Производительность велосипеда

Брэдли Уиггинс в желтой майке на финише Critérium du Dauphiné 2011 года .

Грузовой велосипед большой грузоподъемности производства SCO, Дания, может перевозить более 100 кг (220 фунтов).

А производительность велосипеда является чрезвычайно эффективной. С точки зрения количества энергии, которое человек должен израсходовать, чтобы преодолеть определенное расстояние, езда на велосипеде считается наиболее эффективным средством передвижения с автономным питанием . ^[1] С точки зрения соотношения веса груза, который велосипед может нести, к общему весу, он также является наиболее эффективным средством транспортировки груза.

Механическая эффективность [ править ]

С механической точки зрения до 99% энергии, передаваемой гонщиком на педали , передается на колеса (чистая, смазанная новая цепь мощностью 400 Вт), хотя использование зубчатых передач снижает ее на 1–7% (чистая , хорошо смазанные переключатели ), 4–12% (цепь с 3-скоростными ступицами) или 10–20% (карданный вал с 3-ступенчатыми ступицами). Более высокий КПД в каждом диапазоне достигается при более высоких уровнях мощности и при прямом приводе (ступичные шестерни) или с большими ведомыми зубьями (переключатели). ^{[2] [3]}

Энергоэффективность [ править ]

Человек, путешествующий на велосипеде со скоростью 16–24 км / ч (10–15 миль в час), используя только энергию, необходимую для ходьбы, является наиболее энергоэффективным средством передвижения людей из всех доступных. ^[4] Сопротивление воздуха , которое увеличивается пропорционально квадрату скорости, требует все более высокой выходной мощности по сравнению со скоростью, причем мощность увеличивается с кубом скорости, поскольку мощность равна силе, умноженной на скорость. Велосипед, на котором гонщик лежит в положении лежа на спине, называется лежачим велосипедом или, если он покрыт аэродинамическим обтекателем для достижения очень низкого сопротивления воздуха, - обтекаемым .

На твердой плоской поверхности человеку весом 70 кг (150 фунтов) требуется около 60 Вт ^[5] для ходьбы со скоростью 5 км / ч (3,1 мили в час). Тот же человек на велосипеде, на той же земле, с той же выходной мощностью, может путешествовать со скоростью 15 км / ч (9,3 мили в час) на обычном велосипеде ^[6], поэтому в этих условиях затраты энергии при езде на велосипеде составляют одну треть. что ходить.

Выход энергии [ править ]

Активные люди могут производить от 1,5 Вт / кг (нетренированный), 3,0 Вт / кг (порог для медицинского определения «пригодности») и 6,6 Вт / кг (спортсмены-мужчины высшего класса). 5 Вт / кг - это уровень, достижимый для мужчин-любителей высшего уровня в течение более длительного периода времени. ^[7] Максимальные устойчивые уровни мощности в течение одного часа варьируются от примерно 200 Вт ( экспериментальная группа НАСА «здоровые мужчины») до 500 Вт (мировой часовой рекорд для мужчин ). ^[8]

Ввод энергии [ править ]

Подвод энергии к человеческому телу в форме энергии пищи , как правило , количественно в килокалориях [ккали] или кило Джоулей [кДж = кВтс]. Это может быть связано с определенным пройденным расстоянием и массой тела, выражая такие единицы, как кДж / (км ∙ кг). Скорость потребления пищи, то есть количество, потребляемое в течение определенного периода времени, является потребляемой мощностью. Это может быть измерено в ккал / день или в Дж / с = Вт (1000 ккал / день ~ 48,5 Вт).

Эта входная мощность может быть определена путем измерения потребления кислорода или длительного потребления пищи, при условии отсутствия изменения веса. Сюда входит энергия, необходимая только для жизни, называемая базовой скоростью метаболизма BMR или примерно скоростью метаболизма в состоянии покоя .

Требуемое питание также можно рассчитать, разделив выходную мощность на эффективность мышц . Это 18–26%. Из приведенного выше примера, если человек весом 70 кг едет на велосипеде со скоростью 15 км / ч, расходуя 60 Вт, и предполагается, что мышечная эффективность составляет 20%, потребуется примерно 1 кДж / (км ∙ кг) дополнительного питания. Для расчета общего количества пищи, необходимой во время поездки, необходимо сначала прибавить BMR к входной мощности. Если человек весом 70 кг - старая, невысокая женщина, ее BMR может быть 60 Вт, во всех остальных случаях немного выше. ^{[9] С} этой точки зрения эффективность в этом примере фактически снижается вдвое, и требуется примерно 2 кДж / (км ∙ кг) всего корма.

