Аэродинамика играет решающую роль в работе велогонщика. Оптимизация аэродинамики может привести к значительному улучшению производительности.
Велосипедист двигающийся со скоростью 40 км/ч по ровной дороге, будет тратить 83% своей мощности только на преодоление аэродинамического сопротивления.
Мощность - это общий показатель производительности в езде на велосипеде. Математически это скорость проделанной работы или скорость расхода энергии; W = J/s
При рассмотрении оптимизации скорости езды на велосипеде первый ключевой вопрос, который следует учитывать: что делает велосипед и гонщика быстрыми. Циклическая мощность можно описать как энергетический баланс входной мощности против резистивных сил.
Эти резистивные нагрузки состоят из 6 ключевых компонентов:
Аэродинамическое сопротивление (AR)
Сопротивление качения (RR)
Трение подшипника колеса (WB)
Кинетическая энергия (KE) - энергия для ускорения
Потенциальная энергия (PE) - энергия для подъема
Потери трения трансмиссии
А Вот основные параметры, которые влияют на силу сопротивления, если мы говорим про велогонщика:
Коэффициент лобового сопротивления
Фронтальная площадь
Плотность воздуха
Скорость воздуха по отношению к гонщику
Скорость гонщика по отношению к дороге
Коэффициент сопротивления качению
Масса велосипеда
Масса гонщика
Гравитационное ускорение
Градиент дороги
Аэродинамическая сила сопротивления пропорциональна квадрату скорости. Это значит, что при увеличении скорости, сила сопротивления возрастает очень быстро. Например, если скорость увеличивается вдвое, сила сопротивления возрастет в четыре раза.
Аэродинамическая сила является функцией скорости третьего порядка. Другие условия - это условия первого или второго порядка. Итак, что это значит?
Это означает, что по мере увеличения скорости аэродинамическое сопротивление увеличивается с более высокой скоростью, чем в других условиях.
Таким образом, чем быстрее движется гонщик, тем большее сопротивление является аэродинамическим. И это привело к заблуждению, что аэродинамика важна только на очень высоких скоростях. На самом деле, это плавная функция, поэтому нет точки, когда аэродинамика внезапно становится важной.
В уравнении мощности аэродинамика становится доминирующей формой сопротивления на скорости ~ 18 км/ч.
Это показывает, что все велосипедисты подвержены высоким аэродинамическим нагрузкам. И это только точка пересечения. Даже ниже этой скорости аэродинамическое сопротивление все еще способствует сопротивлению, даже если это не доминирующая сила.
В контексте производительности гонщик и его велосипед действуют как взаимосвязанная система. Вес и сопротивление обоих являются большими факторами общей производительности системы. В результате строго невозможно отделить сопротивление всадника от его велосипеда, так как воздух, движущийся над одним, влияет на воздух, движущийся над другим. Тем не менее, используя ряд экспериментальных значений сопротивления велосипеда по сравнению с сопротивлением велосипеда + гонщика, мы можем оценить, что велосипед обычно составляет примерно 30% от общего сопротивления.
Ключевой вывод из ряда исследований показывает, что в целом уменьшение фронтальной площади гонщика поможет снизить сопротивление. Это легко сделать сделав два простых действия:
Опустив корпус и голову, чтобы уменьшить фронтальную высоту гонщика
Приблизив руки к осевой линии (к корпусу), чтобы руки не добавляли больше площади за пределами туловища
Для гонщиков, двигающихся в линию друг за другом, было доказано, что боковое положение относительно гонщика впереди (т.е. удаление от центральной линии) оказывает более значительное влияние на сопротивление, чем увеличение расстояния. Это говорит о том, что езда посередине точно за другим гонщиком важнее, чем езда на минимальном расстоянии от него (при условии, что нет бокового ветра)
Когда один гонщик обгоняет другого, они испытывают увеличение сопротивления. Это может быть на 6% выше, чем у гонщика, который едет один.
