# Pyöräilyn aerodynamiikka ja fysiikka · Triathlon, Taso 8: Asiantuntija

Triathlon · Taso 8: Asiantuntija · Insporta Book (https://book.insporta.app/fi/triathlon/level-8/cycling-aerodynamics-and-physics/)

Pyöräilyn aerodynamiikka ja fysiikka: 100 faktaa, 10 testiä.

Pyörän nopeuden taustalla oleva fysiikka: tehoyhtälö, ilman tiheys, CdA lukuina, rajakerrokset ja pinnat, vastuksen mittaaminen, peesaus, nousut ja kaltevuudet, tuuli, liike-energia sekä nopeuden ja tehon laskelmat.

## Testi 1: Pyöräilyn tehoyhtälö

- Martinin validoitu malli laskee yhteen aerodynaamiset, vierintä-, laakeri- ja voimansiirtohäviöt, nousuilla painovoimatermin sekä liike-energian muutokset. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Ilmanvastus = 0,5 × ilman tiheys × CdA × v:n neliö, joten ilmannopeuden kaksinkertaistaminen nelinkertaistaa voiman. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Teho on voima kertaa nopeus, joten aerodynaaminen teho kasvaa nopeuden kolmantena potenssina. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Koska aerodynaaminen teho kasvaa nopeuden kolmantena potenssina, teho on 2 × 2 × 2 = 8-kertainen. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Kilpavauhdilla tasamaalla aerodynaaminen vastus on hallitseva; vierintävastus ja voimansiirtohäviöt muodostavat loput. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Vierintävastuksen voima on suunnilleen vakio, joten sen vaatima teho kasvaa nopeuden mukana suunnilleen lineaarisesti. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Malli selitti noin 97 % mitatun tehon vaihtelusta, ja virheet olivat muutaman watin luokkaa. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Ilman tiheys (rho) riippuu korkeudesta, lämpötilasta, paineesta ja kosteudesta, ei pyöräilijästä. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- CdA yhdistää dimensiottoman ilmanvastuskertoimen ja pinta-alan, joten se ilmoitetaan neliömetreinä. (Lähde: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- 1,1 kolmanteen on noin 1,33, joten tehontarpeen aerodynaaminen osuus kasvaa noin kolmanneksella. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

## Testi 2: Ilman tiheys ja olosuhteet

- Standardi-ilmakehässä tiheys on noin 1,225 kg/m3 merenpinnan tasolla ja 15 C:ssa. (Lähde: International Standard Atmosphere (ISO 2533))
- Ilman tiheys pienenee noin kymmenesosan jokaista korkeuskilometriä kohti merenpinnan lähellä. (Lähde: International Standard Atmosphere (ISO 2533))
- Meksikon korkeudella alhaisempi ilman tiheys pienensi ilmanvastusta riittävästi kumotakseen vähäisemmän hapen saatavuuden haitan. (Lähde: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Ilmanvastus pienenee tiheyden mukana, mutta myös maksimaalinen aerobinen teho pienenee; nettovaikutus riippuu korkeudesta ja kilpailun pituudesta. (Lähde: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Tiheys on kääntäen verrannollinen absoluuttiseen lämpötilaan, joten kuuma ilma vastustaa hieman vähemmän. (Lähde: International Standard Atmosphere (ISO 2533))
- Siirtyminen 278 K:sta 308 K:iin pienentää tiheyttä noin 10 %, mikä vähentää aerodynaamista tehoa tietyllä nopeudella saman verran. (Lähde: International Standard Atmosphere (ISO 2533))
- Vesihöyry on kevyempää kuin sen syrjäyttämä typpi ja happi, joten kostea ilma on hieman harvempaa. (Lähde: International Standard Atmosphere (ISO 2533))
- Samalla teholla ja CdA:lla kuumuudessa pienempi ilman tiheys sallii suuremman nopeuden, joten väliaikoja ei voi suoraan verrata. (Lähde: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Mitattu ilmanvastus heijastaa sekä CdA:ta että ilman tiheyttä; niiden erottaminen vaatii lämpötilan, paineen ja kosteuden tuntemista. (Lähde: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Kun teho on verrannollinen tiheyteen × v:n kuutio, nopeus kasvaa noin luvun 1/0,9 kuutiojuuren verran, eli suunnilleen 3,5 %. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