Хотя это свидетельствует о значительном относительном увеличении количества пищи, необходимой для езды на велосипеде с низким энергопотреблением, на практике это практически незаметно, поскольку дополнительные затраты энергии на час езды на велосипеде можно покрыть за счет 50 г орехов или шоколада. Однако при длительной и быстрой езде на велосипеде или в гору потребность в дополнительной пище становится очевидной.

Чтобы завершить расчет эффективности, тип потребляемой пищи определяет общую эффективность. Для этого необходимо учитывать энергию, необходимую для производства, распределения и приготовления пищи.

Типичные скорости [ править ]

В езде на велосипеде есть большие вариации; пожилой человек на вертикальном родстере может развивать скорость менее 10 км / ч (6,2 мили в час), в то время как более молодой человек может легко сделать вдвое больше на том же велосипеде. Для велосипедистов в Копенгагене средняя скорость езды на велосипеде составляет 15,5 км / ч (9,6 миль / ч). ^[10]

В соревнованиях по велоспорту стабильно высокая скорость дополняется аэродинамическими эффектами пелотона . Группа может поддерживать гораздо более высокую скорость на большом расстоянии из-за того, что различные велосипедисты по очереди идут навстречу ветру, а затем отстают, чтобы отдохнуть. Такой же эффект дает командная гонка на время.

Рекорды скорости езды [ править ]

Наивысшая скорость, официально зарегистрированная для любого транспортного средства с приводом от человека (HPV) на ровной поверхности, при штилевом ветре и без внешних вспомогательных средств (таких как стимуляция двигателя и ветроблоки, но с учетом определенной силы гравитации) составляет 144,18 км / ч ( 89,59 миль / ч), установленный Тоддом Райхертом в 2016 году на Eta Speedbike, обтекаемом лежачем велосипеде. ^[11] В 1989 году в гонке по Америке группа ВПЧ пересекла Соединенные Штаты всего за 5 дней. ^{[12] [13] [14] [15]} Самая высокая скорость, официально зарегистрированная для велосипеда, ехавшего в обычном вертикальном положении в полностью обтекаемых условиях, была 100 км / ч (62 мили в час) на Алале (be mola) на дистанции более 200 метров. ^[16]Этот рекорд был установлен в 1986 году Джимом Гловером на Moulton AM7 на чемпионате по скоростному движению человека во время Всемирной выставки Expo86 в Ванкувере. Самая высокая скорость велосипеда в слипстриме - 296 км / ч (183,9 миль в час), установленная Дениз Мюллер-Коренек в 2018 году на соляных равнинах Бонневиль. Это включало скольжение за драгстером.

Уменьшение веса и вращающейся массы [ править ]

Было проведено крупное корпоративное соревнование за снижение веса гоночных велосипедов, чтобы они могли быстрее подниматься в гору и ускоряться. UCI устанавливает предел 6,8 кг на минимальном весе велосипедов , которые будут использоваться на санкционированных гонках. ^[17]

Преимущества уменьшенной массы [ править ]

При езде по горизонтальной плоскости с постоянной скоростью значительное снижение веса позволяет сэкономить лишь незначительное количество энергии, и, наоборот, полезно добавить массу в виде улучшений аэродинамики. Но для крутого подъема любое снижение веса чувствуется напрямую. Например, уменьшение на 10% общего веса системы (велосипеда, водителя и багажа вместе взятых) позволит сэкономить почти 10% энергии.

Уменьшение массы также напрямую ощущается при ускорении. Например, калькулятор Analytic Cycling дает преимущество времени / расстояния 0,16 с / 188 см для спринтера с колесами на 500 г легче. Если в гонке критериум гонщику приходится тормозить при входе в каждый поворот, то это теряется как заезд. Для плоского критерия при 40 км / ч, круговой трассе 1 км , 4 поворотах на круг, потере скорости 10 км / ч на каждом повороте, продолжительности одного часа будет 160 угловых «прыжков». Для гонщика и велосипеда весом 90 кг это добавляет примерно одну треть усилий по сравнению с той же поездкой на постоянной скорости, а уменьшение массы на 10% от общего веса системы (велосипед, гонщик и багаж вместе взятые), таким образом, может дать примерно 3 % преимущество.

