Ingrid Andersson & Johan Hedbrant, IEI, Institutionen för ekonomisk och industriell utveckling
Sammanfattning
En laboration har utvecklats där luftmotståndskoefficienten vid cykling be- stäms för olika sittställningar, kläder och hastigheter. Målet med laboration- en var att den skulle knyta an till studentens vardag, vara kul, intressant, innehålla praktiska moment och skapa ett intresse och nyfikenhet för teorin om luftmotståndskoefficient och dess inverkan på bl.a. cykling. Försöksut- rustningen består av en racercykel uppställd på en lättrörlig skiva framför en fläkt som alstrar ett luftflöde på cyklisten sittande på racercykeln och racer- cykeln. Till detta tillkommer mätutrustning och en strömningsriktare för att rikta och stabilisera luftflödet. En enkätundersökning gjord efter laboration- ens utförande visar på att studenterna tyckte att laborationen var kul, intres- sant, relevant och hade verklighetsanknytning. Att försöksutrustningen var i naturlig storlek och att de själva fick ingå i laborationen upplevdes positivt. Nyckelord: luftmotstånd, cykel, laboration
137
Inledning
Syftet med en laboration är i många fall att studenterna skall ges möjlighet att tillämpa den teori som ingår i kursen och visa på överensstämmelse mel- lan teori och praktik. Vissa laborationer kan, trots detta, upplevas som trå- kiga, oengagerade, abstrakta eller verklighetsfrämmande. Vi ville utveckla en ny laboration i syfte att göra laborationen rolig, engagerande, bättre knyta an teori och praktik, och för att teorin och fenomenen som visas med laborat- ionen ska nå fram till studenten. Den nya laborationen skulle öka studenter- nas lärande och viljan till att lära, och förutom dessa aspekter även gynna sociala aspekter i laborationens utförande, såsom samarbete, planering av hur laborationen ska utföras, oftast på minsta tid och med minsta arbete samt kommunikation både under laborationens utförande och i skrivandet av laborationsredogörelsen.
Studenter i Linköping brukar ofta cykla, varför valet av laborationens hu- vudkomponent blev en cykel. Denna ger möjlighet till en laboration som kny- ter an till studentens vardag samtidigt som kursens teori kan användas och tillämpas. Laborationen blir verklighetstrogen genom användingen av påtag- liga komponenter i naturlig storlek, samt att den kan utföras i grupp. Mät- ningarna blir handgripliga och kan på ett tydligt sätt avspegla fenomenen vid laborationen, men hur mätningarna ska genomföras får laborationsgruppen själv fundera ut.
Inledningsvis presenteras bakgrund och syfte med den nya laborationen, varefter laborationens försöksutrustning och utförande presenteras översikt- ligt. Den studentgrupp som utförde laborationen var blivande civilingenjörer i andra året på programmet för energi-miljö-management, EMM2. Efter att laborationen genomförts gjordes en enkätundersökning, och en samman- ställning av resultatet från denna presenteras i resultatavsnittet. Därefter följer ett avsnitt med en diskussion om fortsatt förbättring och utveckling av laborationen.
Bakgrund
En cykel är ett fantastiskt fortskaffningsmedel och träningsredskap. Vare sig cyklingen sker i förflyttningssyfte (för att komma i tid till föreläsningen) eller i träningssyfte (för att cykla Vätternrundan utan några större besvär), är det intressant att veta vad det är som gör att det ibland går fort och enkelt att cykla, och ibland är förenat med större ansträngning. Med bättre kunskap kan man cykla lättare och snabbare.
En viktig faktor i cykling är luftmotståndet, som oftast beskrivs med en till- hörande luftmotståndskoefficient. Laborationen utformades därför för att un- dersöka hur luftmotståndskoefficienten påverkas av olika sittställningar och
138
kläder vid olika hastigheter. En cykel med cyklist placeras framför en stor fläkt, där anblåsningshastigheten kan ändras. Genom att mäta bl.a. den kraft som luften orsakar på cykel och cyklist kan luftmotståndskoefficienten bestämmas. Försöksutrustningen skall vara i naturlig storlek, vilket gör att resultaten lät- tare kan relateras till studentens egen cykling.
