# Rattasõidu aerodünaamika ja füüsika · Triatlon, Tase 8: Ekspert

Triatlon · Tase 8: Ekspert · Insporta Book (https://book.insporta.app/et/triathlon/level-8/cycling-aerodynamics-and-physics/)

Rattasõidu aerodünaamika ja füüsika: 100 fakti, 10 testi.

Ratta kiiruse füüsika: võimsuse võrrand, õhutihedus, CdA arvudes, piirikihid ja pinnad, kuidas takistust mõõdetakse, tuulessõit, tõusud ja kaldenurgad, tuul, kineetiline energia ning kiiruse ja võimsuse arvutused.

## Test 1: Rattasõidu võimsuse võrrand

- Martini valideeritud mudel liidab kokku aerodünaamilised, veeretakistuse, laagrite ja jõuülekande kaod, tõusudel gravitatsiooniliikme ning kineetilise energia muutused. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Takistusjõud = 0,5 × õhutihedus × CdA × v ruudus, seega õhukiiruse kahekordistamine neljakordistab jõu. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Võimsus on jõud korda kiirus, seega aerodünaamiline võimsus kasvab v kuubiga. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Kuna aerodünaamiline võimsus kasvab kiiruse kuubiga, on 2 × 2 × 2 = 8 korda suurem võimsus. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Võistluskiirustel tasasel teel domineerib aerodünaamiline takistus; veeretakistus ja jõuülekande kaod moodustavad ülejäänu. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Veeretakistusjõud on ligikaudu konstantne, seega selle neelatav võimsus kasvab ligikaudu lineaarselt kiirusega. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Mudel selgitas umbes 97 % mõõdetud võimsuse varieeruvusest, vead olid paar vatti. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Õhutihedus (rho) sõltub kõrgusest, temperatuurist, rõhust ja niiskusest, mitte sõitjast. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- CdA ühendab mõõtmeteta takistusteguri pindalaga, seega väljendatakse seda ruutmeetrites. (Allikas: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- 1,1 kuubis on ligikaudu 1,33, seega aerodünaamiline osa võimsusvajadusest kasvab umbes kolmandiku võrra. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

## Test 2: Õhutihedus ja tingimused

- Standardatmosfäär annab merepinnal ja 15 °C juures umbes 1,225 kg/m³. (Allikas: International Standard Atmosphere (ISO 2533))
- Õhutihedus väheneb merepinna lähedal umbes kümnendiku iga kõrgusekilomeetri kohta. (Allikas: International Standard Atmosphere (ISO 2533))
- Mexico City kõrgusel vähendas väiksem õhutihedus takistust piisavalt, et kaaluda üles madalama hapnikusisalduse. (Allikas: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Takistus väheneb tihedusega, kuid ka maksimaalne aeroobne võimsus langeb; netomõju sõltub kõrgusest ja võistluse pikkusest. (Allikas: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Tihedus on pöördvõrdeline absoluutse temperatuuriga, seega pakub kuum õhk veidi väiksemat takistust. (Allikas: International Standard Atmosphere (ISO 2533))
- Üleminek 278 K-lt 308 K-le vähendab tihedust umbes 10 %, mis vähendab aerodünaamilist võimsust antud kiirusel sama osa võrra. (Allikas: International Standard Atmosphere (ISO 2533))
- Veeaur on kergem kui lämmastik ja hapnik, mida see välja tõrjub, seega on niiske õhk veidi hõredam. (Allikas: International Standard Atmosphere (ISO 2533))
- Sama võimsuse ja CdA korral võimaldab kuumuses madalam õhutihedus suuremat kiirust, mistõttu vahepealsed ajad pole otse võrreldavad. (Allikas: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Mõõdetud takistusjõud peegeldab nii CdA-d kui ka õhutihedust; nende eraldamiseks on vaja temperatuuri, rõhku ja niiskust. (Allikas: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Kui võimsus on võrdeline tiheduse × v kuubiga, kasvab kiirus ligikaudu 1/0,9 kuupjuure võrra, umbes 3,5 %. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