Преимущества легких колес [ править ]

Масса шин и дисков должна увеличиваться линейно и вращательно. Можно показать, что влияние массы обода и шины типичных колес со спицами эффективно удваивается. Таким образом, уменьшение их массы особенно заметно в случае спринтов и угловых «скачков» в критериуме . ^[18]

Требуется мощность [ править ]

Горячие споры об относительной важности экономии веса и оптимизации шин и аэродинамики - обычное дело в велоспорте . Вычисляя требования к мощности для перемещения велосипеда и водителя, можно оценить относительные затраты энергии на сопротивление воздуха, сопротивление качению, сопротивление на спуске и ускорение.

Существуют хорошо известные уравнения, которые определяют мощность, необходимую для преодоления различных сопротивлений, в основном как функцию скорости:

Воздушное сопротивление [ править ]

Сила, необходимая для преодоления сопротивления или сопротивления воздуха :${\ displaystyle P_ {D}}$

${\ Displaystyle P_ {D} \, = {\ tfrac {1} {2}} \, \ rho \, v_ {r} ^ {3} \, C_ {D} \, A}$ в неподвижном воздухе, или

${\ Displaystyle P_ {D} \, = {\ tfrac {1} {2}} \, \ rho \, v_ {a} ^ {2} \, v_ {r} \, C_ {D} \, A}$ при встречном ветре,

куда

${\ displaystyle \ rho}$- плотность воздуха, которая составляет около 1,225 кг / м ^ 3 на уровне моря и 15 град. С. ^[19]

${\ displaystyle v_ {r}}$ скорость относительно дороги,

${\ displaystyle v_ {a}}$ очевидный встречный ветер, и

${\ Displaystyle C_ {D} \, A}$- характеристическая площадь, умноженная на соответствующий коэффициент лобового сопротивления .

Понятие вымпельного ветра применимо здесь только в том случае, если он исходит от истинного встречного или попутного ветра. Затем - скалярная сумма и встречный ветер или разница между и попутным ветром. Если эта разница отрицательная, ее следует рассматривать как помощь, а не как сопротивление. Если, однако, ветер имеет боковую составляющую, вымпельный ветер должен быть рассчитан с помощью векторной суммы, и, особенно если велосипед имеет обтекаемую форму, расчет поперечных сил и сил сопротивления становится более сложным; правильная обработка включает рассмотрение сил на поверхности, таких как силы на парусах .${\ displaystyle v_ {a}}$${\ displaystyle v_ {r}}$${\ displaystyle v_ {r}}$${\ displaystyle P_ {D}}$

Коэффициент лобового сопротивления зависит от формы объекта и от числа Рейнольдса , от которого зависит само значение . Тем не менее, если - площадь поперечного сечения , то ее можно примерно аппроксимировать как 1 для обычных велосипедных скоростей велосипедиста на вертикальном велосипеде.${\ displaystyle v_ {a}}$${\ displaystyle A}$${\ displaystyle C_ {D}}$

Сопротивление качению [ править ]

Мощность для преодоления сопротивления качению шин определяется по формуле:${\ displaystyle P_ {R}}$

${\ Displaystyle P_ {R} = v_ {r} \, mg \ cos (\ arctan s) C_ {rr} \ приблизительно v_ {r} mgC_ {rr}}$

где g - сила тяжести, номинально 9,8 м / с ^ 2, а m - масса (кг). Приближение можно использовать со всеми нормальными коэффициентами сопротивления качению . Обычно предполагается, что это не зависит от (скорости велосипеда на дороге), хотя считается, что она увеличивается с увеличением скорости. Измерения на роликовом механизме дают коэффициенты низкой скорости от 0,003 до 0,006 для различных шин, накачанных до максимального рекомендуемого давления, увеличиваясь примерно на 50% при скорости 10 м / с. ^[20]${\ displaystyle C_ {rr}}$${\ displaystyle v_ {r}}$

Подъемная сила [ править ]

Сила вертикального подъема на склоне определяется как${\ Displaystyle P_ {S}}$ ${\ displaystyle s}$

${\ displaystyle P_ {S} = v_ {r} mg \ sin (\ arctan s) \ приблизительно v_ {r} mgs}$. ^[21]

Это приближение приближается к реальному решению для малых, то есть нормальных оценок. Для очень крутых склонов, таких как 0,35, приближение дает завышение примерно на 6%.

Поскольку эта мощность используется для увеличения потенциальной энергии велосипеда и гонщика, она возвращается в качестве движущей силы при спуске и не теряется, если гонщик не тормозит или не движется быстрее, чем хотелось бы.

