Производительность велосипеда - Bicycle performance

Брэдли Уиггинс в желтом Джерси, заканчивая 2011 Critérium du Dauphiné.

Сверхмощный грузовой велосипед произведенные ШОС, Дания может перевозить более 100 кг (220 фунтов).

А производительность велосипеда чрезвычайно эффективен. По количеству энергия человек должен пройти определенное расстояние, езда на велосипеде считается наиболее эффективной с автономным питанием транспортное средство.^[1] По соотношению груз вес, который велосипед может нести к общему весу, также является наиболее эффективным средством перевозки грузов.

Механический КПД

С механической точки зрения до 99% энергии, передаваемой гонщиком в педали передается в колеса (чистая, смазанная новая цепь на 400 Вт), хотя использование зубчатые механизмы снижает это на 1–7% (чистые, хорошо смазанные переключатели ), 4–12% (цепь с 3-скоростными ступицами) или 10–20% (привод вала 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

Человек, путешествующий по велосипед на скорости 16–24 км / ч (10–15 миль в час), использующий только энергию, необходимую для ходьбы, является наиболее энергоэффективным средством передвижения людей из всех доступных.^[4] Сопротивление воздуха, которая увеличивается с квадратом скорости, требует все более высоких мощность выходы относительно скорости, мощность увеличивается с кубом скорости, поскольку мощность равна силе, умноженной на скорость. Велосипед, в котором гонщик лежит в положение лежа на спине называется лежачий велосипед или, если он покрыт аэродинамическим обтекатель для достижения очень низкого сопротивления воздуха, поскольку рационализатор.

Гоночные велосипеды имеют легкий вес, позволяют свободно двигать ногами, удерживают гонщика в удобном аэродинамическом положении, а также отличаются высоким передаточным числом и низким сопротивлением качению.

На твердой плоской поверхности человеку весом 70 кг (150 фунтов) требуется около 60 Вт^[5] ходить 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 двигаться со скоростью 15 км / ч (9,3 мили в час), используя обычный велосипед.^[6] Таким образом, в этих условиях затраты энергии при езде на велосипеде в три раза меньше, чем при ходьбе.

Выход энергии

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 самого высокого уровня в течение более длительного периода времени.^[7] Максимальный устойчивый уровень мощности в течение одного часа составляет около 200 Вт (НАСА экспериментальная группа «здоровые мужчины») до 500 Вт (мужской мир часовой рекорд ).^[8]

Вход энергии

Энергия поступает в человеческое тело в виде пищевая энергия, обычно количественно килокалории [ккал] или килограммДжоуля [кДж = кВт]. 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. Это включает в себя энергию, необходимую только для жизни, называемую базальная скорость метаболизма BMR или примерно скорость метаболизма в покое.

Необходимое питание можно также 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, затрачивая 60 Вт, и предполагается, что мышечная эффективность составляет 20%, это примерно 1 кДж / (км ∙ кг). дополнительный еда обязательна. Для расчета общий питание, необходимое во время поездки, необходимо сначала добавить 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 уменьшается вдвое и составляет примерно 2 кДж / (км ∙ кг). общий еда обязательна.

Хотя это показывает большой относительный увеличение количества пищи, необходимой для езды на велосипеде с низким энергопотреблением, на практике практически не замечено, поскольку дополнительные затраты энергии на час езды на велосипеде могут быть покрыты 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

В езде на велосипеде есть большие вариации; пожилой человек на стойке родстер 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. За велосипедисты 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 пелотон. 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. А командная гонка на время производит тот же эффект.

Рекорды скорости езды на велосипеде

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

Снижение веса и вращающейся массы

Было проведено крупное корпоративное соревнование за снижение веса гоночных велосипедов, чтобы они могли быстрее подниматься в гору и ускоряться. В UCI устанавливает ограничение в 6,8 кг на минимальный вес велосипедов, используемых в санкционированных гонках.^[17]

Преимущества уменьшенной массы

При езде по горизонтальной плоскости с постоянной скоростью значительное снижение веса позволяет сэкономить лишь незначительное количество энергии и, наоборот, полезно для Добавить масса в виде аэродинамических улучшений. Но для крутого подъема любое снижение веса чувствуется напрямую. Например, снижение на 10% общего веса системы (велосипед, мотоциклист и багаж вместе) позволит сэкономить почти 10% энергии.

