño.
− Principio de diseño para el promedio. Es un error frecuente el diseñar para la
persona promedio, ya que las personas más grandes o más pequeñas no podrán
acomodarse.
Por otro lado, la biomecánica es la ciencia que estudia la aplicación de las leyes de la
mecánica a las estructuras y los órganos de los seres vivos. Aplica las leyes del
movimiento mecánico en los sistemas vivos, especialmente en el aparato locomotor, que
intenta unir en los estudios humanos la mecánica al conocimiento de la anatomía y la
fisiología. Al analizar el movimiento en la persona, la biomecánica trata de evaluar la
efectividad en la aplicación de las fuerzas para asumir los objetivos con el menor costo
para aquellas y la máxima eficacia para el sistema productivo.
Se debe considerar que dentro de las disciplinas mencionadas, la antropometría y la
biomecánica, necesitan una mayor profundización debido a la importancia que tienen al
momento de diseñar.
Por último, debemos recordar que la ergonomía no esta ni en las personas, ni en las cosas,
sino en la interacción producto-usuario. En el papel se puede dibujar cualquier
dispositivo o máquina con todas las especificaciones técnicas (dimensión, estructura,
estética) y a partir de modelos de figuras humanas reales, pero hasta que el mismo no sea
real, no es posible determinar si es o no cómodo, así como tampoco es posible determinar
su resistencia y durabilidad, solo se sabrá a largo plazo y de las condiciones de uso. De
hecho es en el tiempo cuando se mide, incluso su efecto sobre la salud humana, pues un
dispositivo mal diseñado acarrea problemas lumbares o musculares [diseño, ergonomía y
antropometría].
En la Tabla 1-5 se dan valores de distancias de los miembros del cuerpo para hombres y
mujeres que fueron utilizados en la etapa de diseño.
En la Figura 1-9 se ilustran mediante números asociados a la figura, las dimensiones de
mayor relevancia para el diseño de una maquina ejercitadora.
Tabla 1-5. Dimensiones antropométricas para el hombre y la mujer
Nombre de la dimensión Dimensiones en pulgadas
Hombre (120.5 159.1 197.5 lb)
Mujer (102.3 126.1 156.4 lb)
Longitud de la pelvis al piso (4A)
29.7
26.8
32.7
29.3
35.7
32.0
Alcance vertical (1C) 29.4
26.7
32.5
29.1
35.7
31.7
Ancho de hombros (3D) 16.2
15.1
17.9
16.4
19.5
18.1
Ancho de caderas (4D) 11.9
13.3
13.4
15.0
15.0
17.0
Altura de poplíteo (2F) 15.6
15.0
17.2
16.2
18.8
17.4
Largo de poplíteo a nalga (3F)
21.6
17.1
23.4
18.7
25.3
20.7
Alto del codo al asiento (8F)
7.4
7.4
9.1
9.0
10.8
10.6
Figura 1-9. Dimensiones antropométricas mas importantes a considerar en un diseño
Capítulo 2 Antecedentes, justificación y objetivos
2.1 Antecedentes
Vivir en este siglo XXI es un lujo comparado con épocas pasadas. Antes, la gente vivía
en casas pequeñas sin electricidad y ahora la gente no es consciente la gran labor que se
requiere para traer electricidad a nuestras vidas. Los objetivos siempre han sido el buscar
otras maneras de producir electricidad a través de nuevas formas en la transición a una
era post-petrolera.
Con esta consideración, un dispositivo muy común para usarse es la bicicleta. Debido a
que las bicicletas ordinarias son hechas en un rango de tamaños de acuerdo a la estatura
del usuario, solamente producen electricidad a través de un generador, construido
solamente como otra accesorio Véase en la figura 1c. Debido a pruebas ya hechas se
piensa que la aplicación más práctica de un generador potenciado por bicicleta seria el de
cargas baterías. La tabla 1 muestra los comentarios de pruebas eléctricas hechas a estas
bicicletas.21
Tabla 2-1. Pruebas eléctricas hechas en bicicleta, no estática, donde el generador eléctrico era
considerado un accesorio más
Carga Salida
Circuito abierto 230 Volts en DC
Circuito corto 4 a 5 Amps en DC
Resistor enrollado de 2 Ohm 5.5 a 6 volts en DC (15 a 18
watts)
Resistor enrollado de 65 Ohm 100 volts en DC (150 watts)
Resistor enrollado de 100
Ohm
100 volts en DC (100 watts)
Ya existen de manera comercial algunos dispositivos, como el que se muestra en la figura
2 de este tipo cuyo generador entrega de 12 a 24 V. El costo de estos generadores de
bicicleta es de alrededor de $639.00.
Otra variación de este concepto fue el desarrollo de un generador de energía eléctrica
movido por múltiples bicicletas (nueve en total). Las llantas traseras de cada bicicleta
descansan sobre una “rueda” de fricción hecha de un poste, el cual esta torneado a través
de su centro y cortado a la mitad, sujeto a una larga asta que a su vez esta acoplada a
magnetos permanentes. El voltaje final que entregaban estos dispositivos era de 18 V con
lo cual es posible cargar baterías de 12v. Otro dispositivo llamado generador conjuntado
potenciado con pedales entregaba 24v. Este sistema fue utilizado como mera curiosidad
ya que cada generador de magneto permanente fue atornillado al lado de un trailer usado
para remolcarlo a eventos de demostración. Cada bicicleta y generador fue aislado de los
otros utilizando un diodo bloqueador de un sentido permitiendo a cada persona pedalear a
su propio paso. Se espera que algún día este dispositivo tenga otra aplicación aparte de
simplemente cargar baterías.21 El cargador de batería potenciado por pedaleo es usado
para cargar baterías de 12v. El sistema consiste de una bicicleta de ejercicio colocada
sobre un pedestal. Cuando la bicicleta es pedaleada en aproximadamente 80 rpm, el gene
ador gira a la mitad de su razón de rpm (aproximadamente 900 rpm), produciendo cerca
de la mitad de su rango de voltaje de salida (aproximadamente 15v).
Figura 2-1. Generadores eléctricos comerciales
Existen distintas organizaciones como la Human Powered que forma parte del Center for
aprópiate Transport Machines la cual fue establecida en 1991 y cuyo principio básico es:
“la diversidad de productos”. La Pedal Power Organization cuyas metas generales son: el
desarrollo de tecnologías de potencia por pedales hecha de materiales reciclables así
como cambiar la percepción cultural de las bicicletas y sus aplicaciones.
Figura 2-2. Logotipos de las diferentes organizaciones que han apostado por el gasto energético de los
seres humanos como fuente de energía para la creación de electricidad
La forma de generar energía eléctrica por medio de una bicicleta puede ser de varias
formas, así tenemos que se pueden utilizar las ruedas como acopladores con otras ruedas
y aprovechar la fricción existente en ellas para dar movimiento al generador de un motor
y de ahí conectar el motor a una batería 22. Existen dispositivos que para generar energía
eléctrica utilizan otro medio del cual obtendrán un beneficio mayor al que se obtendría en
relación a los sistemas que directamente utilizan la energía del el ejercicio humano para
generar energía eléctrica. Por ejemplo, aquellos que utilizan la energía del cuerpo
humano para hacer funcionar un compresor y hacer que este almacene aire el cual podrá
mover una turbina la cual estará conectada al generador eléctrico e incluso se ha
manejado la misma idea del aire comprimido pero utilizando el peso del usuario para
lograrlo . En la Figura 2-3 se muestra un diagrama del dispositivo descrito, que fue
desarrollado por Rowe.22
Figura 2-3. Patente de maquina que utiliza la potencia mecánica de la bicicleta para
mover un compresor y de ahí generar energía eléctrica
Existen otros dispositivos que utilizan mucha tecnología convencional como la realidad
virtual, donde el principal objetivo es hacer menos tedioso o aburrido el ejercicio por lo
que simulan un ejercicio dinámico en un ambiente natural aunque el costo limita su
consumo a gimnasios, clubes, o centros de rehabilitación entre otros.
Una variación de los dispositivos de bicicleta son los triciclos los cuales proveen un
grado de estabilidad y seguridad que no pueden encontrarse en las bicicletas, presentando
la ventaja de que una de sus ruedas traseras puede ser utilizada para el pedal
convencional, con sprocket y cadena teniendo dos salidas para dos generadores.
Por otro lado, existen una variedad de máquinas de ejercicio estacionarias. Ejemplos de
estas máquinas son las escaladoras, las máquinas remadoras, las bicicletas estacionarias.
Estas máquinas simulan primordialmente ya sea uno u otro ejercicio de una manera
individual. El estado del arte de estas máquinas prácticamente se refiere, principalmente,
a necesidades ergonómicas como la flexibilidad de acomodar la máquina al tamaño físico
del usuario. La ergonomía es la base que ocupa principalmente a las bicicletas
estacionarias para ejercitarse pero se les dio un valor agregado al ver la posibilidad de
funcionar como generador de electricidad para ser auto consumida, como se vio puede
ver en la Figura 2-3.
Actualmente existen máquinas multimodo, es decir, son dispositivos que combinan una
bicicleta estacionaria con una máquina de remo. Algunas diferencias entre estas maquinas
multimodo radica en que unas son reconfigurables y otras son estacionarias cuya
prioridad de funcionamiento es el de convertir movimiento reciprocante a movimiento
rotacional de un sentido en una predeterminada dirección,23 mas aún se han utilizado este
último tipo de maquinas para abastecer de potencia a generadores eléctricos.24
Figura 2-4. Máquinas multimodo que combinan la bicicleta con la remadora
Con el fin de darle oportunidad de desarrollo a las zonas rurales se ha optado por llevar
tecnología de energía renovable (más barata) en lugar de trasladar la red de energías
convencionales que operan con combustibles fósiles. La India es uno de los países que ha
dado el visto bueno a este tipo de acciones y para México este tipo de sistemas también
sería una buena opción.
Figura 2-5. En países como la India los sistemas emergentes de generación de electricidad están
comenzando a ser utilizados en zonas rurales
En el Centro de Investigación de Ciencia Aplicada y tecnología Avanzada del Instituto
Politécnico de Nacional unidad Querétaro, no existe antecedente del desarrollo de
maquinas ejercitadoras con el enfoque de crear energía eléctrica a través de ellas. Por
primera vez, como centro de investigación en el desarrollo de este tipo de mecanismos, se
presenta este trabajo.
2.2 Justificación
Durante las últimas décadas, México ha experimentado cambios importantes en sus
perfiles demográficos, socioeconómicos y epidemiológicos. El proceso de urbanización
y el desarrollo económico han conllevado a cambios en el estilo de vida de los
individuos, provocando modificaciones en los patrones de alimentación, actividad física,
tensión emocional y factores ambientales.
