Велосипедна аеродинаміка: не дозволяйте перетягуванню руйнувати ваші велосипедні характеристики

Незалежно від того, чи їдете ви на годиннику в хронометражі, чи змагаєтесь у етапі дистанції чи триатлоні на довгі дистанції, вам потрібно зрозуміти аеродинамічний опір, щоб перемогти його. Тренер з велоспорту Джо Бір пояснює все та представляє кілька захоплюючих знахідок щодо аеродинаміки на велосипеді, включаючи власні нещодавно зібрані дані.

Цей опір є результатом бурхливого сліду, який створює велосипедист, намагаючись витіснити повітря для руху вперед. При швидкості 20 миль в годину (32 км/год) вершник буде витісняти понад 1000 фунтів повітря за хвилину, і хвиля, яку він спричиняє, вимагає багато роботи для подолання (2). Аеродинамічне опору є для швидкісного велосипедиста тим, що будь-яка надмірна вага для альпініста - ворога.

Опір, що діє на мотоцикліста, викликається незначною мірою тертям повітря про поверхню рухомого предмета (людини та велосипеда). Більш важливим для велосипедистів є перенапруження під тиском, спричинене зоною низького тиску позаду предметів, які не є обтічними, і, таким чином, створює поділ повітря. Опір зростає із збільшенням квадрата швидкості; однак необхідна потужність зростає із збільшенням куба швидкості. Наприклад, нещодавні дані досліджень (3) показують, що для подорожі зі швидкістю 21 миль/год потрібно близько 190 Вт; однак, для швидкості на 4 милі на годину потрібні ще 110 Вт (3).

У таблиці 1 показано потужність, необхідну для їзди з різною швидкістю понад 40 км (24,8 милі). Ви бачите, що більша потужність дорівнює більшій швидкості. При швидкості в 19 миль на годину вам потрібно лише 7,2 Вт на кожну милю на годину; однак ця цифра зростає до приголомшливих 13,1 Вт при 30 милях на годину. Якщо ви хочете їхати швидко, вам потрібно багато сил! Повне пояснення аеродинаміки велосипедів див. У Wilson, DG (2004) Bicycling Science (3rd Ed) MIT Press, p173-205.

Побиття перетягування

Якщо ми визнаємо, що живемо в атмосфері, яка перешкоджає нашій здатності їздити все швидше, то знання про те, як вкрасти швидкість, обманюючи перетягування, є вартою метою. Ви не можете вимкнути перетягування; на відміну від сили тяжіння, яка вступає в дію, лише якщо ви наполегливо їдете в гору, перетягування завжди є більшою чи меншою мірою.

Оскільки велосипед відповідає за приблизно 30% аеродинамічного опору, а їздок значно більше 60%, очевидно, що людське тіло є об'єктом, на який слід націлити найбільше уваги (4). Існує безліч аеродинамічних рам, компонентів та коліс, які можуть впливати на швидкість при певній потужності. Однак правильне положення вершника може надати значно більшу швидкість.

Отже, для більшості мотоциклістів перше, що потрібно зробити, це відточити положення їзди до того, яке дозволяє виробляти потужність з мінімальним опором. Професійні гонщики проводять години у аеродинамічних трубах за великі кошти, щоб гарантувати, що кожен створений ват виробляє максимально можливу швидкість. Кріс Бордмен, колишній рекордсмен години і досі рекордсмен "абсолютної" години, зробив кар’єру із надзвичайно низького положення та трюкових компонентів, таких як бруски, вбудовані у вилки та гладкі аерошоломи.

Ключі до гарного аеродинамічного положення

Велосипед на час

Плоский тулуб, можливо, з сидінням, трохи висунутим вперед, щоб коліна могли піднятися, не вдаряючись про живіт/нижню частину грудної клітки;
Аерограми, що дозволяють передпліччя на відстані 15-20 см один від одного, під горизонтальним або злегка вниз кутом, надпліччя на 50-80 градусів;
Коліна, що підходять близько до поперечини рами і трохи позаду або трохи всередині області ліктя/трицепса надпліччя;
Положення голови, що дозволяє бачити вперед із будь-якими прогалинами за головою, заповненими аеродинамічним шоломом;
Обтягуючий шкіряний костюм, в ідеалі з повними в довжину руками та взуттям, прикритим щільним ботфортом.