Уменьшение массы также напрямую ощущается при ускорении. Например, Калькулятор аналитического цикла дает преимущество во времени / дистанции 0,16 с / 188 см для спринтера с колесами на 500 г легче. В критерий гонке, если гонщик должен тормозить, входя в каждый поворот, то это засчитывается как заезд. Для ровного участка при 40 км / ч - 1 км. схема, 4 поворота за круг, потеря скорости на каждом повороте 10 км / ч, продолжительность 1 час, будет 160 «прыжков» в повороте. 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

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 спринты и угловые "прыжки" в критерий.^[18]

Требуемая мощность

Горячие споры об относительной важности снижения веса и оптимизации шин и аэродинамики распространены в кататься на велосипеде. Вычисляя требования к мощности для перемещения велосипеда и водителя, можно оценить относительные затраты энергии на сопротивление воздуха, сопротивление качению, сопротивление на склоне и ускорение.

Известны уравнения, дающие мощность требуется для преодоления различных сопротивлений, в основном в зависимости от скорости:

Диаграмма зависимости компонентов частичной мощности от скорости с использованием типичных значений
Сила сопротивления воздуха изначально очень мала и увеличивается с кубом скорости.
Сила сопротивления качению сначала выше, но возрастает только плавно.
Подъем на уклон 5% почти такой же, как постоянное ускорение со скоростью 0,5 м / с.².

Сопротивление воздуха

Сила ${displaystyle P_{D}}$ необходимо преодолеть сопротивление воздуха или сопротивление является:

${displaystyle P_{D},={ frac {1}{2}},ho ,v_{r}^{3},C_{D},A}$ в неподвижном воздухе, или

${displaystyle P_{D},={ frac {1}{2}},ho ,v_{a}^{2},v_{r},C_{D},A}$ при встречном ветре,

куда

${displaystyle ho }$ - 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

${displaystyle C_{D},A}$ - характерная площадь, умноженная на коэффициент трения.

Концепция чего-либо встречный ветер здесь применяется напрямую, только если он исходит от истинного встречного или попутного ветра. потом ${displaystyle v_{a}}$ скалярная сумма ${displaystyle v_{r}}$ и встречный ветер или разница между ${displaystyle v_{r}}$ и попутный ветер. Если эта разница отрицательная, ${displaystyle P_{D}}$ следует рассматривать как помощь, а не 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; правильное лечение включает в себя учет сил на поверхностях, таких как силы на парусах.

Коэффициент лобового сопротивления зависит от формы объекта и от Число Рейнольдса, который сам зависит от ${displaystyle v_{a}}$. Однако если ${displaystyle A}$ это площадь поперечного сечения, ${displaystyle C_{D}}$ может быть приблизительно равно 1 для обычных велосипедных скоростей велосипедиста на вертикальном велосипеде.

Сопротивление качению

Сила ${displaystyle P_{R}}$ для преодоления шин сопротивление качению дан кем-то:

${displaystyle P_{R}=v_{r},mgcos(arctan s)C_{rr}approx v_{r}mgC_{rr}}$

где g - сила тяжести, номинально 9,8 м / с ^ 2, а m - масса (кг). Приближение можно использовать со всеми нормальными коэффициентами сопротивления качению. ${displaystyle C_{rr}}$. Обычно предполагается, что это не зависит от ${displaystyle v_{r}}$ (скорость велосипеда на дороге), хотя известно, 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]

Альпинистская сила

В вертикальная подъемная сила ${displaystyle P_{S}}$ на склон ${displaystyle s}$ дан кем-то

${displaystyle P_{S}=v_{r}mgsin(arctan s)approx v_{r}mgs}$.^[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 потенциальная энергия велосипеда и гонщика, она возвращается как движущая сила при спуске и не теряется, если гонщик не тормозит или не движется быстрее, чем хотелось бы.

Мощность для ускорения

Сила ${displaystyle P_{A}}$ для разгона велосипеда и гонщика общей массой m с ускорение a и вращательно также колеса, имеющие массу ${displaystyle m_{w}}$ является:

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

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

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

Суммарная мощность

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

куда ${displaystyle eta ,}$ механический КПД трансмиссии, описанной в начале этой статьи.

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 за 32 км / ч (20 миль / ч), 40 километров (25 миль) ТТ). 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 подняться в течение 1 часа, сэкономив 1 фунт, вы получите от 69 метров (225 футов) до 110 м (350 футов) - меньший эффект для более тяжелой комбинации велосипед + гонщик (например, 0,06 км / ч (0,04 миль / ч) * 1 ч * 1600 м (5200 футов)/ mi = 69 м (226 футов)). Для справки: большие подъемы в Тур де Франс и Джиро д'Италия иметь следующие средние оценки:

Джиро д'Италия^[22]

• Стельвио перевал = 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;
• Passolanciano-Maielletta, также известный как Blockhaus = 9,4% на расстояние 22 км;
• План де Коронес = 10% на расстояние более 5,2 км;
• Мортироло = 10,4% на расстояние 12,5 км;
• Монте Зонколан = 12% на расстояние более 10,1 км;

Тур де Франс

• Турмале = 7%
• Галибье = 7.5%
• Альп д'Юэз = 8.6%^[23]
• Mont Ventoux = 7.1%.