Loa valores, creencias y actitudes culturalmente determinadas han minimizado las
posibilidades de desarrollar actividades al aire libre por razones de espacio físico,
transito, distancias por recorrer, tiempo que se gasta en desplazarse de un lado a otro, la
contaminación, el tiempo viendo la televisión, juegos de video y computadoras e incluso
por razones de seguridad personal.
La esperanza de introducir la practica del ejercicio a largo plazo ha fallado debido a que
el usuario no esta psicológicamente preparado para enfrentarse a los procesos necesarios
para mantenerla debido a “dificultades” que lo desmotivan llevándolo a tomarlo como
un fracaso personal.
El incremento por acumulación de energía no utilizable es progresivo y el equilibrio entre
la ingestión de energía y la actividad física es uno de los factores que más trabajo y
compromiso implican. Y aunque el ejercicio regular no es una panacea para todas las
dolencias de la humanidad, un programa de ejercicio regular promoverá la salud para
reducir el desarrollo futuro o recurrencia de enfermedades degenerativas porque la
cantidad de ejercicio requerido para reducir significativamente el riesgo de una
enfermedad puede ser considerablemente menor que aquella cantidad de valor adquisitivo
necesario para desarrollar y mantener la capacidad funcional del individuo.
Además, la evolución de las maquinas para hacer ejercicio, comercialmente disponibles,
se ha enfocado en el desarrollo de diseños óptimos ergonómicamente hablando, a la par
de la selección y uso de materiales para su construcción que las hacen menos pesadas, ya
que en cuanto a potencia generada se refiere, no hay mucha aportación, es decir, el
mecanismo de bicicleta es el mismo y la potencia generada dependerá mas del usuario
que de la propia máquina; sin embargo, de manera particular, los diseños para remadoras
fijas se han enfocado en simular cada vez más este ejercicio como si se tratase del manejo
de una remadora de competencia, por lo que algunos modelos disponibles son utilizados
por atletas para su entrenamiento. Además las máquinas para hacer ejercicio se han
pensado para ser consumidas por un mercado de clase media-alta (la clase trabajadora)
cuyas residencias tienen espacios limitados. Así que proponer diseños versátiles donde el
espacio es un parámetro a considerar han dado como resultado maquinas para hacer
ejercicio donde pueden realizarse dos ejercicios en una sola maquina, alterando un poco
su forma y geometría.
El prototipo aquí propuesto, tomo en cuenta todas las consideraciones anteriores a
excepción de ser utilizado como una máquina donde se pueda entrenar para una
competencia, por que este no es el fondo de su concepción, además de ofrecer no solo dos
sino tres tipos de ejercicios que pueden ser realizados en una sola máquina, y que todos
los mecanismos propuestos en ella darán movimiento a un eje de salida donde a este se le
podrá adaptar algún otro dispositivo como por ejemplo, un generador eléctrico.
Como otro recurso para uso de la energía, es utilizarla como ventilación para ayudar a
que la persona que se ejercita disipe el calor generado por su cuerpo durante el ejercicio.25
Así que crear una alternativa terapéutica que promocione la actividad física –incremento
del gasto energético- , psicológica –ayudando a quitar estereotipos negativos que generen
depresión y bajo autoestima-, y la ecológica-implementando factores conductuales que
impulsen la cultura de respeto y cuidado del medio ambiente-aderezado con un ahorro de
energía con impacto limitado -donde la energía será tomada por un sistema de
alimentación de DC- hará que mucha gente comience o continúe mejorando su calidad de
vida.
2.3 Objetivo
2.3.1 Objetivo General
Desarrollar una máquina ejercitadora integral bajo consideraciones ergonómicas,
recreativas y ecológicas, donde todos sus mecanismos accionados por personas de
diferentes condiciones fisiológicas, converjan en un eje principal de salida, que sirva
como fuente de movimiento para otros dispositivos.
2.3.2 Objetivos particulares
a) La máquina se operará por una variedad de ejercicios aeróbicos que permitan
ejercitarse de una manera integral.
b) La máquina será ajustable en tamaño y espacio en relación al usuario para reducir
los efectos de la gravedad y la postura en la circulación sanguínea de éste.
c) Diseñar y construir un mecanismo constituido por un montaje de partes ajustables
sin requerir herramientas especiales para instalarlo.
d) El mecanismo pueda ser integrado a un generador eléctrico que forme parte de
una red de energía basada en fuentes de energía renovables.
Capítulo 3 DESARROLLO DE LA MAQUINA
EJERCITADORA
3.1 Diseño conceptual del prototipo
Concientizados de encontrar soluciones a la optimización del uso de la energía eléctrica
en las viviendas, donde la energía eléctrica utilizada para la iluminación de la misma
representa una tercera parte del consumo total, la invitación de aportar otros desarrollos
tecnológicos a otras líneas de investigación no se hizo esperar. Se propuso, entonces, que
el área de mecatrónica apoyara con algunas propuestas para colectar energía, por lo que
ésta contestó con: un seguidor solar y un ejercitador multifuncional.
¿Por qué un ejercitador?
Parece ser que la población mexicana, hoy, se encuentra en la disyuntiva de obtener un
estado de salud aceptable, sin mencionar la infinidad de riesgos que se asumen al no
tenerlo, en un lugar y tiempo donde la calidad de vida parece no permitirlo. Además, esta
fuera de discusión que el ejercicio continuo es parte de la solución a esto. (Ver capítulo 1
sección 1.2.1).
Da la impresión de que el ejercitarse no es una cuestión de convencimiento, sino de
disciplina, déjeme explicarle: ¿Cuántas veces caminando por las calles hemos visto a
personas realizando algún tipo de ejercicio como caminar, subir y bajar escalones, o
cargar y descargar objetos pesados, entre otros? Había llegado el tiempo de preguntarse
seriamente: ¿Cuántos minutos no son dedicados por la gente de todas las edades a
caminar por las calles?, ¿cuántos minutos no son dedicados a correr en las pistas de los
parques por los niños hasta personas mayores? ¿Cuántos minutos o hasta horas son
dedicadas por personas relativamente jóvenes (entre 18 y 40 años) al ejercicio en
gimnasios? ¿Acaso esas personas no están convencidas? Claro que lo están, así que,
además de obtener un beneficio en la salud física y psicológica (la gente le da mas peso a
esta ultima, recuerde que vivimos en un mundo globalizado gobernado por las
tendencias) no estaba de mas conseguir algún otro provecho que proviniera de todo ese
gasto energético hecho por las personas.
¿Cuál es la cualidad que debía tener este ejercitador, cuando existe una amplia variedad
de máquinas ejercitadoras?
Por supuesto que el mercado esta inundado de muchas maquinas que se han ideado,
(incluso de prototipos que llevan a cabo la tarea de aprovechar el gasto energético –ver
capitulo 1 -antecedentes históricos -) pero se creyó que aun existe espacio para mejorar
estos dispositivos (y este, al formar ahora parte de los existentes, no es la excepción).
Primeramente, estas maquinas ejercitadoras están diseñadas para ser usadas por personas
que son jóvenes y fuertes. Pero, hay personas que no cuentan con las mismas capacidades
físicas que las de una persona “común” que algunas veces son excluidas. Se puede
mencionar dentro de estas a las personas mayores las cuales necesitan ejercicios suaves
personas que solo sus brazos son mecanismos motrices o personas excesivamente
obesas, las cuales no pueden realizar con la misma intensidad y frecuencia el ejercicio
incluyendo a personas que reciben terapia de ejercicio. Segundo, la necesidad de
máquinas ejercitadoras ergonómicamente. Esta claro que se necesitan maquinas
ejercitadoras ergonómicamente óptimas, es decir, maquinas que se adapten a la posición
que nuestro cuerpo requiera de acuerdo al tipo de ejercicio ejecutado durante un intervalo
de tiempo. La máquina debe estar pensada para el consumo nacional (México), por lo que
el usuario tendrá completamente la idiosincrasia mexicana considerando todo lo que
conlleva (tamaño y peso de las personas). No vaya a resultar que el ejercitador en lugar
de beneficiar nuestra salud física la perjudique. ¡Saldría muy cara la optimización de la
energía eléctrica!
Tercero, las maquinas ejercitadoras del mercado presentan la opción de realizar dos
ejercicios en una sola maquina. Se pensó en la posibilidad de aumentar uno más.
Afortunadamente se dio y en cuanto a funcionalidad no fue cualquier otro, ya que este
ejercicio insertado podrá ser utilizado principalmente por usuarios con características
mencionadas en la primera consideración. Otro aspecto importante para la creación de
este dispositivo fue la de conglomerar un conjunto de mecanismos cuyo movimiento
fuera otorgado por la mayor cantidad de músculos del cuerpo y que a su vez generaran un
movimiento rotacional como salida. Además, la especificación del movimiento de salida
fue requerida de esta forma ya que se pensó conectarlo a un eje giratorio, el cual, a su
vez, constituiría el movimiento de entrada de un generador eléctrico.
Por otra parte, el ejercitador debería tomar en cuenta el aspecto fisiológico de las
personas cuando estas realizan un ejercicio. Este aspecto tomó una singular importancia y
será explicado más adelante. Por último, como un producto terminado, el ejercitador
debería de cumplir con las normas básicas de diseño y de seguridad.
Tomando como entrada todas estas especificaciones, a principio de manera cualitativa, se
realizó un dibujo (en dos dimensiones), el cual es mostrado en la Figura 3-1, en la que se
muestra el primer diseño conceptual (en una vista lateral) hecho en un programa de
diseño AUTCAD 2004.
Figura 3-1. Primer diseño conceptual de la maquina ejercitadora multifuncional
Las líneas de color morado representan la parte exterior –cascarón- de la máquina. Las
líneas verdes, son un conjunto de mecanismos, en general poleas, que describen
movimientos rotatorios hechos por los pies del usuario para las bicicletas fijas, y por las
manos para la “bicicleta inversa” (note que este término es utilizado para diferenciarla de
la bicicleta “común”, la que todo usuario genera movimiento con el empuje de los pies).
La última polea (la cargada al lado derecho del dibujo) representa la polea del generador
conectado. Puede verse también, aunque no de una manera aun clara, que el tercer
ejercicio que se puede realizar en este dispositivo es el de la simulación de remo. Se tomó
la decisión de tomar como ejercicios que pudieran simularse en el ejercitador al remo y a
la bicicleta porque representan, juntos, el ejercicio que ayudara a obtener un número
mayor de músculos del cuerpo en movimiento. Al principio se pensó en conectar el remo,
a la polea de la bicicleta y esta a su vez seria conectada a la polea del generador. El
principio que se pensó utilizar fue el de las maquinas locomotoras, aunque más bien se
parecía mas a un mecanismo manivela-corredera, para obtener un movimiento rotatorio a
partir de un movimiento lineal.