Этот пик увеличения на 6% происходит, когда два велосипедиста находятся очень близко друг от друга. Этот эффект довольно быстро исчезает по мере увеличения расстояния между ними. К тому времени, когда центральные линии гонщиков будут разделены на 1500 мм, увеличение сопротивления больше не действует.
Исследования показали, что езда за даже одним гонщиком может уменьшить сопротивление более чем на 40%. Для 2-го, 3-го и следующих гонщиков это значение может составлять 50% и более. Для спортсменов в середине пелотона это число может упасть еще больше. В окружении других велосипедистов сопротивление может быть всего 10% от того, что у гонщика, который едет один.
Интересный урок из исследования заключается в том, что не только 2-й и следующие гонщики испытывают снижение сопротивления. Ведущий гонщик также может испытать снижение сопротивления порядка 3-5% из-за присутствия сзади идущего гонщика на своём колесе. Если кратко, то сзади идущий гонщик заполняет собой зону низкого давления, которая возникает за лидером. Это в свою очередь снижает разницу давления между передней и задней частью велосипедиста, что снижает сопротивление.
Хочу заметить, что в июле - августе этого года я много времени уделял отработке посадки с хватом за низ руля и агрессивной посадке с максимальным наклоном корпуса к рулю. Как результат - я могу значительно больше времени проводить в этих позициях.
Расположение предплечий на руле параллельно земле - считается наиболее аэродинамичным, но я в такой позе с трудом могу провести более 5 минут. Основная причина - устают трицепсы.
Коллеги, на этом заканчиваю свой доклад. Целью данного поста было в очередной раз привлечь ваше внимание к важности аэродинамики в нашем любимом велоспорте.
Успехов в делах и на тренировках!
В данном докладе упоминаются исследования, ссылки на которые вы можете увидеть ниже:
925. Martin JC, Douglas ML, Cobb JE, McFadden KL and Coggan AR, 1998, Validation of a mathematical model for road cycling power, Journal of Applied Biomechanics, 14, p 276-291
920. Barry N, 2018, A new method for analysing the effect of environmental wind on real world aerodynamic performance in cycling, Proceedings, 2(211), doi:10.3390/proceedings2060211
918. Barry N, Burton D, Sheridan J and Brown NAT, 2014, Aerodynamic performance and riding posture in road cycling and triathlon, Proc. IMech, Part P: Journal of Sports Engineering and Technology, 229 (1), https://doi.org/10.1177%2F1754337114549876a
917. Barry N, Burton D, Sheridan J and Brown NAT, 2014, The effect of spatial position on the aerodynamic interactions between cyclists, Procedia Engineering, 72, p 774-779, DOI:10.1016/j.proeng.2014.06.131
921. Blocken B, Defraeye T, Koninckx E, Carmeliet J and Hespel P, 2013, CFD Simulations of the aerodynamic drag of two drafting cyclists, Computers & Fluids, 71, p 435-445, DOI:10.1016/j.compfluid.2012.11.012
926. Zdravkovich, M. M., Ashcroft, M. W., Chisholm, S. J. and Hicks, N., 1996, Effect of Cyclist’s Posture and Vicinity of Another Cyclist on Aerodynamic Drag, The Engineering of Sport 1, Balkerna, Rotterdam
919. Barry N, Burton D, Sheridan J, Thompson M and Brown NAT, 2015, Aerodynamic drag interactions between cyclists in a team pursuit, Sports Engineering, 18, p 93-103, DOI: 10.1007/s12283-015-0172-8
922. Blocken B, van Druenen T, Toparlar Y, Malizia F, Mannion P, Andrianne T, Marchal T, Maas G-J and Diepens J, 2018, Aerodynamic drag in cycling pelotons: New insights by CFD simulation and wind tunnel testing, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 179, p 319-337, doi.org/10.1016/j.jweia.2018.06.011