## Test 3: CdA arvudes

- Tuuletunneli- ja velodroomiandmed näitavad, et parimate temposõitjate CdA on umbes 0,20–0,23 m². (Allikas: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Püstine maanteeasend kahekordistab ligikaudu takistuspindala võrreldes parimate temposõidu asenditega. (Allikas: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 0,5 × 1,225 × 0,01 × (11,1 m/s) kuubis on umbes 8 W. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Cd peegeldab kuju ja voolu käitumist; korrutatuna eesmise pindalaga annab see CdA. (Allikas: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Aerodünaamilises asendis sõitjate mõõdetud projekteeritud eesmine pindala on tavaliselt umbes 0,3–0,4 m². (Allikas: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- See, kui sujuvalt õhk keha ümber voolab (Cd osa), sõltub asendist, riietusest ja kujust. (Allikas: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Mõne vati kokkuhoid võistlustempol summeerub; 180 km peal võib väike CdA võit anda mitu minutit. (Allikas: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Kilomeetri kohta on sekundites säästetud aeg suurem, kui rajal ollakse kauem, kuigi vattides on kokkuhoid väiksem. (Allikas: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Tunnelid esitavad takistusjõudu sageli võrdluskiiruse juures, mis teisendatakse tiheduse ja kiiruse abil CdA-ks. (Allikas: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Iga 0,01 m² on 40 km/h juures umbes 8 W, seega 0,02 m² väärtus on ligikaudu 16 W. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

## Test 4: Piirikihid ja pinnad

- Pinna vahetus läheduses olev õhk aeglustub hõõrdumise tõttu, moodustades õhukese piirkihi, mille käitumine kujundab takistust. (Allikas: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Turbulentne kiht seisab eraldumisele vastu, lükates seda edasi ja tekitades väiksema madalrõhulise jälje. (Allikas: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Nagu golfipalli lohud, võib tekstuur silindritel, näiteks kätel, tekitada varasema ülemineku turbulentsile. (Allikas: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Kriitilise Reynoldsi arvu juures muutub piirkiht turbulentseks ja takistus langeb järsult, seda nimetatakse takistuskriisiks. (Allikas: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- See sõltub kiirusest, suurusest ja vedeliku viskoossusest ning ennustab, kas voolus on laminaarne või turbulentne. (Allikas: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Jalgrattakiirustel tömpidel kujudel võib sile pind säilitada laminaarse kihi, mis eraldub vara ja suurendab takistust. (Allikas: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Nende 2014. aasta katsed näitasid, et raseeritud jalad vähendasid takistust mõne protsendi võrra, mis teeb hinnanguliselt umbes 50–80 sekundit 40 km peal. (Allikas: Specialized Win Tunnel, 2014)
- Kammtail-kujundused lõikavad ära sabaosa, kus voolust on vähe kasu, säästes kaalu ja külgjõudu. (Allikas: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Iga tekstuur käivitab ülemineku kindla Reynoldsi arvu juures, seega on ülikonnad häälestatud oodatavatele võistluskiirustele. (Allikas: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Lehviv materjal tekitab ebaühtlast eraldunud voolu, mis suurendab takistust rohkem kui selle väike pindala. (Allikas: Crouch et al., Sports Eng 2017)

## Test 5: Aerodünaamilise takistuse mõõtmine

- Tunnelid kontrollivad õhukiirust ja külgnurka (yaw), muutes väikesed erinevused mõõdetavaks ja korratavaks. (Allikas: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Püsikiirusel sõit siseteel võimsusmõõtmisega võimaldab hinnata CdA-d väikese tuulega. (Allikas: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Kui CdA ja Crr on õiged, vastab modelleeritud kõrgusprofiil päris teele; väärtusi häälestatakse, kuni see nii on. (Allikas: Chung, Estimating CdA with a power meter (2012))
- CFD lahendab vooluvõrrandeid arvuliselt, võimaldades enne füüsilist katsetamist läbi sõeluda palju kujusid. (Allikas: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Õhukiiruse ja tiheduse mõõtmine rattal kõrvaldab osa oletustest tuule kohta välikatsetes. (Allikas: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Tuuleiilid, liiklus ja väikesed asendimuutused muudavad välitulemused vähem täpseks, kui katseid ei korrata hoolikalt. (Allikas: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- See, kui kiiresti kiirus tasasel pinnal veeremisel langeb, peegeldab aerodünaamilise ja veeretakistuse koosmõju. (Allikas: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Varustuse paremusjärjestus võib külgnurgaga muutuda, seetõttu esitatakse tulemused tuulenurkade vahemikus. (Allikas: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Algtaseme juurde naasmine kontrollib tingimuste ja sõitja asendi triivi seansi jooksul. (Allikas: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Absoluutne CdA varieerub meetodiga; seadistuste võrdlused sama meetodi piires on usaldusväärsemad kui eri meetodite kogusummad. (Allikas: Debraux et al., Sports Biomech 2011)