Дорожній велосипед

Падіння брусків, що дозволяють низько підтягуватися для спуску, сольної їзди на зустрічний вітер і швидкої групової їзди;
Можливість низько заправити, з горизонтальними педалями на швидких спусках з мінімальним опором, але максимальною швидкістю без педалювання;
Необов’язкові міні-застібки на аерографах (Spinachi або подібні), що дозволяють вузьке положення рук (перевірте законність у вибраному виді спорту).

Зміна положення вершника з повного підтягування, на капоти, на вертикальну їзду демонструє поступове підвищення комфорту, але, на жаль, також підвищується і затримка. Найшвидші позиції рідко колись бувають зручними. Тим не менш, тягнеться аеродинамічним присіданням ніколи не повинно компрометувати потужність. Ваша швидкість є продуктом потужності проти опору; менше першого не корисно.

Адвокатські війни

Як частина швидшого випробування часу (TT) або положення дороги, більш вузькі озброєння, надані аерографами або затискачами, є, можливо, найбільш значним технологічним прогресом з моменту їх створення наприкінці 1980-х. Райхенбах та співавт. Випробовували елітних велосипедистів у різних положеннях на стандартних барах та аеробарах, і вони зробили абсолютну знахідку: хоча аеробари знизили ефективність їзди на велосипеді приблизно на 9 Вт, аеродинамічна економія на 100 Вт більше, ніж це компенсувало (5). Це підтверджується на практиці - аеробари при швидкому використанні роблять гонщиків швидшими. Інші дані свідчать про те, що під час польових випробувань споживання кисню зменшувалось за рахунок аеробарб у порівнянні зі стандартними барами (6).

Навіть примітивні мотоцикли на хронометражах з барами в стилі коров'ячий ріг 1990-х років дозволяють значно знизити споживання кисню на 7% при 25 милях на годину (1). Пам'ятайте, що при 32 км/год дві третини загальної потужності використовується для подолання опору повітря. Навіть змінивши свої штанги зі стандартних на крилоподібні аеробарви (наприклад, аеробар HED), ви можете зменшити час на 40 км приблизно на 40-70 секунд, залежно від швидкості вершника (7). Випробування аеродинамічної труби показують, що коли вершник піднімається із сідла і не втримується в хорошій позиції, всі інші потенційні аеродинамічні вигоди від вибору обладнання заперечуються.

Тактика катання

Після вашої позиції їзди та правильного вибору обладнання наступним найважливішим фактором аеродинамічної ефективності є те, як ви їдете. Існує величезне зменшення опору, якщо ви їдете позаду іншого гонщика, в упаковці або ловите протяг з машини, що проїжджає повз, або штурмана. Дані випробувань у 1990-х роках показали, що їзда на 30 см позаду іншого гонщика із швидкістю 20 миль/год зменшує опір приблизно на 20% - лише для того, щоб сісти за кермо (1). Це є причиною того, що претендентів на етапні перегони рідко бачать на фронті, поки це не має значення; вони дозволяють іншим гонщикам захищати їх, поки не потрібні їхні лазні, спринт або атакуючі ноги.

Тому техніка та тактика є життєво важливими для додавання до вашої «авіаційної зброї». Якщо ви можете триматися поруч із колесом іншого вершника, затримка вітру може бути на 44% менше, ніж він чи вона відчуває. Однак опустіть колесо на 2 м, і ви відчуєте три чверті опору, який вони роблять (2). Зі збільшенням швидкості потреба утримувати колесо стає все більш важливою; позаду вершника з швидкістю 30 миль в годину, ви відчуваєте лише таку саму тягу, як якщо б ви їхали соло з швидкістю 24 милі в годину.

Технологія шолома

Велосипеди стали високотехнологічними витворами з вуглецю, сталі, титану та гібриду з 20-30 передачами та вагою до 6 кг. Хоча велосипедисти люблять купувати характеристики, ви не можете придбати кращий двигун. Ви повинні тренуватися розумно, щоб отримати це право. Однак, за інших рівних умов, правильне обладнання може мати значення для перетягування та швидкості.

Нещодавно ми досліджували різні сценарії, використовуючи мотоцикліст, що крутить педалі зі швидкістю 25 миль/год на Національному велодромі Уельсу в Ньюпорті, використовуючи кривошипи SRM. Ці кривошипи вимірюють вихідну потужність вершника за допомогою тензодатчиків, встановлених всередині ланцюгового кільця, що дозволяє отримати реальний показник виконаної роботи.