## Testi 3: CdA lukuina

- Tuulitunneli- ja ratadata asettavat parhaat aika-ajajat suunnilleen arvoon 0,20–0,23 m2. (Lähde: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Pystyasento maantiepyörällä suunnilleen kaksinkertaistaa ilmanvastuspinta-alan parhaisiin aika-ajoasentoihin verrattuna. (Lähde: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 0,5 × 1,225 × 0,01 × (11,1 m/s) kolmanteen on noin 8 W. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Cd kuvaa muotoa ja virtauksen käyttäytymistä; kerrottuna otsapinta-alalla se antaa CdA:n. (Lähde: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Aeroasennoissa olevien pyöräilijöiden mitatut projisoidut otsapinta-alat ovat tyypillisesti noin 0,3–0,4 m2. (Lähde: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Se, kuinka sujuvasti ilma virtaa kehon ympäri eli Cd-osa, vaihtelee asennon, vaatetuksen ja muodon mukaan. (Lähde: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Muutama kilpavauhdilla säästetty watti kertyy; 180 km:llä pieni CdA:n parannus voi olla useiden minuuttien arvoinen. (Lähde: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Kilometriä kohden säästetty aika sekunteina on suurempi, kun ollaan pidempään matkalla, vaikka watin säästö on pienempi. (Lähde: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Tunneleissa ilmoitetaan usein ilmanvastus tietyllä vertailunopeudella, joka muunnetaan CdA:ksi tiheyden ja nopeuden avulla. (Lähde: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Jokainen 0,01 m2 on noin 8 W nopeudella 40 km/h, joten 0,02 m2 on suunnilleen 16 W:n arvoinen. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

## Testi 4: Rajakerrokset ja pinnat

- Pinnan välittömässä läheisyydessä oleva ilma hidastuu kitkan vuoksi ja muodostaa ohuen rajakerroksen, jonka käyttäytyminen vaikuttaa ilmanvastukseen. (Lähde: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Turbulentti kerros vastustaa irtoamista, viivästyttää sitä ja tuottaa pienemmän matalapaineisen jälkivanan. (Lähde: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Kuten golfpallon kuopat, pinnan rakenne voi laukaista aikaisemman siirtymän turbulenssiin sylintereillä, kuten käsivarsilla. (Lähde: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Kriittisellä Reynoldsin luvulla rajakerros muuttuu turbulentiksi ja ilmanvastus putoaa jyrkästi, mitä kutsutaan vastuskriisiksi. (Lähde: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Se riippuu nopeudesta, koosta ja nesteen viskositeetista ja ennustaa, onko virtaus laminaarista vai turbulenttia. (Lähde: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Tylpillä muodoilla pyöräilyvauhdeilla sileä pinta voi säilyttää laminaarisen kerroksen, joka irtoaa aikaisin ja lisää ilmanvastusta. (Lähde: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Heidän vuoden 2014 kokeensa osoittivat, että ajeltu jalkojen karvoitus pienensi ilmanvastusta muutaman prosentin, arviolta noin 50–80 sekuntia 40 km:llä. (Lähde: Specialized Win Tunnel, 2014)
- Kammtail-mallit leikkaavat pois takaosan, jossa virtauksesta ei ole enää juuri hyötyä, ja säästävät painoa ja sivuvoimaa. (Lähde: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Jokainen pinnan rakenne laukaisee siirtymän tietyllä Reynoldsin luvulla, joten puvut viritetään odotettuihin kilpailuvauhteihin. (Lähde: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Lepattava materiaali luo epätasaista irtoavaa virtausta ja lisää ilmanvastusta pieneen pinta-alaansa nähden enemmän. (Lähde: Crouch et al., Sports Eng 2017)

## Testi 5: Ilmanvastuksen mittaaminen

- Tunneleissa ilmannopeutta ja sivuttaiskulmaa (yaw) hallitaan, jolloin pienet erot ovat mitattavissa ja toistettavissa. (Lähde: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Tasaisella nopeudella ajaminen sisäradalla tehomittauksen kanssa mahdollistaa CdA:n arvioimisen pienellä tuulella. (Lähde: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Jos CdA ja Crr ovat oikein, mallinnettu korkeusprofiili vastaa todellista tietä; arvoja viritetään, kunnes näin on. (Lähde: Chung, Estimating CdA with a power meter (2012))
- CFD ratkaisee virtausyhtälöt numeerisesti, jolloin monia muotoja voidaan seuloa ennen fyysistä testausta. (Lähde: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Ilmannopeuden ja tiheyden mittaaminen pyörässä poistaa osan tuulta koskevasta arvailusta kenttäkokeissa. (Lähde: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Puuskat, liikenne ja pienet asennonmuutokset tekevät kenttätuloksista epätarkempia, ellei testejä toisteta huolellisesti. (Lähde: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Se, kuinka nopeasti nopeus laskee vapaasti vierittäessä tasaisella pinnalla, heijastaa aerodynaamisen vastuksen ja vierintävastuksen yhteisvaikutusta. (Lähde: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Varusteiden paremmuusjärjestys voi muuttua sivuttaiskulman mukana, joten tulokset ilmoitetaan usean tuulikulman alueella. (Lähde: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Paluu lähtötasoon tarkistaa, onko olosuhteissa ja pyöräilijän asennossa tapahtunut ajautumista session aikana. (Lähde: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Absoluuttinen CdA vaihtelee menetelmän mukaan; saman menetelmän sisäiset asetusten vertailut ovat luotettavampia kuin menetelmien väliset kokonaisluvut. (Lähde: Debraux et al., Sports Biomech 2011)