## Test 6: Tuulessõidu füüsika

- Tagaratta järgimine lühikese vahega vähendab tagant sõitja takistust ligikaudu kolmandiku või rohkem. (Allikas: Kyle, Ergonomics 1979)
- Tagant sõitja tõstab rõhku liidri taga, vähendades liidri takistust mõne protsendi võrra. (Allikas: Blocken et al., J Wind Eng Ind Aerodyn 2013)
- Suure pelotoni keskel ja tagaosas sõitjad kogesid vaid väikest osa üksi sõitja takistusest. (Allikas: Blocken et al., J Wind Eng Ind Aerodyn 2018)
- Sõitja taga olev väikese kiirusega jälg seguneb kauguse kasvades laiali, seega varjeefekt nõrgeneb. (Allikas: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Nõutavatel pikkadel vahedel on jälg suures osas taastunud, seega on allesjääv kasu väike, kuid mitte null. (Allikas: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Blocken näitas, et sõitja taga olev sõiduk tõstab nende taga rõhku ja vähendab takistust, mis võib temposõitudel loendada. (Allikas: Blocken et al., J Wind Eng Ind Aerodyn 2016)
- Külgtuules nihkub jälg küljele, mistõttu moodustuvad echelonid teel diagonaalselt. (Allikas: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Järskudel tõusudel on kiirus väike ja gravitatsioon domineerib, seega aerodünaamiline varjamine säästab vähe võimsust. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Liidri takistus on sarnane üksi sõitja omaga, samal ajal kui järgijad sõidavad tema jäljes. (Allikas: Blocken et al., J Wind Eng Ind Aerodyn 2013)
- Väiksem takistus tähendab, et sama kiiruse hoidmiseks on vaja vähem mehaanilist võimsust. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

## Test 7: Tõusud, kaal ja kaldenurgad

- Gravitatsioonivõimsus = mass × g × kiirus × kalde nurga siinus. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 1 kg × 9,81 × 4,17 m/s × 0,08 on umbes 3,3 W. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Velocita Ascensionale Media on vertikaalne tõusukiirus meetrites tunnis, kilo kohta tõusuvõimsuse näitaja. (Allikas: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Madalatel tõusukiirustel kulub peaaegu kogu võimsus massi tõstmisele, seega määrab kiiruse W/kg. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Kui tõusud pole pikad ja järsud, teeb kiirusel veedetud aeg aerodünaamika suuremaks teguriks. (Allikas: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Kiirus kasvab, kuni takistus- ja veeretusjõud võrdsustuvad allamäge tõmbava gravitatsioonikomponendiga. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Allamäge suunatud jõud kasvab massiga, kuid takistus sõltub CdA-st ja kiirusest, seega saavutab raskem sõitja suurema tasakaalukiiruse. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Aerodünaamiline võimsus kasvab õhukiiruse kuubiga, seega moodustab see tõusukiirustel kogu võimsusest väikese osa. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Suurtel laskumiskiirustel säästab aerodünaamiline asend kõige rohkem aega; aeglastel tõusukiirustel loevad rohkem võimsus ja hingamine. (Allikas: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Mass loeb kõige rohkem seal, kus gravitatsioon domineerib; tasasel teel ja laskumistel on selle mõju väike või isegi veidi negatiivne. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