Sin embargo, se presentaba algo impractico con este primer esquema ¡cualquier parte
movible por cualquier ejercicio, ocasionaría el movimiento de las demás poleas! Por lo
que este dibujo conceptual no tuvo mucho impacto pero permitió conservar algunos
parámetros tales como la ubicación en la máquina de los mecanismos para la generación
de movimiento requerida, que siguieron considerándose.
Con esta idea, se siguió trabajando en aspectos de estética y de ahorro de material,
llegando a un segundo diseño conceptual, mostrado en la Figura 3-2. La Figura 3-2
muestra la evolución del diseño conceptual (en una vista en isométrico). Puede verse en
el esqueleto, la ubicación de las cuatro poleas (una para cada movimiento, bicicleta fija,
bicicleta inversa, y dos que irían conectadas al eje del generador), se asumió que el
movimiento entre las poleas sería transmitido por medio de bandas. La “cuarta polea” que
puede observarse montada sobre el eje del generador y paralela a la polea que iría
conectada a la polea de la bicicleta fija, se considero la solución para independizar por lo
menos uno de los movimientos de bicicleta con respecto al otro.
Figura 3-2. Diseño conceptual tomado como modelo para el diseño del dibujo ergonómico y mecánico
El mecanismo de color rojo, representa al mecanismo del remo. Esta vez, se pensó en
utilizar el diseño de un mecanismo de cuatro barras, donde se convirtiera un movimiento
oscilatorio en un movimiento rotatorio (conocido como balancín-manivela).19
El movimiento oscilatorio se presentaría en la barra que se encuentra perpendicular al
brazo que esta conectado a la polea de la bicicleta fija. Esta barra generaría este tipo de
movimiento gracias a la oscilación generada por los remos que formarían un solo
eslabón con la barra circular, la cual estaría montada sobre cojinetes. Los remos
obtendrían su movimiento por parte del usuario, el cual, tendría un movimiento de
vaivén sentado sobre el asiento, el cual se hace desplazar por la banca por medio de
ruedas. Se tiene que mencionar, que a la banca se le dio un cierto ángulo de inclinación,
con respecto a la horizontal del suelo, esto con la idea de que se necesitaría mas esfuerzo
por parte de las piernas para la fase de avance en el ejercicio del remo y que además
ayudaría en la fase del regreso con la ayuda gravitacional, sin embargo, el valor de éste
ángulo no pudo ser determinado de manera convincente así que se tenia otra cuestión que
resolver.
El enunciado del proyecto: “Desarrollar un ejercitador que sirva para colectar energía”, el
cual se encuentra implícito en el primer párrafo de éste capítulo, estaba definido sin
mucha precisión y carecía de manera deliberada de detalles y estructura por lo que
representaba el planteamiento del problema en una fase de “Identificación del problema”
(ver capítulo 1 sección 1.3.3).
Después de todo lo descrito, el problema se puede replantear de la siguiente manera:
Desarrollar un ejercitador multifuncional optimizado para la generación de energía
eléctrica. Entendiendo como multifuncional la característica de que en el se pueden llevar
a cabo la simulación de tres ejercicios. Y entendiendo como optimizado que es
ergonómica y mecánicamente funcional. Después de esto, se paso a la etapa de análisis
para la evaluación del desempeño del diseño.
3.2 Diseño ergonómico
Como ya se mencionó (capítulo 1 sección 1.3.4), a la hora de diseñar en base a la
antropometría se debe tomar en cuenta los supuestos básicos, los cuales son: Principio de
diseño para individuos extremos, Principio de diseño para un intervalo ajustable,
Principio de diseño para el promedio.
Para el diseño ergonómico del ejercitador se utilizo el principio ajustable, ya que
permitirá que las personas más grandes o más pequeñas acomodarse a este, en
combinación con el promedio el cual fue utilizado para el mecanismo del remo.
Los valores de la Tabla 1-5 fueron utilizados para el diseño. Se tomaron como intervalo
inferior para la mujer más pequeña y el intervalo superior el del hombre más alto. A
partir de estas dimensiones se comenzó a dibujar la banca del ejercitador. Para esto
fueron consideradas las siguientes dimensiones:
Según la tabla, se utilizo la dimensión de la altura de poplíteo (2F en esquema) la cual
tiene una longitud de 16.2 in ≈ 16 in ≈ 41 cm. para las mujeres, se tomó como medida
inferior. La altura de la banca se dejo aproximadamente a partir del suelo a 30 cm. ya que
encima de ella iría el carro del asiento dejando el margen de 10 cm. para colocarlo. Esto
puede observarse en la Figura 3-3.
Figura 3-3. Se observa en base a dimensiones antropométricas la altura que debe tener la cara
superior de la banca (aproximadamente 30 cm.) con respecto al piso.
La longitud de la banca se decidió en base a las dimensión antropométrica altura de la
pelvis al piso (4A), pero esta vez la consideraremos de manera horizontal ya que es la
longitud máxima que la pierna de la persona puede alcanzar al ser estirada
completamente. En este caso se considera la longitud del hombre, ya que es la longitud
máxima de la banca requerida para el desplazamiento del carro a través de ésta.
La dimensión antropométrica sugerida según la tabla es 32.7 in = 83. cm. Se decidió
dejar una longitud total de 110 cm., a esta longitud se le quitaron 5 cm. aproximadamente
del extremo izquierdo de la banca a su derecha, ya que fue requerida para maquinar un
barreno, por lo que la longitud efectiva seria de 105 cm. Dejando así un margen de 20
cm. aproximadamente.
Figura 3-4.Se observa en base a dimensiones antropométricas la longitud total de la banca
Figura 3-5. Dimensiones antropométricas para el hombre (dimensión B) y para la mujer (dimensión
A) para posicionar el pie en el pedal utilizado en el mecanismo de bicicleta fija.
Como se consideró diseñar una estructura principal (véase la Figura 3-2, postes que
sostendrían las poleas –de color rosa-) se necesitaba saber cual seria la distancia a la cual
se colocaría el poste que sostendría a la polea de la bicicleta estacionaria. Las
dimensiones antropométricas mostradas en la Figura 3-5 tanto para la mujer (señalada
con la letra A) y el hombre (señalada con la letra B) el alcance máximo seria el mostrado.
La posición mostrada seria del pie colocada sobre el pedal, así que ha estas dimensiones
se tendrían que quitar la longitud del brazo del pedal. La relación de longitudes sugeridas
por este autor se muestra en la Tabla 3-1.
Tabla 3-1. Relación de altura del chasis de las bicicletas de montaña y de carreras en función de la
altura del usuario.
Altura del ciclista (en cm.) Talla del chasis160 49-51 165 51-53 170 53-55 175 55-57 180 57-59 185 59-61 190 61-63
Esta tabla ayuda a tomar otras dimensiones antropométricas y es de mucha ayuda ya que
pude verse en la columna de “altura del ciclista” que considera personas de 1.60 m hasta
1.90 m de altura, rango en el cual la gente mexicana cae. Para una persona de 1.60 m se
necesita una talla de chasis de 49-51 cm., esto podría tomarse como la longitud máxima a
la que el soporte de la polea de la bicicleta fija pudiera estar. Tomando esta consideración
y la pasada se tomo la decisión de colocar el poste a una distancia de 45 cm. La ayuda
obtenida de esta tabla se retomó mas adelante, en el diseño mecánico de la banca.
Refiriéndose al poste de la bicicleta inversa (Figura 3-6), la altura que debería tener el
poste con respecto al suelo se tomo de la dimensión antropométrica la altura del poplíteo
mas la altura del codo al asiento (2F + 8F), tomando el límite menor (el de la mujer) se
obtuvo que 19.6 in + 9 in = 28.6 in = 72.6 cm. pero restando a esta cantidad el radio de la
polea a utilizar, quedaría como sigue: 72.6cm -10 cm.= 62.6 cm.
Figura 3-6. Dimensión antropométrica que deberá tener la polea para el ejercicio de “bicicleta
inversa”
Sólo faltaba conocer a que distancia el poste tendría que estar del usuario, esta distancia
fue determinada por la dimensión antropométrica alcance vertical (1C) – largo de
poplíteo a nalga (3F) aproximadamente. Así, el valor tomado como referencia fue el
límite inferior (de la mujer) que es igual a:
35 in- 18.7 in = 88.9 cm. – 47.4 cm. = 41.5 cm.
Hay que notar, que esta medida seria tomada como la máxima así que la distancia a la
que debería encontrarse el poste de la polea para el ejercicio de bicicleta “inversa” quedo
a consideración del diseñador y se resolvió en el diseño mecánico.
Figura 3-7. Se muestra la distancia a la que el soporte de la polea para el ejercicio de bicicleta
“inversa” debería colocarse con respecto al usuario. Note que la distancia en el dibujo (28.44 cm.) es
menor a la considerada como máxima (41.402 cm.).
La tensión de los músculos para el usuario, el cual se ejercitara sentado, disminuirá
cuando apoye completamente su espalda en el respaldo, no eliminando así la lordosis
(curvatura natural de la zona lumbar).26
Se recomienda que los muslos estén paralelos al suelo, evitando exceso de presión en la
parte posterior de estos. El cojín debe ser mas ancho que las caderas y piernas, se
recomienda le sobren de 2 a 3 cm. por cada lado; no debe ser muy largo porque podría
apretar por debajo de las rodillas y producir alteración de la circulación sanguínea en pies
y piernas. El cojín deberá tener una curva hacia abajo para evitar presionar la parte de
debajo de las rodillas.
El apoyo lumbar debe ser adaptable, regulándolo de arriba hacia abajo para adaptarse a la
curva natural de la espalda del usuario, esto será necesario ya que la silla será usada por
un conjunto de personas distintas. El cojín de la silla deberá estar relleno con espuma de
media a alta densidad para evitar incomodidad, desbalance y fatiga en piernas y espalda
además de estar forrado con telas de algodón o de vinil según sea el caso
[http://www.enbuenasmanos.com/articulos/muestra.asp?art=1269 ]
Las dimensiones antropométricas requeridas para el diseño del asiento, según la Tabla
1-5, fueron: ancho de caderas sentado (4D), para determinar el ancho del asiento y largo
de poplíteo a nalga (3F) para determinar el largo del asiento.
Para determinar el ancho del asiento, se tomo como referencia el límite de la mujer (las
mujeres tienen más ancha la cadera que los hombres). Según la Tabla 1-5 esta dimensión
es de:
15 in = 38.1 cm.