Мощность для ускорения [ править ]

Мощность для ускорения велосипеда и гонщика, имеющего общую массу m, с ускорением a и вращением также колес, имеющих массу, составляет:${\displaystyle P_{A}}$${\displaystyle m_{w}}$

${\displaystyle P_{A}\approx v_{r}(m+m_{w})a}$

Приближение справедливо, если предполагается, что оно сосредоточено на ободах и шинах, и они не скользят. Таким образом, в этом расчете массу таких колес можно подсчитать дважды, независимо от размеров колес.${\displaystyle m_{w}}$

Поскольку эта мощность используется для увеличения кинетической энергии велосипеда и гонщика, она возвращается при замедлении и не теряется, если гонщик не тормозит или не движется быстрее, чем хотелось бы.

Общая мощность [ править ]

${\displaystyle P\,=(P_{D}\,+P_{R}\,+P_{S}\,+P_{A}\,)/\eta \,}$

где - механический КПД трансмиссии, описанной в начале этой статьи.${\displaystyle \eta \,}$

Используя это упрощенное уравнение, можно вычислить некоторые интересующие вас значения. Например, при отсутствии ветра для мощности, подаваемой на педали (ватт), получаются следующие результаты:

• 175 Вт для велосипеда массой 90 кг + гонщика, чтобы проехать 9 м / с (32 км / ч или 20 миль / ч) по ровной поверхности (76% усилий для преодоления аэродинамического сопротивления) или 2,6 м / с (9,4 км / ч или 5,8 миль в час) на 7% уклоне (2,1% усилий на преодоление аэродинамического сопротивления).
• 300 Вт для велосипеда массой 90 кг + гонщик при скорости 11 м / с (40 км / ч или 25 миль / ч) на ровной поверхности (83% усилий для преодоления аэродинамического сопротивления) или 4,3 м / с (15 км / ч или 9,5 миль / ч) на уклоне 7% (4,2% усилий на преодоление аэродинамического сопротивления).
• 165 Вт для велосипеда массой 65 кг + гонщика, чтобы проехать 9 м / с (32 км / ч или 20 миль в час) по ровной поверхности (82% усилий для преодоления аэродинамического сопротивления) или 3,3 м / с (12 км / ч или 7,4 миль в час) на 7% уклоне (3,7% усилий по преодолению аэродинамического сопротивления).
• 285 Вт для велосипеда массой 65 кг + гонщик при скорости 11 м / с (40 км / ч или 25 миль / ч) на ровной поверхности (87% усилий для преодоления аэродинамического сопротивления) или 5,3 м / с (19 км / ч или 12 миль / ч) на уклоне 7% (6,1% усилий на преодоление аэродинамического сопротивления).

Уменьшение веса велосипеда + райдера на 1 кг увеличит скорость на 0,01 м / с при 9 м / с на ровной поверхности (5 секунд на 32 км / ч (20 миль / ч) , 40 км (25 миль) TT) . Такое же снижение при уклоне 7% будет стоить от 0,04 м / с (велосипед 90 кг + всадник) до 0,07 м / с (велосипед 65 кг + всадник). Если человек поднимался в течение 1 часа, то экономия 1 фунта увеличилась бы между 69 м (225 футов) и 110 м (350 футов) - меньший эффект для более тяжелой комбинации велосипед + гонщик (например, 0,06 км / ч (0,04 мили в час) * 1 час * 1600 м (5200 футов) / миль = 69 м (226 футов)). Для справки, большие подъемы на Тур де Франс и Джиро д'Италия имеют следующие средние оценки:

Джиро д'Италия ^[22]

• Перевал Стельвио = 7,45% на 24,3 км;
• Колле делле Финестре = 9,1% на расстояние 18,6 км;
• Колле дель Аньелло = 6,5% на расстояние 22 км;
• Пассоланчано-Майеллетта , также известный как Блокхаус = 9,4% на расстоянии 22 км;
• План де Коронес = 10% на расстояние 5,2 км;
• Мортироло = 10,4% на 12,5 км;
• Монте Зонколан = 12% на расстояние 10,1 км;

Тур де Франс

• Турмале = 7%
• Галибье = 7,5%
• Альп Д'Юэз = 8,6% ^[23]
• Мон-Ванту = 7,1%.

См. Также [ править ]

• Велосипед
• Велосипед и мотоцикл динамика
• Циклический измеритель мощности
• Велокомпьютер
• Схема езды на велосипеде

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Физическое моделирование результатов велогонки
• Рассчитайте требования к скорости и мощности для разных размеров звездочек для разных ступиц и переключателей передач.