Заниательная велосипедная аэродинамика

arky_titan — 21.04.2014 — Лытдыбр В дни длинных выходных я решил совместить тренировки с физикой и немного поэкспериментировать со своими велосипедами. А именно, я решил сравнить расход энергии на километр и мощность, необходимую для поддержания заданной скорости на двух велосипедах в различных вариантах посадки.

В эксперименте участвовали два моих гоночных велосипеда, прошу любить и жаловать:


Для тех, кто совсем не в теме поясняю: один из них называется "шоссейный велосипед" - на жаргоне "шоссер". Это классический спортивный велик с рулём-баранками. Второй "разделочный велосипед", велосипед для гонок с раздельным стартом. На жаргоне "разделочник" или "тэтэшка" от англ. TT-bike (time trial bike). На фотке хорошо видно чем они друг от друга отличаются по геометрии рам и форме рулей.

Шоссер Boardman Race с простыми шоссейными колёсами Mavic CXP 22 и бронированными покрышками Continental Gatorskin, разделочник Boardman Air TT 9.2 (модель 2012 года) с родными колёсами Mavic Cosmic (алюминиевые колёса с глубокими ободами и плоскими спицами, типа немножко даже аэро) и гоночными покрышками Vittoria Open Corsa (тоже родными). Накачаны колёса были примерно одинаково до 110-120 psi. Этот абзац был только для тех, кому нужно больше деталей ;)



На этой фотке видно, как выглядят их "кабины", потому что рулями этих монструозов у меня уже не поворачивается язык называть, особенно когда они обвешены разными гаджетами :) Что касается терминологии: аэробары - это "рога" с подлокотниками, которые стоят в середине руля. Для ТТ-велосипеда это неотъемлимая часть, для шоссера опциональная, но у меня конечно есть :) "Ручки" это, собственно, основной руль разделочника, "худы" это такие чёрные рукоятки, покрыте резиной, из которых торчат тормоза шоссейника, "дропы" это баранки шоссейника. Рули у меня в обоих случаях опущены до упора, лишние части вилок не обрезаны, т.к. мало ли :) Поэтому сверху над выносами рулей торчат столбики из шайб-спейсеров, не обессудьте.



Кроме этого я сегодня произвёл совершенно ultimate тест, сравнив в деле два типа шлемов: классический шоссейный шлем Giro Monza и аэрошлем Giro Advantage 2 тоже вполне классической формой для таких аэрошлемов. О том на сколько они эффективны на любительских велофорумах сломано и ломается немало копий, но сегодня я получил прямые измерения :-) Честно говоря я слегка охренел от полученных результатов, и, если честно, хотел бы повторить, т.к. реально эффективность оказалась весьма высокой в широком диапазоне скоростей и мне это не очень понятно. Я подозреваю какой-то другой эффект, но, как бы там ни было, на одинаковой средней мощности 298 Вт в аэропозиции на разделочнике в обычном шлеме удалось удержать 42 км/ч, а в аэрошлеме 43.3 км/ч.

Мощность измерялась педалями Garmin Vector, калибровались они прямо перед началом заезда. Я проезжал около 2 км на каждой из скоростей, начиная примерно от 20 км/ч и до упора, пока хватало сил, стараясь удерживать постоянную скорость на кажодм из отрезков.



На шоссере я сделал два эксперимента с тремя разными посадками на худах, на дропах и на барах. Один эксперимент на велотреке с неровностями и мостом и кругом 1.34 км. Так что потом я решил повторить всё то же на велодроме - он полностью плоский со слегка наклонными виражами и кругом около 370 метров. Затем сделал аналогичные три заезда с постепенным увеличением скорости на разделочнике: сначала на ручках (с высокой посадкой) в аэрошлеме стараясь не сгибать руки в локтях и не пригибаться, чтобы всё было по-честному :) Просто на шоссере при езде на худах мне это явно не удалось и на высоких скоростях я, видимо, машинально таки немного присел, так что решил постараться сделать эксперимент более чистым :) Потом после небольшого отдыха по кругу сразу же повторил в аэрошлеме лёжа на аэробарах - по сути в самой скоростной аэропозиции. А, напоследок, переодел шлем и сделал всё тоже самое в аэропозиции уже в обычном дорожном шлеме.

Ну и теперь я хочу, наконец, перейти к результатам.

Первая серия "Шоссейник на велотреке":


Расход энергии на 1 км пути (кДж на км). По сути килоджоули численно (почти) равны потраченным килокалориям, так что тут можно оценить сколько килокалорий требуется на заданной скорости, чтобы покрыть 1 км пути.


Мощность, необходимая для поддержания заданной скорости, при езде на шоссейнике.

Ещё раз напомню, что здесь данные могут быть немного искажены тем, что велотрек не плоский и на круге имеется резкий градиент. Но качественно всё сходится, чем более "аэро", тем меньше мощности надо на поддержание заданной скорости и тем меньше килокалорий тратится на километр пути.