A esta dimensión le agregamos los 2 cm. de cada lado sugerido por la bibliografía:
38.1 cm. + 2 (2cm) = 42.1 cm. ≈ 42 cm.
Por otro lado, para determinar el largo del asiento, la dimensión utilizada, largo de
poplíteo a nalga (3F) la cual es de:
18.7 in = 47.4 cm. ≈ 48 cm.
Figura 3-8 Dimensiones antropométricas relacionadas con el diseño del asiento
Esta longitud, seria la longitud máxima que el asiento pudiera tomar, sin embargo, de
acuerdo a las consideraciones sugeridas en bibliografía, la longitud debe ser menor a esta
longitud por las cuestiones de presión sanguínea. Puede observase en la Figura 3-8 que la
longitud considerada para el asiento es de 36.6 cm. ≈ 37 cm.
La altura del cojín será de 5 cm. ya que es una altura consideradamente buena para evitar
la deformación del mismo (este dato se tomo de sillas comerciales).
En cuanto al mecanismo de remo, la altura máxima que el remo tendría con respecto al
suelo fue considerada como la misma a la que se encuentra el soporte para la bicicleta
inversa (62.4 cm.). Los brazos formarían un eslabón que iría sobre chumaceras ubicadas
en la parte lateral de la banca. La síntesis dimensional del remo se trata más a fondo en el
siguiente capítulo
3.3 Diseño mecánico
3.3.1 La banca
Diseño 1
Para la construcción de la banca, (Figura 3-9) inicialmente se considero un perfil de PTR
4” X 2”. La banca estaría soportada en sus extremos por un par de patas de perfil
cuadrado (delanteras) y de perfil rectangular (trasera).
Una vista lateral del primer diseño de la banca se muestra en Figura 3-9. Puede
observarse tres características importantes: La primera los barrenos de posicionamiento
para el carro sobre el cual el asiento seria montado. La distancia entre estos barrenos esta
determinada por la Tabla 3-1. Cada barreno posicionaría al carro y lo mantendría a una
distancia variable con respecto al poste que sostendría a la polea para el ejercicio de
bicicleta estacionaria.
Figura 3-9 Diseño 1 de la banca. En esta se puede observas el ángulo de inclinación con respecto a la
horizontal
La segunda característica son los postes topes para la carrera del carro en el extremo
derecho de la banca y por último, el ángulo de inclinación (de 12°). Al mantener la banca
inclinada, se pensó que el usuario haría un mayor esfuerzo en la primera fase (de empuje)
del remo y le ayudaría (con ayuda de la fuerza gravitacional) a regresar el carro del
asiento a la posición inicial. Sin embargo, el valor de 12° no se pudo justificar, así que
era un parámetro pendiente.
Diseño 2
La banca ya no permaneció empotrada en las patas anteriores. Esta vez, pivotea sobre un
punto, en las patas posteriores, ya que para eliminar el parámetro de 12° de inclinación,
se propuso que la banca tomara 3 alturas diferentes. Una altura permite a la banca
permanecer de manera horizontal con respecto al suelo, y las otras dos determinan la
inclinación con respecto a ésta. El efecto de este ángulo seria determinado en la prueba y
caracterización del prototipo (ver Capítulo 3 ). La Figura 3-10 muestra una vista en
isométrico de la banca; La Figura 3-11 muestra a la banca conectada con el posicionador
de altura.
Figura 3-10 Isométrico de la banca
Figura 3-11. Banca conectada con el posicionador de altura
Este diseño mostraba una insuficiencia, ya que sus eslabones no se unían para formar una
armadura, así que se necesitaba unir la banca y sus patas con el posicionador; además las
patas del posicionador tendrían desplazamientos laterales por lo que se tenia que pensar
en la solución a esos desplazamientos y a que se diseñara una armadura confiable, aunque
estas observaciones modificarían un poco el diseño.
Diseño 3
Para llevar a cabo la armadura, con la banca, se requería colocar dos barras que
conectaban el eje transversal donde descansan las patas delanteras, con el eje transversal
donde descansan las patas del posicionador de altura. Una vez haciendo fija la longitud
de la banca, se debía resolver que pasaría cuando la banca se inclinara, ya que esto traería
como consecuencia que la longitud del posicionador de altura cambiara. Se sugirió que
las barras conectoras tuvieran barrenos posicionadores. De esta manera el posicionador
de alturas se podría fijar en la posición requerida. Esto puede verse en la Figura 3-12.
Figura 3-12 La banca se hace armadura con el posicionador de alturas, dando mayor rigidez y
seguridad
Para que la banca no tuviera desplazamientos laterales, se tenía que asegurar la posición
del tubo trasero de la misma en el posicionador. Para hacer esto, se adaptaron dos anillos
de goma, los cuales se colocaron a una distancia donde el eslabón del posicionador quepa
entre ellos justamente (ver Figura 3-13)
Figura 3-13 Vista frontal donde se muestra la colocación de los anillos fijadores para evitar el
desplazamiento lateral de la banca
3.3.2 La estructura soporte del mecanismo para la bicicleta inversa
Parecía poco estético tener al frente la polea que ayudara al ejercicio de bicicleta
“inversa” cuando se estuviera realizando el de bicicleta fija o el de remo (ver Figura 3-2).
Por lo que se formularon las siguientes preguntas: ¿Podría diseñarse un mecanismo para
“esconder” el poste junto con la polea que se utilizan para el ejercicio de bicicleta
“inversa” cuando uno realizara otro de los dos ejercicios?, y aún mejor, ¿Podría utilizarse
una sola polea para los dos ejercicios? ¿Podría encontrarse un mecanismo simple que
logrará esto? Las alternativas se buscaron y se muestran en los diseños conceptuales en la
Figura 3-14.
Primeramente se pensó en colocar un marco (Figura 3-14 a), el cual tendría un brazo que
estaría conectado al poste que soporta a la polea, así la polea podría colocarse enfrente
del usuario para el ejercicio de bicicleta “inversa” y volver a su posición inicial cuando se
estuviera haciendo alguno de los otros dos ejercicios. Este diseño fue desechado por lo
estorboso que seria el marco, además de que quitaría espacio para el sistema de remo.
Después se pensó en un poste movible tanto en dirección longitudinal a la banca como
oscilatoria hacia ella. Esta idea se hizo pensando en utilizar solo una polea para los dos
ejercicios, así las distancias para la bicicleta fija podrían mantenerse de acuerdo a la
altura del usuario. (Figura 3-14 b). . La polea estaría colocada sobre un poste móvil, el
cual se deslizaría hacia arriba y hacia abajo, con la finalidad de ajustar la altura de la
misma dependiendo el usuario. El poste estaría colocado sobre una plataforma, la cual
giraría, en dos puntos de pivoteo de otra placa unida al eje transversal donde descansan
las patas delanteras de la banca. Con este diseño, se eliminó el marco que inicialmente se
tenía, así que el espacio para el sistema de remo se seguía conservando.
El diseño número 3 (ver Figura 3-14c), consistía, otra vez, de utilizar una sola polea para
el ejercicio de bicicleta “inversa” y bicicleta fija. Esta vez, la polea estaría conectada a un
eje, el cual a su vez estaría montado sobre dos chumaceras fijas en dos armaduras que
podrían desplazarse de manera longitudinal (tratando de preservar las distancias del eje al
usuario en la bicicleta fija), sobre dos rieles. Este eje adicional haría más estorbosa y
poco estético el mecanismo. Así que se tuvo que mejorar este aspecto.
Figura 3-14. a),b),c): Varias alternativas para “esconder” el poste y la polea utilizados
sólo en el ejercicio de bicicleta “inversa”
c)
b)
a)
El diseño número 3 (ver Figura 3-14c), consistía, otra vez, de utilizar una sola polea para
el ejercicio de bicicleta “inversa” y bicicleta fija. Esta vez, la polea estaría conectada a un
eje, el cual a su vez estaría montado sobre dos chumaceras fijas en dos armaduras que
podrían desplazarse de manera longitudinal (tratando de preservar las distancias del eje al
usuario en la bicicleta fija), sobre dos rieles. Este eje adicional haría más estorbosa y
poco estético el mecanismo. Así que se tuvo que mejorar este aspecto.
Finalmente se llegó a un cuarto diseño (Figura 3-15). Este diseño consistió en dos brazos
laterales con barrenos alrededor. Con el fin de que estos ayudaran a posicionar el poste
tanto para la bicicleta fija como para la bicicleta “inversa”. El diseño era funcional para la
parte de bicicleta fija (el suelo colaboraría con ello), pero en la parte de posicionamiento
de bicicleta “inversa” se tendría que tener un mayor control en la fijación. Para esto, los
tirantes laterales, que se encuentran descansando a los lados de las patas de la banca,
ayudarían. Además se tenía que asegurar que no existiera mucho juego en los pivotes de
los brazos ya que esto ocasionaría inestabilidad en el poste. La Figura 3-15 muestra al
mecanismo en las dos posiciones de ejercicio.
Figura 3-15 Posicionador de polea para bicicleta fija (a) y bicicleta “inversa” (b)
b)
a)
3.3.3 El sistema de remo
El desarrollo del diseño del sistema del remo comenzó con la síntesis dimensional del
mecanismo buscando determinar las dimensiones significativas y la posición inicial y
final del mecanismo preconcebido para esta tarea. Después se estudiaron los
requerimientos de los movimientos relativos de los eslabones en términos de
desplazamientos lineales y velocidades lineales así como angulares para terminar con el
diseño ergonómico en cuanto a los remos se refiere.
3.3.3.1 Síntesis dimensional
Se comenzó con diseñar un mecanismo balancín-manivela de Grashof. (para poder dar
movimiento a la polea principal), que cumpla con los limites de espacio de la banca
Para convertir el movimiento oscilatorio a movimiento de rotacional puro. Primeramente
de acuerdo a los criterios de Baker y Grashof 19 y al diseño conceptual, se pensó en
utilizar un solo mecanismo cuatro barras con una entrada oscilatoria (rocker) y una salida
rotatoria (cranck), tal como puede verse en la Figura 3-16. Sin embargo, la barra 3
(acoplador) tuvo una longitud considerablemente grande (aproximadamente 76 cm), lo
que llegaría a contemplar en el diseño las flexiones de la misma. Razón suficiente para
descomponer el mecanismo original en por lo menos dos mecanismos que cumplieran
con las condiciones iniciales.
Se considero pues descomponer el mecanismo oscilador-rotatorio, en doble oscilador más
un oscilador rotatorio o en un doble rotatorio más un oscilador rotatorio.
Figura 3-16. Se muestra el concepto original para el mecanismo de remo
Así que la primera parte del diseño consistió en proponer un mecanismo de 4 barras
balancín-manivela de Grashof cuyo balancín oscile idealmente 90 °.