Наша команда, включаючи галузевих експертів на мотоциклах Giant та Planet-X, розглянула ефекти стандартного вентильованого шолома (Uvex FP1 з 24 вентиляційними отворами), аеродинамічну версію (Uvex FP2 - як використовувала команда T-Mobile під час випробувань часу) на потужність, перетягування та швидкість. Це було найвище/найнижче порівняння з

40 км/год (25 миль/год), щоб побачити, якою перевагою може забезпечити аерошолом.

На кожен ват, який викидає вершник (приблизно 300, щоб отримати 25 миль в год), аерошолом дає додаткові 5,38 метра, або, інакше кажучи, дозволяє вершнику пройти 1614 метрів (1,002 милі) далі за годину. Приріст у 4% здається малим, поки ви не зрозумієте, що він дорівнює приблизно 2 хвилинам - 2 хвилинам 20 секунд за 25 миль. Аерошолом дозволяє мотоциклісту їхати швидше за однакові зусилля або їхати з такою ж швидкістю з меншими зусиллями.

Існує ряд інших потенційних прибутків, які можна отримати завдяки використанню компонентів із низьким опором порівняно зі стандартними. Понад 40 км такі компоненти можуть значно заощадити час (7):

Аерорамка проти стандартної рами 1-2,5 хв;
Aero вилки проти круглих вилок 0,5 хв;
Диск + три спиці проти коліс зі спицями 1-1,5 хв;
Аеропозиція проти стандартної позиції до 6 хвилин.

Дані, доступні на сайті www.biketechreview.com, дозволяють припустити, що вибір типу обода, кількості спиць і навіть якщо заднє колесо покрито чи ні, може суттєво змінити ситуацію. Наприклад, ободок коробки з 20-30 спицями приблизно на 30 секунд повільніший за 40 км, ніж глибоке або композитне колесо. Наші дані випробувань колії на Національному велодромі в Уельсі дозволяють припустити, що навіть колеса з низькою кількістю спиць (наприклад, 18 передніх/20 задніх) на ободі коробки вимагають на 18 Вт більше, ніж комбінація дисків та передніх коліс із глибоким ободом (3).

Набір колісних секцій (18 спиць спереду/20 ззаду) вимагає 312 Вт для того, щоб гонщик рухався зі швидкістю 25 км/год. Киньте трохи готівки на аероколеса, і зусилля стають простішими; наш тестовий вершник курсував зі швидкістю 25 км/год, використовуючи лише 294 Вт.

Міцне дискове колесо з вуглецевого волокна та переднє колесо з глибоким ободом у формі краплини забезпечують енергозберігаючу технологію для гонщика, який хоче мчати зі швидкістю. Ці так звані колеса з "глибоким ободом" навіть їздять на дорожніх перегонах, оскільки підбиті команди розуміють, що економія енергії на рівних, швидких ділянках може бути досягнута без штрафу за вагою.
Колеса створюють турбулентність за допомогою спиць, що вражають повітря, і вони також створюють хвилю за звичайним ободом у формі коробки. І те, і інше спричиняє опору, уповільнюючи швидкий велосипедист. Глибокий передній ободок довше тримає повітря в контакті, зменшуючи опору низького тиску. На задній частині велосипеда твердий диск згладжує потік повітря. Цікаво, що диск може отримати „ефект вітрила” при певних бічних вітрах, які насправді викликають рух вперед, як вітрило на човні.

Економія 18 Вт може здатися не дуже сильною, але це може означати закінчення на дві хвилини попереду менш технологічного, але настільки ж талановитого гонщика. Однак візьмемо ще гірший сценарій, коли вершник має 32 спиці спереду і ззаду. Такий низькотехнологічний вершник міг би віддавати три хвилини більше 25 миль.

Золотим правилом вибору коліс є зниження кількості спиць (від 12 до 20 спиць) та глибини обода від помірного до глибокого розміру (40-100 мм). Однак чим глибша глибина обода спереду, тим більшу складність ви відчуватимете при поперечному вітрі. Ви можете піти швидше, використовуючи ободок настільки глибокий, як провідний у галузі 101-мм Planet-X, у нерухомих умовах, але це не рекомендується у вітряних умовах. Сильний боковий вітер, пориви, спричинені дорожнім рухом, або курси, що включають несподівані бокові вітри, можуть змусити аеродинамічні об’єкти з великими поверхнями раптово стати хиткими.

Новачкам або тим, хто володіє іржавими навичками їзди, потрібно ретельно продумати обладнання, яке вони купують. Дорогу комбінацію дисків та глибоких комбінацій можна використовувати лише кілька разів, якщо вас не турбують характеристики обробки, які вони надають. Те, що працює в аеродинамічній трубі або на велодромі, не завжди може бути застосовним у реальному світі.

