Чому зменшення ваги велосипеда так впливає на швидкість?

Я намагаюся зрозуміти фізику ваги велосипеда. Я щойно перейшов з дорожнього велосипеда на 11 кг на 8 кг (очевидно, що між двома велосипедами, крім ваги, є набагато більше факторів та відмінностей), і я помітив перевагу зменшення ваги. Однак я не впевнений, що розумію це.

Скажімо, наприклад, моя загальна вага становить 8 + 75 при загальній вазі 83 кг. Різниця між цим та 86 кг мінімальна, але, мабуть, має значення, що перевищує очікувані.

Якщо припустити, що я міг би зрівняти загальну вагу, перенісши з собою пакет або особливо важкий пакет бідон/сідло), так що загальна вага може бути однаковим, чому легший велосипед завжди здається швидшим?

Я прочитав щось про обертальну масу, що, мабуть, вказує на те, що це не так багато спільного з вагою, як сприймається гравітацією, а з еквівалентним зусиллям підйому рухомих частин, а саме ваших коліс, і насправді це вага колеса, що є головним фактором, тому що вам фактично доводиться піднімати половину колеса, щоб забезпечити швидкість руху вперед. Це якийсь гіроскопічний ефект, завдяки якому чим легше повертати колесо, тим швидше їдеш?

5 відповідей 5

Дві основні «тяги» на велосипеді, на рівній землі, - це опір коченню шин та опір вітру велосипеда та мотоцикліста.

Загалом, до конкретного моменту шина з вищим тиском матиме менший опір коченню, як і шина з більш рівним протектором. Ширина шини також визначається, але в основному з точки зору того, як вона впливає на тиск і протектор.

Вітростійкість залежить від ширини шини, кількості спиць, розміру трубки та положення вершника. Як правило, із збільшенням "шаленості" велосипеда ширина шини та кількість спиць зменшуються, а положення мотоцикліста стає більш схильним (а отже, і більш аеродинамічним). Розмір трубки, як правило, не сильно варіюється (і насправді може збільшуватися в міру використання сталі -> алюмінію -> вуглецю), але цей ефект незначний, і незначні відмінності в конструкції рами можуть бути більш значними.

Також можуть бути ергономічні зміни - наприклад, більш схильне положення їзди, хоча і більш втомлювальне, часто є дещо кращим для пікової вихідної потужності.

Якість підшипників навряд чи фігурує взагалі. Навіть дешеві підшипники мають дуже низькі втрати, і різниця в опорі між ними та найсучаснішими підшипниками, швидше за все, не піддається вимірюванню. (Більша різниця полягає в довговічності.)

Вага велосипеда входить у рівняння лише тоді, коли потрібно "піднятися" (і до дуже незначного ступеня щодо опору коченню), але, звичайно, рідко трапляється маршрут, який не піднімається/опускається на 0,5% або близько того більшу частину часу . Ці 0,5% збільшують потужність, необхідну для утримання стабільної швидкості, приблизно на 10% протягом мертвого рівня. Але різниця в 3 кг між цими двома вищезазначеними велосипедами склала б приблизно 0,4% різниці потужності на цьому 0,5% нахилу.

Деякі фізики прості. Для переміщення предмета масою m вгору по нахилу потрібен обсяг роботи, пропорційний вазі. Це маса, помножена на гравітаційне прискорення, помножене на зміщення W = m g d. Тож для важчого велосипеда це вимагає більше роботи. Також потрібна більша середня потужність, щоб підняти його за той самий підйом за встановлений проміжок часу.

Але якщо у вашому експерименті з однаковими вагами є, то цього фізичного ефекту немає, це просто сприйняття чи інше фізичне явище. Також це обмежується сходженням.

Кутове прискорення ваших коліс є фактором, коли ви прискорюєтесь. Коли ви застосовуєте крутний момент для збільшення кутової швидкості колеса, момент інерції є фактором. В основному це облік того, скільки маси і як далеко вона знаходиться від осі. Подумайте про фігуриста, який крутиться, витягнувши руки, а потім втягуючи їх, щоб швидше закрутитися. Сила тяжіння на колесах - це окреме питання, описане вище.