## Test 8: Tuul rattasõidul

- Takistus sõltub õhu kiirusest sõitja suhtes, mis hõlmab ka igasugust tuult. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Kuna takistus kasvab õhukiirusega järsult ja aeglasel vastutuulelõigul veedetakse rohkem aega, kaaluvad kaod võidud üle. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Vati kohta säästetud aeg on väikestel kiirustel suurem, seega parandab mõõdukas lisavõimsus aeglastel lõikudel kogu aega. (Allikas: Swain, Med Sci Sports Exerc 1997)
- Mõõduka külgnurga juures võib velg toimida nagu puri, tekitades ettepoole suunatud komponendiga tõstejõu, mis vähendab netotakistust. (Allikas: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Suuremad külgpinnad tekitavad tuuleiilide korral rohkem külgjõudu ja juhtimismomenti. (Allikas: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Kui õhk liigub sama kiirusega kui sõitja, lähenevad suhteline õhukiirus ja seega takistus nullile. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Sõitja väiksema kiiruse korral moodustab külgtuule komponent suhtelisest tuulest suurema osa, mis suurendab külgnurka. (Allikas: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Takistuse erinevused kasvavad õhukiiruse ruuduga, seega aerodünaamiline eelis kasvab vastutuules. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Näiv tuul on tegeliku tuule ja sõitja enda kiirusest tekkiva õhuvoolu vektorsumma. (Allikas: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Kiirel pealetuulelõigul veidi järeleandmine maksab vähe aega ja võimaldab rohkem võimsust seal, kus see ostab rohkem aega. (Allikas: Swain, Med Sci Sports Exerc 1997)

## Test 9: Kineetiline energia ja kiiruse muutused

- Kineetiline energia = 0,5 × mass × v ruudus. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Iga pidurdus hajutab kineetilist energiat, mille sõitja peab kiirendades võimsusega tagasi maksma. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Sujuv kurvisõit säilitab kiiruse, vähendades korduvat kulu võistlustempole tagasi kiirendamisel. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 0,5 × 80 × (11,1 ruudus − 5,6 ruudus) on umbes 3,7 kJ, enne takistuskadusid. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Hoog viib sõitja lühikestesse tõusudesse, mistõttu on tõusu sisenemine kiirusega tõhus. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Pöörlev ratas lisab pöörlemisenergiat, kuid lisa on tagasihoidlik ja loeb vaid siis, kui kiirus muutub sageli. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Korduv aeglustamine ja kiirendamine muudab võimsuspursked ja juhitavuse puhta aerodünaamikaga võrreldes olulisemaks. (Allikas: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Lühikesed kiirendused maksavad nii kineetilist energiat kui ka kuupvõrdelist aerodünaamilist võimsust; võit on sageli väike. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Tagumised sõitjad pidurdavad rohkem ja peavad kiirendama tugevamini, seega venitab akordioniefekt gruppi. (Allikas: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Kuna takistusvõimsus kasvab kiiruse kuubiga, nõuab ebaühtlane sõit sama keskmise kiiruse juures rohkem energiat. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

## Test 10: Kiiruse ja võimsuse arvutused

- Kuna võimsus kasvab tasasel teel ligikaudu kiiruse kuubiga, muutub kiirus umbes kolmandiku võrra võimsuse muutusest. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Viis tundi 1 % kiiremini säästab umbes 1 % 300 minutist, ligikaudu 3 minutit. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- (36/40) kuubis on umbes 0,73 ja 0,73 × 250 on umbes 182 W. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Vati kohta säästetud aeg on suurem väiksemal kiirusel ja kogunev pikema sõidu jooksul. (Allikas: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Töö = võimsus × aeg: 200 J/s × 3600 s = 720 000 J. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 4,18 kJ toiduenergia põletamine, et teha umbes 1 kJ tööd ~24 % kasuteguriga, muudab arvud peaaegu võrdseks. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Vaid umbes viiendik kuni veerand ainevahetusenergiast muutub võimsuseks pedaalidel; ülejäänu on soojus. (Allikas: Coyle et al., Med Sci Sports Exerc 1992)
- Kasuteguri ~20–25 % juures lahkub enamik energiast soojusena, mille keha peab hajutama. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 4 % võimsusekvivalentne kokkuhoid annab kiiruses ligikaudu kolmandiku sellest, umbes 1,3 %. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Kiirus on võrdeline võimsuse/CdA kuupjuurega, seega annab 10 % CdA vähendamine umbes 3,5 % rohkem kiirust. (Allikas: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

Allikad: Eelretsenseeritud spordiinseneeria ja füsioloogia kirjandus, kindlalt tuvastatud faktide jaoks avaldatud testandmed ja standardid

Tee testid: https://insporta.app/try?utm_source=book&utm_medium=referral