Вторая серия: "Шоссейник на велодроме":





Надо сказать, что данные воспроизвелись весьма хорошо, хотя и были сделаны в разных условиях. На 40 км/ч шоссер выжирает больше 30 ккал на километр даже в самой аэродинамичной позиции на барах и требует совершенно немыслимые 350 Вт мощности. На такой мощности у меня уже глаза лезут на лоб и продержаться на ней два с лишним км требует изрядных усилий :-) То что езда по кругу в почти безветренную погоду исключает влияние ветра, так что получаются вполне достоверные данные. Хотя у меня и есть ощущение, что при езде по прямому шоссе всё таки надо чуток поменьше мощности, всётаки повороты и развоты съедают немного мощности. Сидя прямо и комфортно я смог дотянуть максимум до 36 км/ч, а в классической посадке на дропах выдал максимально около 340 Вт и проехал контрольный участок на скорости около 39 км/ч :)

Очень важный практический результат: хоть какая-то ощутимая разница между дропами, аэробарами и худами наступает на скорости около 30 км/ч, до этой скорости на прямой по сути не имеет смысла пользоваться аэробарами и даже садиться в аэропозицию на дропы. Так что если вы не очень быстрый ездок, то аэробары это просто геморой на глазу и лишний вес :)

Теперь перейдём к самому интересном, аэровелик в (оч)умелых руках в действии ;)



Во-первых расход энергии - естественно, что езда на ручках с прямыми руками оказыается самой не аэродинамичной и приближается по расходу к езде на дропах (если вы посмотрите на фото, то заметите, что дропы шоссера и ручки разделочника примерно на одном уровне), хотя на ТТ ехать даже "прямо" получается экономичнее, чем на шоссере в "позиции". Думаю, это уже связано с аэродинамичностью самой рамы.

Дальше конечно охрененый результат, который конечно же требует двойной перепроверки - аэрошлем показал себя просто каким-то волшебным снадобьем. Езда в аэрошлеме оказывается ощутимо экономичнее езды в обычном дорожном шлеме практически во всём диапазоне скоростей, экономя до 2.5 ккал/км и отлично работает даже на скоростях от 30 км/ч!!! А дорожный шлем тоже не самый плохой, между прочим. Так что это реально очень круто!

Ещё раз повторюсь, я бы хотел эти результаты воспроизвести в разных условиях прежде, чем встраивать их в свою систему знаний, ибо выглядит слишком хорошо, чтобы быть правдой ;) Но пока что сомневаться в достоверности данных я не вижу причин.

Как бы там ни было, независимо от шлема, на разделочнике расход калорий на километр едва дотягивает до 25-26 ккал на км при скорости в 43 км/ч. Напомню, шоссер в позиции на барах выжирает на скорости 40 км/ч больше 30 ккал на км и, по по правде говоря, дальше подняться по скорости у меня попросту не хватило сил. На поддержание скорости в 40 км/ч разделочник требует от 21.5 до 23 ккал/км, что вполне согласуется с даннными больших спортсменов с соревнований по триатлону, которые периодически публикуются TrainingPeaks.




С мощностью тоже всё понятно и прозрачно. 250 Вт и аэрошлем и 40 км/ч ваши, никакими запредельными 300+ Вт тут даже и не пахнет.



Ну и на дессерт сравнивамем традиционный шоссейник в классической аэро-посадке на дропах с классическим шлемом и лучший результат, полученный на аэродинамическом разделочнике в позиции на аэробарах с аэрошлемом. Комментировать тут практически нечего, единственное, что можно отметить - более высокие показатели разделочника на низких скоростях скорее всего связаны с гоночными покрышками в сравнении с бронированными тренировочными. Но дальше гигантское расхождение явно имеет "аэродинамическую природу" :)

Кроме того, что разделочник явно быстрее, бросается в глаза, что мощность на нём конечно высаживается меньшая. Если на шоссере я выжимал из себя практически нечеловеческие 350 Вт (на пульсе около 188 уд./мин), то на разделочнике максимум 298 Вт (на вполне комфортных 176 ударах в минуту и мне не было так больно). Про свой FTP на обоих великах я пока скромно умолчу, потому что мне надо самому привыкнуть к тому, какой я стал ужасной дур-машиной за последний год :)))

В силу свирепой нелинейности сопротивления воздуха - его сила квадратична по скорости, а мощность, необходимая для преодоления этой силы, зависит как ТРЕТЬЯ степень скорости, возможность дышать более свободно и сидеть более комфортно (даже руль у шоссера шире), повышенна мощность не может скомпенсировать сопротивление воздуха. В результате скорость оказыается ниже, а экономичность езды хуже, чем на ТТ-велосипеде, заточеном под идеальную аэродинамику. Так что сколько бы ты ни выкладывал мощности на педалях, если коэффициент аэродинамического сопротивления высокий, оно съест любые ватты и даже не поперхнётся, при этом не даст практически никакого прироста скорости.

Так что шоссер хорош там, где нужна высокая мощность при низкой скорости (восхождения на горки) и не важна аэродинамика (езда в группе). Разделочник на горках по понятным причинам будет ехать хуже - мощность ниже, вес выше (аэродинамические формы обычно ещё и тяжелее, при использовании одинаковых материалов), низких передач, необходимых для восхождений, по причине скоростной специализации велика обычно тоже нет. Но при одиночной езде на сравнительно плоских дорогах он абсолютно вне конкуренции. И да, на скоростях, превышающих 37-38 км/ч начинают играть роль самые мелкие вещи. И чем быстрее едешь, тем они важнее, потому что ваттов в распоряжении очень мало, а сопротивление воздуха до них очень прожорливое.

Но не ждите, что ТТ-велик вас сразу же разгонит до невероятных скоростей. Это лошадка с норовом и чтобы даже на ней усесться, научиться ловко управляться и быть в состоянии выкладывать хотя бы даже 80% шоссерной мощности в хорошей агрессивной и выигрышной аэропозиции придётся попахать во многих направлениях сразу. Это оказалось совсем не просто!

В следующих сериях этого увлекательного практического исследования я планирую добавить аналогичные данные для горного велика и гибрида, а, затем, исследовать эффект от карбоновых аэроколёс (Zipp Firecrest 808) и заднего диска (Zipp Sub 9), установленных на аэровелик, в сравнении с бюджетными алюминиевыми аэроколёсами.

Продолжение следует, перепост приветствуется :)

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Архив