La primera propuesta fue limitada debido al dimensionamiento posicional que se eligió
para el mismo. La Figura 3-17 muestra estas dificultades.
Figura 3-17. Se muestran los dos mecanismos: doble-balancín y balancín manivela de Grashof
El mecanismo doble-balancín (rocker-rocker) de Grashof , se encuentra a la izquierda del
dibujo (vista lateral) debajo de la banca. Este mecanismo lo compone el eslabón 1 con
una longitud de 25.09 cm, 2(26.35cm) ,3(13cm) y el eslabón 2,4. Se observaron por lo
menos tres problemas con este mecanismo:
1. La dimensión del eslabón 2 (26.35cm) sobrepasa completamente la altura de la banca, por lo que el movimiento de este eslabón estaría restringido.
2. La dimensión de 17.83 que va del soporte transversal de la banca a la chumacera donde se conectara el eslabón 2. Se tenía considerada esta dimensión de por lo menos 30 cm, ya que se considero que la pata transversal serviría de apoyo a los pies cuando se ejecute el ejercicio de remo.
3. La chumacera, en donde se conecta el eslabón 2,4, limita el movimiento del posicionador de la polea principal, por lo que se tuvo que remover de ahí.
La otra opción fue armar un doble rotatorio (double cranck) conectado a un balancín-
rotatorio (rocker-crank), considerado un eslabonamiento especial de Grashof
(configuración de paralelogramo), ya que este eslabonamiento duplica con exactitud el
movimiento rotatorio de la manivela impulsora en la impulsada.
Primero, se tuvo que cambiar la posición de la chumacera (Figura 3-18) para no limitar el
movimiento del brazo posicionador de la polea principal (Figura 3-19)
Figura 3-18. Muestra las razones del cambio de posición de la chumacera
Figura 3-19 Se propone el nuevo lugar de la chumacera
Así que se tuvo que perforar la pata de la banca para que el eje transversal deslizara a
través de ellas. Se requería que la chumacera donde se conectaría el remo, se encontrara a
30 cm separado del apoyo de las patas. Bajo estas consideraciones, se comenzó a realizar
el diseño cinemático del mecanismo requerido.
Síntesis dimensional. De acuerdo a los criterios de Grashof, un mecanismo de 4 barras es
oscilatorio-rotatorio, cuando el eslabón 4 (la salida) sea el menor de los eslabones. La
Figura 3-20 muestra el dimensionamiento de los eslabones para este mecanismo. La
construcción del mismo se hizo al siguiente procedimiento:
a) Trace una circunferencia de radio de la misma longitud del eslabón. En este caso de 15 cm
b) Trace el eslabón a la posición final de la oscilación. En ese caso a 60º con respecto a la horizontal.
c) Trace una línea que vaya del centro de la polea al punto final de la línea trazada en el inciso b).
d) Prolongue esta línea hasta que toque la circunferencia e) Trace una línea del centro de la chumacera al punto donde la línea trazada en el
inciso d) intersecte la circunferencia. Esta línea será el límite superior de oscilación de la barra 2.
f) Trace la mediatriz de la línea que va del punto final del eslabón 2 en su posición final al punto final del eslabón 2 en su posición inicial. Mida la distancia de la mediatriz a uno de los puntos extremos.
g) Trace una circunferencia que tenga un radio de la misma longitud que la distancia medida en el inciso anterior. El radio será la longitud del eslabón 4.
h) Se verifica si cumple con las condiciones de Grashof.
Figura 3-20. Síntesis dimensional del mecanismo balancín-oscilatorio
Para la construcción del doble oscilatorio, se siguió el siguiente procedimiento:
a) Se decidió tomar una oscilación de ángulo por parte del remo de 90º (aunque se dio un intervalo entre 60º a 147º), por lo que el eslabón de entrada oscilaba 87º. (aproximadamente lo que se buscaba). Dadas estas condiciones de entrada se dibujo al eslabón en su posición inicial y final.
b) Después se le dio una longitud de igual magnitud que la del eslabón 2 (del mecanismo anterior)
c) Una vez hecho esto se unió con una línea recta (eslabón 3) el punto final del eslabón 2 (de entrada) con el eslabón 2 (de entrada) del primer mecanismo.
d) De esta formase obtuvo un mecanismo de 4 barras de paralelogramo. e) Se verifica si cumple con las condiciones de Grashof. (ver Figura 3-21)
Figura 3-21. Se muestra la síntesis dimensional de los dos eslabonamientos que serán activados por el
ejercicio de remo por parte del usuario que terminara en la rotación de la vuelta de la polea principal
Para corroborar las dimensiones propuestas por el método grafico, se auxilio de un
programa analítico de la pagina Web (http://iel.ucdavis.edu/design/fourbar/). Este programa
utiliza como respaldo conceptual el análisis algebraico de posición de mecanismos
descritos en el libro de diseño de maquinaria de Robert L. Norton.19 Para tener un análisis
de las trayectorias descritas por estos eslabones así como los movimientos que realizan se
auxilió del programa de la pagina Web y se hizo la comprobación para verificar si las
dimensiones propuestas para los eslabones satisfacían las condiciones de Grashof.
Para el mecanismo double cranck, en su posición de 60º, se obtuvo, de acuerdo a las
longitudes de los eslabones y la manera de conectarlos, un eslabonamiento de tipo doble-
rotatorio de tipo paralelogramo (ver anexo 2).
Para su posición límite 2, a 147°, se obtuvo de acuerdo a las longitudes de los eslabones y
la manera de conectarlos, un eslabonamiento de tipo doble rotatorio de tipo
paralelogramo (ver anexo 2).
Para el mecanismo, balancín-rotatorio, en su posición límite 1, a 147°, se obtuvo un
eslabonamiento balancín-rotatorio con una característica de salida de 360 grados de
rotación. (ver anexo 2). Esta rotación representa el movimiento de la polea la cual girara
completamente.
Para el mecanismo, balancín rotatorio, en su posición limite 2, a 60°, se obtuvo un
eslabonamiento de balancín-rotatorio, con una característica de salida de 360 grados de
rotación (ver anexo 2). Esta rotación representa el movimiento de la polea la cual girara
completamente.
De acuerdo a literatura el ángulo de transmisión (ver capitulo 1 sección 1.3.3) en las
maquinas debe estar por encima de 40º 19, en función de las dimensiones de los eslabones
propuestos de acuerdo al programa de la página Web
(http://iel.ucdavis.edu/design/fourbar/)(Ver anexo 2), los ángulos de transmisión fueron:
Para el mecanismo doble-rotatorio en su posición 1 de 60º, se obtuvo un valor de 56°, por
lo que cumple con el valor establecido en bibliografía. Para el mecanismo doble-rotatorio
en su posición 2 de 147º, se obtuvo un ángulo de transmisión de 148°, por lo cual cumple
con el valor establecido en la bibliografía. Para los dos casos, el ángulo de transmisión es
mayor a los 40º recomendados. Por lo tanto, el eslabonamiento cumple con el requisito de
diseño.
Para el mecanismo balancín-rotatorio en su posición inicial de 147º se tiene que el
programa proporciona la siguiente respuesta:
“Your four bar transmission analysis has not been performed because: INPUTED
THETA IS NOT WITHIN THE LIMITS OF THE FOURBAR.Try again.”. Esto se debe a
que en esta posición la barra 3 se alinea con la barra 4.
Para el mecanismo balancín-rotatorio en su posición final de 60º se tiene que:
“Your four bar transmission analysis has not been performed because: INPUTED
THETA IS NOT WITHIN THE LIMITS OF THE FOURBAR.Try again.”. Esto se debe a
que en esta posición la barra 3 se alinea con la barra 4.
3.3.3.2 Análisis de velocidad
El análisis de velocidad para el mecanismo de doble rotatorio (double cranck),
suponiendo un avance del remo de 1 remada/4 s y como el remo es paralelo al eslabón 1
del mecanismo (87°/2s) entonces se tiene:
Que la velocidad angular del acoplador ω3 es igual a cero, es decir, por tratarse de un
mecanismo de paralelogramo, la barra 3 solamente se desplazara sobre el eje horizontal
sin tener giro, y la velocidad del eslabón 4 será la misma que el eslabón 2 que es de 22.5
grados/segundo. Este dato servirá como dato de entrada para el mecanismo 2 (oscilatorio-
rotatorio). (VER ANEXO 2).
Para el balancín-rotatorio, en su primera posición, a 60°: la barra 3 girara a 34 ° por
segundo mientras que el eslabón 4, en este caso la polea, girara 180 grados por segundo,
es decir en 2 segundos dará una revolución completa por lo que en 4 segundos dará dos
revoluciones. Para el mecanismo 2 en su posición a 147°.
3.3.3.3 Diseño ergonómico del remo
La altura de los remos se determino por antropometría para diferentes alturas. La altura
mínima fue determinada por la dimensión Alto del codo al asiento (8F) + Altura de
poplíteo (2F) (ver capitulo 2). De acuerdo a esta dimensión se tuvo que para la mujer era
igual a: 9 in +16.2 in = 22.8 cm + 41.1 cm = 63.9cm ≈ 64 cm; y para el hombre era igual
a: 9 in + 17.2 in =22.8 cm + 43.6 cm = 66. 4 cm ≈ 66.4 cm. Se tomo como limite inferior
la dimensión para la mujer y el limite superior como el hombre, para fines prácticos los
remos se diseñaron con una altura fija de aproximadamente 70 cm (ver Figura 3-22),
aunque si se quisieran nivelar alturas, se rediseñarían.
Figura 3-22 Vista lateral del ejercitador donde se aprecia la longitud máxima del Remo es de 70 cm
La salida de los brazos del remo fuera de la banca estará determinado por la dimensión
antropométrica 3D, el ancho de los hombros, (ver Tabla 1-5) Para las mujeres = 16.4 in =
41.6 cm ≈ 42 cm; y para los hombres = 17.9 in ≈ 45.5 cm. Dando un margen de 10 cm
por costado, y considerando el ancho entre el cual se deben encontrar los brazos del
remo como los del hombre, la distancia será: 45.5 cm + 20 cm = 65.5 cm
Aunque esta debería ser la medida, se tomo como base la medida del ancho de la persona
cuando se encuentra en sentada ya que de acuerdo al dimensionamiento del asiento esta
no deberá impedir el movimiento vaivén de los remos (ver Figura 3-23), esto es, la
dimensión antropométrica ancho de cadera (4D) que para mujeres es igual a: 15 in = 38.