Laborationshandledningen skulle utformas på ett sådant sätt att en nyfi- kenhet för det studerade fenomenet skapades. Den skulle skrivas lite mer om- fattande än en vanlig laborationshandledning för att ge en bakgrund till labo- rationen samt ge lite extra information till den intresserade, om bl.a. cykling.
Syfte
Syftet med laborationen var att den skulle vara relevant för den aktuella kur- sen, intressant och kul samt skapa en nyfikenhet om luftmotståndskoefficient och dess inverkan på cykling. En undersökning om hur luftmotståndskoeffici- enten påverkas av sittställning, kläder och hastighet, där studenterna själva är en del av laborationen, knyter an till deras vardag och bidrar till ett annat syfte nämligen att studenterna känner sig delaktiga i laborationen. Dessutom finns syftena att gruppen själv ska fundera ut hur mätningarna ska utföras, att de skall arbeta i grupp genom att gemensamt planera och fördela arbetet, samt att utifrån laborationens resultat skriva en rapport.
Försöksutrustning
Försöksutrustningen består av en racercykel, fläkt, strömningsriktare, ett trä- ningsstativ (trainer), rullskiva och tillhörande mätapparater. I figur 1 syns ra- cercykeln stående i träningsstativet framför fläkten med strömningsriktaren.
139
Figur 1. Racercykel stående i träningsstativ och fläkt med strömningsriktare men utan rullskiva.
Sammanfattningsvis består försöksutrustningen i huvudsak av följande: fläkt med tillhörande utrustning för att alstra olika lufthastigheter strömningsriktare
racercykel
ett träningsstativ (trainer)
rullskiva, som cykeln står på under laborationen
kraftmätare, en mätanordning för att mäta strömningsmotståndet (kraf- ten)med hjälp av en dynamometer
lufthastighetsmätare
Förutom denna utrustning till laborationen uppmanades teknologerna att ta med egen utrustning till laborationsförsöken. Förslag på egen utrustning var: egen cykel
tätt åtsittande kläder (cykelkläder) löst sittande kläder, t.ex. regnponcho sockar
cykelhjälm
140
Fläkten är av märket Akron och motorn har en effekt på 5,5 kW. Runt fläkt- propellern finns ett nät för att förhindra att något otillbörligt kommer in bland propellerbladen.
Luften från fläkten strömmar genom ett nät av kvadratiska rörkanaler för att stabilisera, rikta och samla ihop luftströmningen. Hastigheten på luft- strömningen mäts med hjälp av en handburen hastighetsmätare som en medlaborant håller framför cyklisten.
Styrningen av varvtalet hos fläktens propeller sker med hjälp av en reglerut- rustning (frekvensomriktare). Cykeln som används vid projektet kan vara vil- ken cykel som helst som studenterna har att tillgå t.ex. deras egen cykel. Det finns även en racercykel med några år på nacken (från 1980) att använda vid försöken.
I försöksuppställningen står racercykeln på träningsstativet som placeras framför fläkten med strömningsriktaren framför. För att racercykeln ska stå stabilt på rullskivan placeras den i träningsstativet. Racercykeln monterad med bakhjulet i träningsstativet stående på rullskivan framför strömnings- riktare visas i figur 2 nedan.
Figur 2. Racercykeln monterad med bakhjulet i träningsstativet stående på rull- skivan framför strömningsriktare.
I figur 3 visas hela försöksanläggningen. I figuren syns att luften från fläkten strömmar genom en strömningsriktare med smala fyrkantiga kanaler för att sedan träffa cyklisten. Luftens hastighet mäts efter strömningsriktaren. Cy- keln står placerad på en mätplattform, en rullskiva.