Іншим фізичним явищем у грі може бути аеродинамічний опір. У найпростіших моделях це пропорційно площі перерізу, квадрату швидкості та коефіцієнту опору. Деякі кажуть, що більш важкий велосипед з кращими аеродинамічними характеристиками працює в цілому ефективніше. Враховуючи спільну вагу з вершником, це може бути правдою при достатній швидкості.

Нарешті, на легшому мотоциклі можуть існувати різні фактори, що дозволяють почувати себе легше та ефективніше. Може бути навіть так, що підгонка ставить вас у більш аеродинамічно вигідне положення. Але ви почуватиметеся краще на правильно встановленому велосипеді.

Спробуйте новий велосипед зі старими колесами та завантаженою сумкою. Якщо він все одно відчуває себе швидше, це, мабуть, тому, що він вам більше підходить.

Далі йде мова про сміття:

Динамічне тертя про рухомі поверхні вступає у гру - я б поклав на це увагу, що 8 кг має якісніші компоненти і, отже, підшипник, ніж велосипед 11 кг. Нічого спільного з вагою, але у велосипеді вага і якість нерозривно пов’язані

Механічні втрати в силовому агрегаті велосипеда незначні - і коли ви швидко біжите на рівні, більша частина роботи проти опору повітря, а це означає, що ви отримуєте лише квадратний корінь посилення як зміну швидкості. Тож різниця між досить хорошим велосипедом та відмінним у цій області буде приблизно такою як sqrt 1,01.

Шини - ще один фактор - я напевно швидший на своєму легкому дорожньому велосипеді з вуглецевого волокна, ніж на важкому сталевому приміському велосипеді, але дорожній велосипед має легкі 23-міліметрові шини на 110 фунтів на квадратний дюйм, у порівнянні з набагато важчими (стійкими до проколів) 32-міліметровими шинами на 80 фунтів на місяць у дорозі велосипед, тому я підозрюю, що більша частина різниці полягає в колесах (і більш аеродинамічному положенні на дорожньому велосипеді). - Джонні, 21 жовтня '13 о 19:51

Напівбарах. Приміський велосипед може мати вищі шини RR, тому що гонщик буде завантажений для швидкості, а приміський для захисту від проколів та довговічності шин - але коли конструкція шин однакова, тоді ширшим є НІЖИЙ опір коченню!

Жорсткість також впливає. Чим жорсткіша зона ВВ, тим менше втрачається потужності на згинання рами. Скільки, я не міг сказати. Але зменшення маси для скелелазіння, підвищена жорсткість та зменшення тертя для збільшення потужності коліс у поєднанні, ймовірно, складають щось помітне

Так, це те, про що велосипедні журнали кажуть вам, є причиною купувати своїм рекламодавцям дорожчі велосипеди CF. Але лабораторні тести цього не показали. Насправді, гнучкіші рами насправді можуть бути швидшими, особливо при скелелазінні - адже гнучкість змушує раму діяти як пружинна згладжуюча передача потужності

. Супер жорсткі велосипеди чудово підходять для елітних спринтерів, але для всіх інших це дорога і незручна витрата грошей.

Кутове прискорення ваших коліс є фактором, коли ви прискорюєтесь.

Це фактор, але неймовірно крихітний. З усіх дурних речей, які велосипедисти вірять щодо продуктивності, думка про те, що вага коліс має великий ефект, мабуть, найдурша, оскільки всі бачили докази протилежного. Коли ви працюєте на своїх дерайлерах і крутите педалі, чи є якась велика стійкість до колеса, що набирає швидкість? Ні, це миттєво. І якщо ви одягнете пару шкіряних рукавичок, ви можете зупинити колесо, що рухається з частотою обертання на 20 миль/год, пензлем рук. Обидві ці речі пов’язані з тим, що енергія, необхідна для закрутки колеса, є незначною. (Для цього є формула - ви повинні були навчитися її в середній школі!)

Найгірший випадок для колеса полягає в тому, що для кінетичної енергії йому потрібна подвійна енергія маси, що не обертається. Отже, для колес 2 кг, рами 10 кг і вершника 50 кг це від 4 до 10 до 50. Вплив маси колеса стає ще меншим, якщо розглянути реалістичний випадок із силами опору.