Одяг

Оскільки вершник представляє найбільшу площу поперечного перерізу вітру, те, що він або вона носить, істотно впливає на перетягування, особливо якщо врахувати, що поверхневий опір тканин може надзвичайно відрізнятися. Nike - один із першопрохідців із костюмами Swift Spin, які використовує легенда Тур де Франс Ленс Армстронг. Експерти в галузі швидкісного катання виявили, що костюм Nike перевершує інших; однак ці елітні костюми рідко потрапляють на загальний ринок.

Найкраща порада для простих смертних вершників - використовувати щільно прилягаючий верх для дорожніх перегонів, щоб зменшити опору, та цілісний дуже обтягуючий шкірний костюм для випробувань часу. Останній, без кишень, робить корпус кращою формою, ніж розкидані подоли та кишені. Той факт, що елітні гонщики, що гоняються за годинником, наполягають на шкірному костюмі, свідчить про те, що наслідки значні, але даних мало. Багато команд мають дані про деталі обладнання, але це «комерційна таємниця», і єдині люди, які можуть сказати вам, наскільки добре щось, як правило, є виробником, який прагне продати вам свої товари!

Фінішна пряма

Аеродинамічне опору є продуктом взаємодії мотоцикліста та велосипеда, вибору обладнання та тактики їзди. В одиночних заходах, таких як випробування часу, ви не можете скласти проект, тому вам потрібно шукати зменшення опору за допомогою найкращого обладнання, яке ви можете собі дозволити. Під час дорожніх перегонів або довгих спортивних поїздок (таких як L’Etape, раніше представлений у PP224), дуже розумно економити енергію під час більш рівних частин, сидячи в групі. Вам буде потрібно ця заощаджена енергія, коли темп або градієнт збільшуються.

Зменшення опору може бути дешевим (із простою зміною штока та падінням кута нахилу тулуба) або дорогим (1000 фунтів стерлінгів для набору вугільних аероколес). Однак ніколи не втрачайте з уваги той факт, що двигун - це ключ до виробництва електроенергії; всі гонщики можуть збити приблизно 2 хвилини на 25 миль із збільшенням вихідної потужності на 20 Вт (див. таблицю 1 на сторінці 2). Тому пріоритетом має бути:

Створіть потужний велосипедний “двигун” з великою кількістю миль, інтервалами та досвідом змагань. Ви не можете відійти від важкої роботи, якщо хочете встановити PB або стати на подіум. Тренування взимку може додати 20-40 Вт потужності до вихідної потужності вашого попереднього сезону;
Правильно підживлюйте свої тренування. Наприклад, у випадках, що тривають більше 90 хвилин, прийом на борт вуглеводних гелів та напоїв робить вас швидшими;
Отримайте потрібне положення, щоб було зручно, але і зменшити опір. Це менш важливо в дорожніх перегонах, але є важливим у випробуваннях на час. Як тільки ваше положення буде правильним (за допомогою аерографів), ви можете додати інші предмети, такі як аероколеса, шолом, вилки, шкіряні костюми тощо. Жодне з цього обладнання не є дешевим, але при дбайливих покупках навколо ви можете піти "аеро", не будучи повністю зламався!

Найкращі вершники можуть витримувати від 400 до 500 Вт, їдучи проти годинника або атакуючи на підйомі. Менші смертні не можуть придбати такий двигун - на жаль, це те, за що вам доведеться звинуватити своїх батьків. Однак, з урахуванням правильної аеродинаміки, тренувань та мотивації, ми всі можемо їздити швидше, трохи обдурювати вітер і наближатись до нашої власної межі можливостей.

Список літератури
1. J Appl Physiol 1990; 68 (2): 748-753
2. Берк, Е. Р. (1991) Наука про циклічність кінетики людини (0-87322-181-8)
3. Beer, JM (2006) Спостереження за енергетичними випробуваннями на випробуваннях на велодром (неопубліковані дані)
4. Грегор, RJ & Conconi, F (2000) Дорожнє їзда на велосипеді - публікація медичної комісії МОК. Наука Блеквелл (0-86542-912-X)
5. Med Sci Sports Exerc 1997; 29 (6): 818-23
6. Ергономіка 1994; 37 (5): 859-63
7. Martin, J & Cobb, J (2002) «Велосипедна рама, колеса та шини» у високоефективному велосипедному спорті (Jeukendrup, AE) HKPress, p113-127 (0-7360-4021-8)