1 cm y para hombres: 13.4 in = 34.06 cm
Figura 3-23 Vista superior del ejercitador donde se muestra la dimensión de 50 cm que tendrán de
separación los brazos del remo
Figura 3-24 Vista isométrica del ejercitador
3.3.4 El sistema de pedales
El sistema de pedales requerido es un comercial, la única adaptación que se le hizo es
acerca de la longitud de los brazos salientes del eje de la polea para evitar el no giro. La
Figura 3-25 muestra el ejercitador con el sistema de pedales. El sistema de pedales sirve
tanto para pies como para las manos.
Figura 3-25. Vista isométrica del mecanismo con el sistema de pedales
3.3.5 Transmisión
La forma para transmitir la potencia mecánica de la polea principal (dispositivo rotatorio)
al eje de salida se empleo el mecanismo de transmisión de poleas y bandas. Se escogió
esta solución ya que las trasmisiones de banda son relativamente silenciosas, no requieren
lubricación y son de bajo costo comparadas con las transmisiones de engranes y cadena 1.
Además de que los cálculos implicados para la selección de poleas y bandas pueden
considerarse triviales en comparación con otros mecanismos como las levas o
mecanismos articulados. Se seleccionaron bandas sincrónicas ya que las principales
desventajas del mecanismo de impulsión de cilindros rodantes (o de banda lisa) son la
capacidad de par de torsión relativamente baja y la posibilidad de deslizamiento, en
cambio las bandas sincrónicas (temporizadas) resuelve el problema del ajuste porque
evita el deslizamiento al mismo tiempo que conserva algunas de las ventajas de la banda
en V y cuesta menos que los engranes y cadenas. Su eficiencia de transmisión es del 98%
y permanece a ese nivel con el uso. La Tabla 3-2 muestra la comparación entre bandas y
cadenas para la transmisión de potencia y movimiento.
Tabla 3-2. Comparación de características entre dispositivos mecánicos para la transmisión de
potencia.1
Tipo de transmisión
Eficiencia de transmisión
Costo Mantenimiento Desventajas
Bandas En V = 95 a 98% y disminuye por uso hasta un 93%.
Sincrónicas = 98%
En V menos costosas que las sincrónicas
Sincrónica mas costosas que las V
Relativamente continuo por el desgaste que sufren incrementando con esto el deslizamiento
De mayor duración que las bandas en V
En V: No existe una relación de velocidad exacta ni constante.
Existe deslizamiento.
Más ruidosas que las bandas en V
Cadenas ------------ Mas costoso que bandas sincrónicas (excepto si los ejes de entrada y salida están muy separados entre si)
Relativamente poco La acción de cuerda que causa variación u oscilación en la velocidad de salida
3.3.5.1 Selección de la banda
Sección de banda.
Partiendo de que la potencia generada por la polea principal no será mayor a 0.1 hp. (El
factor de servicio fue tomado igual a 1) y considerando una relación de 4 a 1 en las
poleas, además de que las rpm logradas en la polea principal son en promedio de 70 rpm,
la velocidad máxima alcanzada en la polea menor seria de 280 rpm., se consultaron las
tablas contenidas en DODGE ENGINNERING CATALOG Vol. 1.1, en la sección D9-1.
las cuales sirven para determinar la sección de la banda... De acuerdo a la tabla 21 se
obtuvo que: la sección de la banda es L.
Con la distancia entre centros igual a 50 cm (19.68 in). La figura muestra la distancia
entre centros la cual se determino con la posición del ejercitador en el ejercicio de
“bicicleta inversa”. (Ver Figura 3-26).
Figura 3-26 Vista lateral donde se aprecia la longitud entre centros considerada para la selección de
la banda
Ahora con la razón de velocidades igual 4, se consultan las tablas de selección del mismo
catalogo en su sección D9-14. Existían 3 opciones pero se utilizo la combinación de No.
De dientes igual a 18 L con un diámetro igual a 2.149 in y 72 L con 8.594 in
respectivamente.
La longitud entre centros cercana a 19.68 in seria la de 18.29 in (46.43 cm) con 540L.
Para determinar el ancho de la banda, con la velocidad máxima de 280 rpm (se tomo
como 300 rpm) y con la característica 18 L se consultaron las tablas D9-29 del manual.
Y se obtuvo un factor de 0.28. Dividiendo la potencia entre este factor se obtuvo:
0.1 hp/ 0.28 = 0.3571
El cual es el factor de ancho de la banda. . Con este factor se determina que el ancho de la
banda recomendada es de 7/16 in (1.1 cm).
Longitud de la banda
Para seleccionar la longitud de la banda se necesita la ecuación:
L = √4C2 – (D-d)2 + ½ (DӨL + dӨs)
Donde
Өs = п – 2 sen-1 ( D –d/2C)
ӨL = п + 2 sen-1 (D –d/2C)
Siendo:
D = 8.594 in
d = 2.149 in
C = 18.29 in
Se tiene entonces que:
Өs = -17.154 in
ӨL = 23.432 in
Por lo tanto L es igual a: 118.27 in
Capítulo 4 Análisis de los resultados
4.1 Análisis energético para aplicaciones potenciales
Supongamos una familia promedio de 4 miembros: El padre, la madre y dos hijos o hijas
o una hija o un hijo cuyos hábitos en cuanto a su actividad física es moderada (Tabla
1-1). Si los 4 miembros de la familia hicieran bicicleta estacionaria con una duración del
ejercicio de aproximadamente 35 min., para cada uno, según la Tabla 1-3 cada uno de
ellos tendría un gasto energético de 286 Kcal. lo que equivale a 0.3328 kWatt-h. Así que
en un día de ejercicio por parte de la familia ellos gastaran:
(0,3328 kWatt-h /miembro de la familia) (4 miembros de la familia) = 1.3312 kWatt-h
Si el ejercicio lo hacen con una frecuencia de 16 veces al mes, entonces el total de kWatt-
h sería:
(1.3312 kWatt-h/día) (16 días/mes) = 21.299 kWatt-h
Con esta cantidad de energía esta familia puede satisfacer, según la Tabla 1-2.
El uso de focos fluorescentes por todo el mes; TV a color de 17 pulgadas, videocasete
era-DVD, licuadora a alta potencia por todo un mes; estereo y TV a color de 17 pulgadas
por todo un mes.
Ahora se verá cuanta energía podrá ser entregada por una persona para el sistema de
remo y bicicleta que se han diseñado, considerando las dimensiones reales.
4.2 Calculo de potencia entregada por remo
Para determinar la potencia entregada por el remo, se necesitaban saber tres variables. La
primera de ellas era la fuerza que una persona común podría suministrar al remo, la
segunda seria con que frecuencia una persona común llevaría a cabo un ciclo de remada y
por ultimo cual seria el tiempo que la persona podría mantener a el ejercicio.
Para saber que fuerza puede una persona “común” aplicar a un remo, se tomo la decisión
de visitar un gimnasio. La maquina seleccionada para determinar este dato se muestra en
la Figura 4-1
Figura 4-1 Maquina ejercitadora donde se midió la fuerza que una persona puede aplicar a una
remadora.
Se utilizaron dos personas para llevar a cabo la prueba. Las características físicas de estas
dos personas e muestran en la Tabla 4-1.
Tabla 4-1 Características físicas de los usuarios
SUJETO ESTATURA PESO EDAD
1 1.74 m 77 Kg 20 años
2 1.70m 73 kg 28 años
ATLETA 1.93m 89.6 kg --------
El sujeto 1 trabajo con un peso de 10 kg. La frecuencia con la que realizó la remada fue
de 4 s, es decir 15 remadas/minuto. Este ultimo dato fue aceptable, ya que en bibliografía
se encontró que los atletas o personas que se dedican a practicar este deporte, realizan
hasta 28 remadas/minuto 27, por lo que se esperaba que una persona común realizara la
mitad de lo que realiza un atleta. El sujeto 1 realizó el ejercicio a lo largo de 12 minutos.
(Ver Figura 4-2)
Figura 4-2 Sujeto 1 trabajando en la maquina ejercitadora
El sujeto 2 trabajó con un peso de 20 kg. La frecuencia con la que realizo la remada fue
la misma que la del sujeto 1 (15 remadas por minuto). El sujeto 2 realizo el ejercicio a lo
largo de 10 minutos. (Ver Figura 4-3).
Las poleas utilizadas en la maquina son fijas, sirviendo solo como guía, por lo que la
tensión en el cable es igual a la fuerza utilizada por el sujeto (una sola polea no aumenta
la fuerza) por lo que, la fuerza que utilizo el sujeto 1 fue de:
F = 10 kgf = 98.1 N
Y La fuerza que utilizo el sujeto 2 fue de:
F = 20 kgf = 196.2 N
Figura 4-3 Sujeto 2 trabajando en la maquina ejercitadora
Esta fuerza fue útil para determinar la potencia del remo. La potencia esta definida
como:
P = Fωr ……………………………………………………. (1)
Donde P es la potencia en watts
F es la fuerza aplicada (en Newton)
ω es la velocidad angular (en rad/s)
r es el brazo de palanca (en metros)
El brazo de palanca del remo tiene una longitud aproximada de 0.69m. La frecuencia con
la que se ejecutó el ejercicio fue de 15 remadas/minuto. Convirtiendo esta medición en
velocidad angular es igual a 0.785 rad/s y utilizando (1) se obtuvo que la potencia por el
sujeto 1 era igual a:
P = (98.1 N) ( 0.785 rad/s) (0.69 m) = 53.7 watts
y para el sujeto 2 era igual a:
P = 107.5 watts
Calculo de potencia para el sujeto 3
Un atleta es capaz de dar un promedio de fuerza/kg de 4.40 N, 28, 29. Así que la fuerza
que un atleta pude determinar es de:
F = 4.40 N/kg (89.6 kg) = 394.24 N
La frecuencia con la que un atleta rema es de 28 remadas/minuto. Por lo tanto, la potencia
que puede dar el atleta es de 431.98 watts.
4.3 Cálculo de potencia entregada por bicicleta y bicicleta inversa
Para determinar la fuerza ejercida por el usuario en el pedal, se auxilio de un programa
de cálculo para el ciclismo, donde además de la fuerza se pudo determinar la potencia
generada. En el anexo 3, se da un ejemplo de calculo para un ciclista promedio y los
datos que fueron obtenidos para este ejercitador. En este programa se consideran los
siguientes factores: Area frontal, coeficiente de frenado, densidad del aire, peso de la
persona, resistencia al rodaje, pendiente, velocidad de pedaleo, longitud del brazo del
pedal, rango efectivo de pedaleo. Para estimar la potencia en el mecanismo diseñado
tanto de bicicleta como de bicicleta inversa, se consideró que como no hay
desplazamiento global real, el área frontal, el coeficiente de frenado, se pueden
considerar cero y no tienen efecto en la potencia obtenida.