141 Figur 3. Försöksanläggningen.
Utförande
I laborationen ska strömningsmotståndskoefficienten, luftmotståndskoeffi- cienten CD bestämmas som funktion av lufthastigheten v för två olika kläds-
lar och två olika sittställningar. Finns intresse kan även puls, energi- och effektförbrukning bestämmas.
Strömningsmotståndskoefficienten bestäms genom sambandet: Strömningsmotståndskoefficient:
A
v
2
1
F
C
2 D D
Luftmotståndet (kraften) uppmätts med en kraftmätare, luftens densitet kan bestämmas från tabell eller med hjälp av ideala gaslagen, hastigheten be- stäms med en lufthastighetsmätare och arean bestäms som den största mot strömningen vinkelräta tvärsnittsarean hos den omströmmade kroppen, anströmningsarean, d.v.s. skuggarean. Hur kroppens anströmningsarea ska mätas måste laborationsgruppen själv fundera ut.
I laborationen används en dynamometer för kraftmätning. Dynamometern kan kopplas in på några olika sätt, t.ex. mellan den övre delen på rullskivan och den undre delen. Dessa delar kan röra sig i förhållande till varandra. Se figur 4.
142 Figur 4. Kraftmätning.
Bestämning av luftmotståndskoefficienten CD som funktion av lufthastighet-
en v∞ ska göras genom att mäta upp luftmotstånd, densitet och anström-
ningsarea vid hastigheterna 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45 och 50 km/h. Fyra mät- serier ska utföras. Luftmotståndskoefficienten CD som funktion av lufthas-
tigheten v∞ ska bestämmas för:
löst sittande kläder i upprätt sittställning och i racerställning. tätt åtsittande kläder i upprätt sittställning och i racerställning.
Resultat
Den första laborationen genomfördes under hösten 2010 av teknologer som går andra året på civilingenjörsutbildningen Energi- miljö- management (EMM). På kursen deltog 36 stycken teknologer. En utvärdering av laborat- ionen gjordes med en enkät, efter det att alla utfört laborationen. 30 studen- ter svarade på enkäten som dels bestod av kryssfrågor, där graderingen gick från instämmer inte alls till instämmer helt, dels av frågor med fritext. Resul- tatet av enkäten visade bl.a. att studenterna fick en ökad förståelse för teorin och de parametrar som påverkade laborationens resultat, att laborationen var rolig och var relevant för kursen; att laborationen var bra därför att den hade verklighetsanknytning och var enkel att genomföra. Studenterna tyckte också att det var roligt att man själv fick ingå i laborationen. Resultatet av laborat- ionen tyder på att studenter får en ökad förståelse och en vilja att lära sig om laborationen upplevs som rolig och verklighetsnära.
En sammanställning av resultatet av kryssfrågorna i enkäten ges i nedan- stående tabell.
143
Tabell 1. Kryssfrågorna med svar.
Diskussion och fortsatt arbete
Själva laborationen upplevdes av de medverkande studenterna som mycket positiv, trots en del upplevda mättekniska problem. Ett problem, som de allra flesta har kommenterat, är mätningen av lufthastigheten, som visade sig vara ojämnt fördelad. Lufthastigheten i centrum var väldigt låg, medan hastighet- en vid rotorbladen var hög, vilket fick till följd att lufthastigheten som träf- fade cyklisten inte var lika stor överallt. Den mot strömningen vinkelräta arean var inte på förhand angiven hur den skulle mätas, vilket gjorde att stu- denterna på ett kreativt sätt fick lösa detta.
Förutom de mättekniska problemen så kommenterade studenterna att det var för kallt. Dels var lokalen där laborationen utfördes relativt kall och dels var vädret utomhus vid tillfället kallt. Detta upplevdes speciellt besvärligt när försöken skulle utföra med tajta kläder.
I den fortsatta utvecklingen av laborationen kommer problemet med den snedfördelade lufthastigheten att försöka lösas, liksom lokalfrågan.
144