От чего зависит скорость велосипеда или как влияют аэроколеса на езду

Сэр Исаак Ньютон предложил свой второй закон движения почти 350 лет назад. Этот закон элегантно описывает поведение многих систем, включая велосипеды. Трудно спорить с аналитическими результатами этого уравнения. Наша цель — использовать закон Ньютона, чтобы продемонстрировать, какие переменные определяют характеристики колес и порядок их значимости. Кроме того, мы увидим, как колеса в целом влияют на общую производительность езды на велосипеде.

Ньютон объявил, что сумма всех сил в системе (F) равна ее массе (m), умноженной на ее ускорение (а), или:

F=ma

Несколько компаний предлагают устройства для измерения мощности, чтобы помочь вам оценить производительность езды на велосипеде. Мощность определяется как объем работы, выполненной в течение определенного периода времени, и она является более удобной переменной для количественной иллюстрации эффекта от параметров колес. Мы можем легко манипулировать законом Ньютона, чтобы включить эту переменную мощности всадника. Наше когда-то простое уравнение теперь становится:

1. Аэродинамическое сопротивление:
   • Гонщика, рамы, переднего колеса, заднего колеса
2. Силы инерции
   • Масса велосипеда и гонщика
   • Масса передних и задних колес и ее распределение (инерция колес)
3. Сопротивление качению
4. Общая масса системы
5. Давление в шинах и ширина шин
6. Гравитационные силы
7. Масса велосипеда и наездника, масса передних и задних колес
8. Другие факторы
   • Силы трения в трансмиссии
   • Изгиб компонентов

Детали этого уравнения здесь выходят за рамки, поэтому мы избавим вас от мучительной математики (см. Приложение A, если такие вещи приводят вас в замешательство). Перечисленные выше звездные переменные являются единственными, которые имеют значение при определении характеристик колеса. Тогда возникает вопрос, что является наиболее важным?

Очевидный ответ заключается в том, что гонщик нажимает на педали, что имеет наибольшее значение. Возможно, это не тот ответ, который вы искали, но замена колес не сделает вас другим Эдди Мерксом. Однако они могут немного помочь в следующей гонке.

На основе модели, разработанной в Приложении A, и данных, которые были собраны во время заездов (профили скорости и высоты), можно количественно оценить влияние, которое колеса оказывают на среднюю мощность, необходимую для завершения данной поездки / гонки. Рассмотрим следующие три примера заездов:

1. 6,5-часовая тренировочная поездка в одиночку со набором высоты 1200 м / 3940 футов (средняя скорость 31 км / ч / 19 миль / ч от Эль-Кахона, Калифорния, до Мехикали, Британская Колумбия, Мексика) См. Приложение B для более подробной информации.
2. Гористая часть вышеупомянутой тренировочной поездки (аналогично гору TT – средняя скорость 27 км / ч / 16,8 миль / ч) См. Приложение C
3. 11999 Гран-при Barrio Logan – 50-минутный критериум Pro 1,2 с перепадом высот 10 м на круге (средняя скорость 45 км / ч / 28 миль / ч – сидя в пакете) См. Приложение D

В этой модели мы варьировали массу колеса, инерцию колеса и аэродинамические переменные колеса, чтобы получить данные в следующей таблице:

Итак, что означают все эти цифры? Это означает, что при оценке характеристик колеса наиболее важна аэродинамика колеса, за которой следует масса колеса. Эффекты инерции колеса во всех случаях настолько малы, что они, возможно, незначительны.

Как может быть так, что силы инерции колеса почти ничтожны, когда в рекламе говорится, что инерция так важна? Проще говоря, силы инерции являются функцией ускорения. В велогонках это пиковое ускорение составляет примерно от 0,1 до 0,2 г, и обычно его можно увидеть, только начиная с начальной скорости 0 (см. Данные о критериальных гонках в Приложении D). Кроме того, разница в 0,3 кг / 0,66 фунта в колесах, даже если эта масса отсутствует на ободе, настолько мала по сравнению с массой вашего тела, что различия в инерции колес будут незаметны. Любая разница в ускорении из-за велосипедных колес, о которой заявляют ваши друзья, в первую очередь, связана с когнитивным диссонансом или эффектом плацебо (они заплатили много денег за колеса, поэтому должен быть некоторый ощутимый выигрыш).

В следующей таблице показано, как другие переменные в уравнении мощности влияют на общую производительность.

Видно, что аэродинамика гонщика доминирует в требованиях к мощности гоночных мотоциклов. Эффекты рамы и комбинированного колеса примерно эквивалентны, и интересно отметить, как в примерах изменения сопротивления качению влияют на изменения сопротивления качению.

Грубо говоря, средние требования к мощности водителя на трассе с нулевым приростом высоты разбиты на 60% сопротивления водителя, 8% сопротивления колеса, 8% сопротивления кадра, 12% сопротивления качению. 5% силы инерции колеса и 8% велосипеда / инерция всадника. Приведенный выше пример ТТ в гору представляет собой особый случай, когда аэродинамика и вес велосипеда / гонщика имеют почти равный вклад в мощность – где-то около 35% каждый с массой колеса, составляющей около 1%. Чем круче холм, тем важнее становится масса и тем меньше аэродинамика. Однако во всех случаях примерно 3% средней мощности не учитывается.

Потери в трансмиссии и изгибание велосипедных компонентов можно отнести к разному члену уравнения мощности. Даже если эти потери на изгиб незначительны по сравнению с требованиями к инерционной мощности колес, боковая жесткость / прогиб колес имеют место в анализе рабочих характеристик. Мои требования довольно просты: дорожные колеса не должны тереть тормозные колодки во время спринтов и подъема по седлу, при условии, что с каждой стороны имеется зазор 2 мм / 0,079 дюйма колодок / обода. Для справки, 2 мм – это зазор, когда ваши двойные поворотные тормоза открыты, но они все еще имеют достаточную мощность торможения.

Таким образом, на колеса приходится почти 10% от общей мощности, необходимой для гонок на велосипеде, и доминирующим фактором в производительности колес является аэродинамика. Масса колеса – это эффект второго порядка (почти в 10 раз менее существенный), а инерция колеса – эффект третьего порядка (почти в 100 раз менее значительный). Лучшие колеса с точки зрения производительности – это легкие, аэродинамические, не натирающие тормозные колодки и достаточно прочные, чтобы вы могли добраться до финиша. Проблема этих высокоэффективных колес заключается в том, что они жертвуют двумя другими ключевыми переменными, важными для выбора колес: долговечностью и ценой. Колеса с высокими эксплуатационными характеристиками не долговечны и не дешевы. Нет ничего проще, не так ли?

Оригинал статьи