En el caso de un ciclista profesional se obtiene una potencia de 278.5 Watts (ver anexo
3). La potencia necesaria en función de la velocidad para este ciclista se muestra en la
Figura 4-4. A medida que la velocidad aumenta, los factores relacionados con la fricción
del aire y aumento en la superficie efectiva de rodamiento hacen que la potencia
requerida tenga un comportamiento exponencial.
Figura 4-4. Potencia necesaria en función de la velocidad para un ciclista profesional.
En el caso de bicicleta fija para un usuario promedio, considerando un velocidad
estimada por nosotros experimentalmente de un promedio entre 60 a 70 rpm durante 30
minutos, un peso de 75 kg y un coeficiente de rodaje equivalente de 0.004 y una
pendiente de 0.03(en nuestro caso, esto dependerá del dispositivo conectado a la flecha
de salida), y considerando los demás parámetros iguales al ciclista profesional se obtuvo
una potencia de 125 Watts.
En el caso de la bicicleta inversa se consideró un parámetro de resistencia al rodaje
menor y una velocidad de pedaleo de 0.98, lo cual nos generó una potencia de 70.6
Watts.
En general, los valores obtenidos por los tres ejercicios, son adecuados para que si el
mecanismo fuera conectado a un generador eléctrico conectado a una batería, se obtenga
una carga útil para alimentar dispositivos caseros de bajo consumo como la electrónica
portátil e iluminación basada en lámparas de bajo consumo. En un trabajo relacionado
con éste y parte del proyecto global de la red de gestion de energía, se logró cargar de un
40% a un 100%, una batería de capacidad de 115 Ah en un lapso de 2hrs, aplicando una
potencia promedio de 30Watts que es un valor del mismo orden que los calculados en
estas secciones.
Capítulo 5 Conclusión y perspectivas del trabajo
5.1 Conclusión
La maquina perfecta no existe, y esta no es la excepción. Sin embargo, el alcance de los
objetivos se ha cumplido. La maquina ha englobado los principales ejercicios (remo y
bicicleta), según expertos en acondicionamiento y salud, además de ofrecer un tercer
ejercicio desarrollable en ella (la bicicleta “inversa”) siempre motivados en la gente que
no es capaz de realizar ejercicios fatigantes.
La aportación de la maquina radica en dirigir todos los movimientos de los mecanismos a
una flecha de salida, de acuerdo a la siguiente descripción:
Remadora: El remo es accionado por los brazos del usuario. El movimiento del remo
hace girar un eje sujeto por dos chumaceras; el giro del eje mueve el eslabón 2 del primer
mecanismo de 4 barras doble rotatorio; como el mecanismo es de paralelogramo, el
mismo movimiento de vaivén del eslabón 2 es el mismo para el eslabón 4 o de salida.
Este ultimo eslabón pasa a ser parte del eslabón de entrada para el mecanismo 2. Este
mecanismo de 4 barras se clasifica como oscilatorio-rotatorio, así que el eslabón 2 mueve
a su vez al acoplador el cual esta conectado al eslabón 4 o de salida y dadas las
características de este mecanismo, el eslabón 4 da movimiento giratorio. Este
movimiento giratorio dado por el eslabón 4 o de salida (polea), puede transmitir el
movimiento giratorio por medio del sistema de banda-polea. La polea de salida da
movimiento giratorio al eje de salida sobre el cual gira este último.
Bicicleta fija: La polea principal es accionada por las piernas y pies del usuario. Por
medio de un sistema de pedales. Este movimiento puede transmitirse a otra polea por
medio del sistema de banda-polea. La polea de salida dará movimiento giratorio al eje de
salida sobre el cual gira este último.
Bicicleta inversa: La polea principal será accionada por los brazos y manos del usuario.
Por medio de un sistema de pedales. Este movimiento podrá transmitirse a otra polea por
medio del sistema de banda-polea. La polea de salida da movimiento giratorio al eje de
salida sobre el cual gira este último.
La máquina desarrollada es ajustable en tamaño y espacio en relación al usuario con la
finalidad de reducir los efectos de la gravedad y la postura en la circulación sanguínea de
éste, constituida por un montaje de partes ajustables que no requieren herramientas
especiales para su instalación. El diseño de forma es único y rompe con los
convencionalismos de las maquinas remadoras, buscándose un diseño, el más sencillo, y
que ha cumplido con el objetivo propuesto inicialmente.
Los valores obtenidos de potencia mecánica suministrada por los usuarios del
mecanismo, son adecuados para hacer funcionar un generador eléctrico diseñado ex
profeso para ser acoplado al mecanismo. Una familia promedio utilizando el mecanismo
durante 2 horas, genera energía suficiente para cargar en un 60% una batería de 115AH.
Consideramos que este trabajo es original en términos de este enfoque, en función de la
revisión extensiva de las fuentes de información.
5.2 Perspectivas del trabajo
Desde un punto de vista mecánico, la maquina remadora debe ser mejorada ya que el
mecanismo, propuesto en esta maquina ejercitadora, para el movimiento de la polea
principal y quitar los eslabonamientos y ser cambiado por un mecanismo de cadena. A
esta flecha de salida se le podrá acoplar un generador eléctrico y crear electricidad de una
manera limpia y con energía renovable, lo cual fue una de las principales motivaciones
del presente trabajo, sin llegar a considerarse competencia o reemplazo de las fuentes
convencionales, y acabar con los problemas energéticos del país o de nuestro hogar.
En cuanto a funcionalidad, las maquinas ejercitadoras seguirán siendo fuentes de
potencia razonable para diferentes actividades. Este trabajo, originalmente fue pensado en
dar movimiento rotatorio a un eje de salida al cual estaría conectado un generador
eléctrico con el fin de recargar algunos dispositivos de bajo consumo eléctrico. Sin
embargo, así como esta aplicación podrían derivarse algunas más.
El crear electricidad no es el único beneficio, también ese posible dar movimiento a otros
dispositivos como por ejemplo, un ventilador, el cual refresque al usuario y este pueda
disipar su calor mas rápido y evitar el cansancio y fatiga.25
Otro ejemplo, investigaciones recientes enfatizan en la importancia del enfriamiento del
cuerpo mientras se realiza un ejercicio. En una de estas investigaciones hechas a ciclistas
profesionales, se dice que en una carrera normal de una hora aproximadamente de
duración, la potencia promedio de salida de los ciclistas es de 373 watt, mientras que en
una bicicleta estacionaria solamente son capaces de sostener este nivel a lo mucho en 15
minutos.25 Así que el movimiento de salida podría estar conectado a un sistema de
ventilación, el cual, no necesita de mucha potencia para hacerlo funcionar.
Además de aplicaciones rurales donde se puede generar electricidad a escalas pequeñas
hasta poder adaptarle un pulidor de piedra para trabajos artesanales, o con aplicación
industrial, en especial pequeña industria, para poder adaptarles sistema de pelador de
papas o extractor de jugos de fruta y que decir de su aplicación en las granjas donde por
medio del movimiento de pedales se puede dar movimiento a un sistema de bombeo de
agua,24 o en aplicaciones como desgranadoras de maíz.30
Por ultimo, con el mecanismo ejercitador propuesto en este trabajo, se podrán llegar a
hacer estudios de demandas fisiológicas o de mecanismos de fatigas en los ejercicios
hechos por los usuarios, experimentando en este campo nuevo de investigación para el
desarrollo de maquinas para hacer ejercicio y que puedan ofrecer un extra que las
“convencionales” no tienen.28
Espero este trabajo sirva como fuente de inspiración para el desarrollo tecnológico de
este tipo de dispositivos, contribuyendo al cambio de paradigmas relativos a las energías
renovables, el cuidado del medio ambiente y la calidad de vida.
Referencias 1 M.F. Spotts, Diseño de elementos de maquinas., 7ma ed. (1992).
2 Oswaldo Ruiz Sarabia Víctor Hugo De Lucio Ávila, (CONADE, Mexico, 2005), Vol. 2007.
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5 pure energy systems, (), Vol. 2007.
6 EDGAR LOPATEGUI CORSINO, (Universidad Interamericana de PR - Metro, División de Educ. Dept. de Educación Física, San Juan, PR, 2000).
7 Fenicchia, Kanaley and Azevedo et al., "Influence of resistance exercise training on glucose control in women with type 2 diabetes," Metabolism 53 (3), 284-289 (2004).
8 I-MIN LEE WILLIAM L. HASKELL, RUSSELL R. PATE, KENNETH E. POWELL, STEVEN N. BLAIR,BARRY A. FRANKLIN, CAROLINE A. MACERA, GREGORY W. HEATH, PAUL D. THOMPSON, ADRIAN BAUMAN, "Physical Activity and Public Health: Updated," MEDICINE & SCIENCE IN SPORTS & EXERCISE 39 (8), 1423-1434 (2007).
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10 Secretaria de energía, (2005), Vol. 2007.
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12 Inc. PES Network, (), Vol. 2007.
13 Finley, Jr., Karakura and Nbogni, "Survey of intelligent building concepts," Communications Magazine, IEEE 29 (4 SN - 0163-6804), 18-23 (1991).
14 MacConnell and Owens, "“Intelligent” fuzzy regulation of residential buildings," Control, 1994. Control '94. Volume 2., International Conference on 2 ( SN -), 1379-1384 (1994).
15 ZhengChun Mo, "Intelligent buildings and intelligent agents - a human-centered framework for building controls," SICE 2002. Proceedings of the 41st SICE Annual Conference 5 ( SN -), 3151-3156 (2002).
16 Zupancic, Skrjanc and Krainer et al., "Harmonization of thermal and daylight flows with modelling, simulation and control system design in buildings," Information Technology Interfaces, 2004. 26th International Conference on 1 ( SN -), 579-584 (2004).
17 Mark- TieleWestra-Simon Kuyvenhoven, (FOM- institute for Plasma physics, Rijnhuizen, the Netherlands, 2002).
18 Joseph F. Shigley, Diseño en Ingenieria Mecanica., 6ta ed. (2001).
19 Robert L. Norton, Diseño de maquinaria: Una introducción a la síntesis y al análisis de mecanismos y máquinas., 3ra ed. (2006).
20 Programa de Salud Laboral Western Region Universities Consortium (WRUC), (Universidad de California, Berkeley, ).
21 AAA andBurt Rutan, (Oregon, 2005), Vol. 2007.
22 Eugene T. Rowe, United States Patent No. 4,612,447 (1983/09/07).
23 Raffo, GB) David M. (Chester, Purvis and NZ) Grant David (Miramar 6003, United States Patent No. 6,071,215 (1998/02/18).