Смотрите также

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

Рекомендации

1. С.С. Уилсон (март 1973 г.). «Велосипедная техника». Scientific American.
2. Уилсон, Дэвид Гордон; Джим Пападопулос (2004). Велосипедная наука (Третье изд.). Массачусетский Институт Технологий. п. 343. ISBN  0-262-23111-5.
3. Фил Снейдерман Хоумвуд (30 августа 1999 г.). «Датчик мощности педали показывает, что велосипеды тратят мало энергии». Вестник Джонса Хопкинса. В архиве из оригинала от 1 февраля 2010 г.. Получено 2010-02-21.
4. Маккей, Дэвид Дж. С. (2008). Устойчивая энергетика (Первое изд.). UIT Cambridge limited. п. 128.
5. Косуке Шимомура; и другие. (2009-11-10). «Исследование влияния упражнений на нижние конечности с пассивной нагрузкой на местные мышцы и окислительный метаболизм всего тела: сравнение с имитацией верховой езды, велосипедных упражнений и ходьбы» (PDF). Получено 2014-07-26.
6. Цорн, Уолтер (27 марта 2015 г.). «Калькулятор скорости и мощности». Получено 2015-03-27.
7. Таблица данных энергетического профилирования версии 4.0, Энди Р. Когган
8. Уилсон, Дэвид Гордон; Джим Пападопулос (2004). Велосипедная наука (Третье изд.). MIT Press. п.44. ISBN  0-262-73154-1.
9. "Калькулятор уравнения Харриса-Бенедикта". 2015-03-27. Архивировано из оригинал на 2015-04-02. Получено 2015-03-27.
10. «Велосипедная статистика». Сайт города Копенгаген. Город Копенгаген. 13 июня 2013. Архивировано с оригинал 12 декабря 2013 г.. Получено 12 декабря 2013.
11. «Новый рекорд скорости, управляемый человеком, установлен на скорости 89,6 миль в час в яйцевидном велосипеде». Популярная механика. 20 сентября 2016 г.. Получено 20 сентября 2016.
12. Wired.com (25 сентября 2008 г.). «Самый быстрый велосипедист в мире - скорость 82,3 миль в час». Архивировано из оригинал 26 сентября 2008 г.. Получено 2008-09-26.
13. "Официальные рекорды скорости Международной ассоциации транспортных средств с приводом от человека". В архиве из оригинала 12 апреля 2008 г.. Получено 2008-03-04.
14. "Самые быстрые списки с поддержкой человека". Архивировано из оригинал 8 марта 2008 г.. Получено 2008-03-04.
15. "Мужчины, рекордсмены по ВПЧ и велосипеду - одинокий гонщик". В архиве из оригинала 12 апреля 2008 г.. Получено 2008-03-04.
16. "Moulton Bicycle Company: Рекорды и гонки". В архиве из оригинала 12 апреля 2010 г.. Получено 2010-02-26.
17. «Правила UCI» (PDF). 2015-03-26. Получено 2015-03-30.
18. «Технические вопросы и ответы с Леннардом Зинном: великие дебаты о вращающемся весе». Архивировано из оригинал на 2006-10-17. Получено 2007-02-03.
19. Обратите внимание, что плотность воздуха можно найти с помощью барометрическая формула. Это 1,293 кг / м³ при 0 ° C и 1 атмосфера.
20. Чарльз Генри (15 марта 2015). «Диаграмма Crr как функции от V». Получено 2015-03-30.
21. Синусом часто пренебрегают; для правильного обращения см .: «Проверка математической модели мощности езды на велосипеде» Джеймса К. Мартина и др., Журнал прикладной биомеханики, том 14, выпуск 3, 14 августа 1998 г., стр.276 - 291 [1]
22. Самые сложные восхождения на Джиро д'Италия.
23. "Састре выигрывает этап L'Alpe d'Huez 2008". 23 июля 2008 г .: Velo News. Архивировано из оригинал 19 февраля 2009 г.. Получено 2009-01-14.

внешняя ссылка

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