24 Narendra Shah, in Update (Industrial research & Consultancy Centre, 2005), Vol. 1. pp. 17-18.
25 Ben Wichers Schreur, "The Ventilation of Streamlined Human Powered Vehicles," Human power ejournal 1 (1), 2 (2004).
26 INSTITUTO DENORMALIZACION PREVISIONAL, (INACAP Capacitación, Santiago, Chile, 2006), Vol. 2007.
27 Soper, Hume and Y1 - 2004/// et al., "Towards an ideal rowing technique for performance : the contributions from biomechanics," Sports Medicine (Auckland, N.Z.) 34 (12 N2 - At internat), 825-848 ().
28 Mark Glaister, "Multiple Sprint Work: Physiological Responses, Mechanisms of Fatigue and the Influence of Aerobic Fitness. JO - Sports Medicine," Sports Medicine J1 - Sports Medicine 35 (9), 757-777 (2005).
29 Secher, Y1 - 1993/01// and N1 - Accession Number: 8426942 Language: English. Date Revised: 20051116. Date Created: 19930301. Date Completed: 19930301. Update Code: 20061223. Publication Type: Journal Article et al.,
"Physiological and biomechanical aspects of rowing. Implications for training," Sports Medicine (Auckland, N.Z.) 15 (1 N2 - The drag for), 24-42 ().
30 Nkakini, Ayotamuno and Maeba et al., "Manually-powered continuous-flow maize-sheller," Applied Energy 84 (12), 1175-1186 (2007).
Presentaciones en congresos con articulo en extenso
1. Producción de Energía Eléctrica Limpia y Renovable Mediante un
Ejercitador Físico Multifuncional. 1er Congreso Nacional de Energías
Alternativas, Querétaro, Qro. Julio 2-4, 2007.
2. Diseño y Construcción de un Ejercitador Multifuncional con Generador
Eléctrico. Encuentro de Investigación en Ingeniería Eléctrica. Zacatecas,
Zac., Marzo 28-30, 2007.
3. Diseño de Ejercitador Multifuncional que Mediante el Ejercicio Humano
Acumula Energía Eléctrica en Batería. 9° Congreso Nacional de Ingeniería
Electromecánica y de Sistemas, México, D.F. Noviembre 13-17, 2006.
ANEXO 1. Dibujos de detalle
ANEXO 2. RESULTADOS DADOS POR PROGRAMA PARA
VERIFICAR LA CONSTRUCCION DE LOS MECANISMOS
HECHOS DE MANERA GEOMETRICA
Fourbar Position Analysis Results:
Fourbar Parameters: r1 = 0.302, r2 = 0.150, r3 = 0.302, r4 = 0.150; theta1 = 0.070 radians (4.00 degrees); rp = 0.000, beta = 0.000 radians (0.00 degrees); theta2 = 1.047 radians (60.00 degrees)
Linkage type: Crank-Crank Input Characteristics: Parallelogram Output Characteristics: Parallelogram
Circuit 1: (positions) theta3 = 0.070 radians (4.00 degrees) theta4 = 1.047 radians (60.00 degrees) Coupler Point: Px = 0.075, Py = 0.130 Circuit 2: (positions) theta3 = -0.967 radians (-55.38 degrees) theta4 = -1.944 radians (-111.38 degrees) Coupler Point: Px = 0.075, Py = 0.130
Fourbar Position Analysis Results:
Fourbar Parameters: r1 = 0.302, r2 = 0.150, r3 = 0.302, r4 = 0.150; theta1 = 0.070 radians (4.00 degrees); rp = 0.000, beta = 0.000 radians (0.00 degrees); theta2 = 2.566 radians (147.00 degrees)
Linkage type: Crank-Crank Input Characteristics: Parallelogram Output Characteristics: Parallelogram
Circuit 1: (positions) theta3 = 0.070 radians (4.00 degrees) theta4 = 2.566 radians (147.00 degrees)
Coupler Point: Px = -0.126, Py = 0.082 Circuit 2: (positions) theta3 = -0.352 radians (-20.16 degrees) theta4 = -2.848 radians (-163.16 degrees) Coupler Point: Px = -0.126, Py = 0.082
Para el mecanismo rocker-crank en su posición 1 a 147 °:
Fourbar Position Analysis Results:
Fourbar Parameters: r1 = 0.494, r2 = 0.150, r3 = 0.481, r4 = 0.103; theta1 = 0.454 radians (26.00 degrees); rp = 0.000, beta = 0.000 radians (0.00 degrees); theta2 = 2.566 radians (147.00 degrees)
Linkage type: Rocker-Crank Input Range: Circuit: 1 2 (deg) (deg) Lower limit: 59.45 -94.19 Upper limit: 146.19 -7.45 Output Characteristics: Output 360 degree rotation
Circuit 1: (positions) theta3 = nan radians (nan degrees) theta4 = nan radians (nan degrees) Coupler Point: Px = nan, Py = nan Circuit 2: (positions) theta3 = nan radians (nan degrees) theta4 = nan radians (nan degrees) Coupler Point: Px = nan, Py = nan
Fourbar Position Analysis Results:
Fourbar Parameters: r1 = 0.494, r2 = 0.150, r3 = 0.481, r4 = 0.103; theta1 = 0.454 radians (26.00 degrees); rp = 0.000, beta = 0.000 radians (0.00 degrees); theta2 = 1.047 radians (60.00 degrees)
Linkage type: Rocker-Crank Input Range: Circuit: 1 2 (deg) (deg) Lower limit: 59.45 -94.19
Upper limit: 146.19 -7.45 Output Characteristics: Output 360 degree rotation
Circuit 1: (positions) theta3 = 0.265 radians (15.18 degrees) theta4 = 0.391 radians (22.41 degrees) Coupler Point: Px = 0.075, Py = 0.130 Circuit 2: (positions) theta3 = 0.196 radians (11.25 degrees) theta4 = 0.070 radians (4.02 degrees) Coupler Point: Px = 0.075, Py = 0.130
Angulo de transmision
Fourbar Position Analysis Results:
Fourbar Parameters: r1 = 0.302, r2 = 0.150, r3 = 0.302, r4 = 0.150; theta1 = 0.070 radians (4.00 degrees); rp = 0.000, beta = 0.000 radians (0.00 degrees); theta2 = 1.047 radians (60.00 degrees)
Circuit 1: (Transmission Angle) gamma = 0.977 radians (56.00 degrees) Circuit 2: (Transmission Angle) gamma = 0.977 radians (56.00 degrees)
Para el mecanismo doble-rotatorio en su posicion 2, a 147°:
Fourbar Position Analysis Results:
Fourbar Parameters: r1 = 0.302, r2 = 0.150, r3 = 0.302, r4 = 0.150; theta1 = 0.070 radians (4.00 degrees); rp = 0.000, beta = 0.000 radians (0.00 degrees); theta2 = 2.566 radians (147.00 degrees)
Circuit 1: (Transmission Angle) gamma = 2.496 radians (143.00 degrees) Circuit 2: (Transmission Angle) gamma = 2.496 radians (143.00 degrees)
Análisis de resultados de velocidades
Fourbar Velocity Analysis Results:
Fourbar Parameters: r1 = 0.302, r2 = 0.150, r3 = 0.302, r4 = 0.150; theta1 = 0.070 radians (4.00 degrees); rp = 0.000, beta = 0.000 radians (0.00 degrees); theta2 = 2.566 radians (147.00 degrees) omega2 = 0.393 rad/sec (22.50 deg/sec)
Circuit 1: (velocities) omega3 = 0.000 rad/sec (0.00 deg/sec) omega4 = 0.393 rad/sec (22.50 deg/sec) Coupler Point: Vx = -0.032, Vy = -0.049 Circuit 2: (velocities) omega3 = 0.248 rad/sec (14.19 deg/sec) omega4 = -0.145 rad/sec (-8.31 deg/sec) Coupler Point: Vx = -0.032, Vy = -0.049 Para la segunda posición, a 60°:
Fourbar Velocity Analysis Results:
Fourbar Parameters: r1 = 0.302, r2 = 0.150, r3 = 0.302, r4 = 0.150; theta1 = 0.070 radians (4.00 degrees); rp = 0.000, beta = 0.000 radians (0.00 degrees); theta2 = 1.047 radians (60.00 degrees) omega2 = 0.393 rad/sec (22.50 deg/sec)
Circuit 1: (velocities) omega3 = -0.000 rad/sec (-0.00 deg/sec) omega4 = 0.393 rad/sec (22.50 deg/sec) Coupler Point: Vx = -0.051, Vy = 0.029
Circuit 2: (velocities) omega3 = -0.035 rad/sec (-2.02 deg/sec) omega4 = -0.428 rad/sec (-24.52 deg/sec) Coupler Point: Vx = -0.051, Vy = 0.029
Para el balancín-rotatorio. En su primera posición, a 60°
Fourbar Velocity Analysis Results:
Fourbar Parameters: r1 = 0.494, r2 = 0.150, r3 = 0.481, r4 = 0.103; theta1 = 0.454 radians (26.00 degrees); rp = 0.000, beta = 0.000 radians (0.00 degrees); theta2 = 1.047 radians (60.00 degrees) omega2 = 0.393 rad/sec (22.50 deg/sec)
Circuit 1: (velocities) omega3 = 0.593 rad/sec (33.99 deg/sec) omega4 = 3.202 rad/sec (183.44 deg/sec) Coupler Point: Vx = -0.051, Vy = 0.029 Circuit 2: (velocities) omega3 = -0.806 rad/sec (-46.19 deg/sec) omega4 = -3.415 rad/sec (-195.64 deg/sec) Coupler Point: Vx = -0.051, Vy = 0.029
ANEXO 3. Cálculos de potencia obtenida para bicicleta y bicicleta
inversa.
Forces On Rider
Ciclista
Bicicleta Bicicleta inversa
Frontal Area 0.50 0.00 0.00m2
Coefficient Wind Drag 0.50 0.00 0.00dimensionless
Air Density 1.226 0.000 0.000kg/m3
Weight 75.0 75.0 75.0kg
Coefficient of Rolling 0.004 0.004 0.004dimensionless
Grade 0.030 0.030 0.020decimal
Wind Resistance 9.8 0.0 0.0kg m/s2
Rolling Resistance 2.9 2.9 2.9kg m/s2
Slope Force 22.1 22.1 14.7kg m/s2
Cadence 100. 65. 55.rev/min
Crank Length 170. 170. 170.mm
Pedal Speed 1.78 1.16 0.98m/s
Average Pedal Force 156.5 108.1 72.1kg m/s2
Effective Pedaling Range 70. 70. 70.degree
Effective Pedal Force 402.3 277.9 185.4kg m/s2
Speed 8.00 5.00 4.00m/s
Power 278.5 125.0 70.6watts