## Testi 6: Peesauksen fysiikka

- Takarenkaassa kiinni peesaaminen lyhyellä etäisyydellä pienentää takana ajavan ilmanvastusta suunnilleen kolmanneksella tai enemmän. (Lähde: Kyle, Ergonomics 1979)
- Takana ajava nostaa painetta johtajan takana ja pienentää johtajan ilmanvastusta muutamalla prosentilla. (Lähde: Blocken et al., J Wind Eng Ind Aerodyn 2013)
- Suuren pelotonin keskellä ja takaosassa ajavat kokivat vain pienen osan yksinajajan ilmanvastuksesta. (Lähde: Blocken et al., J Wind Eng Ind Aerodyn 2018)
- Pyöräilijän takana oleva hidasvauhtinen jälkivana sekoittuu etäisyyden kasvaessa, joten suoja heikkenee. (Lähde: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Vaadituilla pitkillä väleillä jälkivana on suurelta osin palautunut, joten jäljellä oleva hyöty on pieni mutta ei olematon. (Lähde: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Blocken osoitti, että pyöräilijän takana oleva ajoneuvo nostaa paineita hänen takanaan ja pienentää ilmanvastusta, millä voi olla merkitystä aika-ajoissa. (Lähde: Blocken et al., J Wind Eng Ind Aerodyn 2016)
- Sivutuulessa jälkivana siirtyy sivuun, minkä vuoksi viuhkat (echelon) muodostuvat vinoon tien poikki. (Lähde: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Jyrkissä nousuissa nopeus on pieni ja painovoima hallitsee, joten aerodynaaminen suoja säästää vain vähän tehoa. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Johtajan ilmanvastus on lähellä yksinajajan vastusta, kun taas seuraajat ajavat hänen jälkivanassaan. (Lähde: Blocken et al., J Wind Eng Ind Aerodyn 2013)
- Pienempi ilmanvastus tarkoittaa, että saman nopeuden ylläpitämiseen tarvitaan vähemmän mekaanista tehoa. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

## Testi 7: Nousut, paino ja kaltevuudet

- Painovoimateho = massa × g × nopeus × nousukulman sini. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 1 kg × 9,81 × 4,17 m/s × 0,08 on noin 3,3 W. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Velocita Ascensionale Media on pystysuuntainen nousunopeus metreinä tunnissa, kilokohtaisen nousutehon mittari. (Lähde: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Pienillä nousunopeuksilla lähes kaikki teho kuluu massan nostamiseen, joten W/kg määrää nopeuden. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Ellei nousut ole pitkiä ja jyrkkiä, nopeudella kulutettu aika tekee aerodynamiikasta suuremman tekijän. (Lähde: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Nopeus kasvaa, kunnes ilmanvastus ja vierintävoimat vastaavat alamäkeen vetävää painovoiman komponenttia. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Alamäkeen vetävä voima kasvaa massan mukana, mutta ilmanvastus riippuu CdA:sta ja nopeudesta, joten painavampi pyöräilijä saavuttaa suuremman tasapainonopeuden. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Aerodynaaminen teho kasvaa ilmannopeuden kolmantena potenssina, joten nousuvauhdeilla se on pieni osa kokonaistehosta. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Suurilla laskuvauhdeilla aeroasento säästää eniten aikaa; hitailla nousuvauhdeilla teho ja hengitys ovat tärkeämpiä. (Lähde: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Massalla on suurin merkitys siellä, missä painovoima hallitsee; tasamaalla ja laskuissa sillä on vähän tai jopa hieman kielteinen vaikutus. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

## Testi 8: Tuuli pyörällä

- Ilmanvastus riippuu ilman nopeudesta pyöräilijään nähden, joka sisältää mahdollisen tuulen. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Koska ilmanvastus kasvaa jyrkästi ilmannopeuden mukana ja aikaa kuluu enemmän hitaalla vastatuuliosuudella, tappiot ylittävät hyödyt. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Watilla säästetty aika on suurempi pienillä nopeuksilla, joten hitailla osuuksilla käytetty maltillinen lisäteho parantaa kokonaisaikaa. (Lähde: Swain, Med Sci Sports Exerc 1997)
- Kohtalaisella sivuttaiskulmalla vanne voi toimia kuin purje ja tuottaa nostovoimaa, jonka eteenpäin suuntautuva komponentti pienentää nettoilmanvastusta. (Lähde: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Suuremmat sivupinta-alat tuottavat enemmän sivuvoimaa ja ohjausmomenttia, kun puuska osuu. (Lähde: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Jos ilma liikkuu samalla nopeudella kuin pyöräilijä, suhteellinen ilmannopeus ja siten ilmanvastus lähestyvät nollaa. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Pyöräilijän nopeuden ollessa pienempi sivutuulen komponentti muodostaa suuremman osan suhteellisesta tuulesta, mikä kasvattaa sivuttaiskulmaa. (Lähde: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Ilmanvastuksen erot skaalautuvat ilmannopeuden neliön mukana, joten aerodynaaminen etu kasvaa vastatuulessa. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Näennäinen tuuli on todellisen tuulen ja pyöräilijän oman nopeuden synnyttämän ilmavirran vektorisumma. (Lähde: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Hienoinen löysäily nopealla myötätuuliosuudella maksaa vähän aikaa ja sallii enemmän tehoa siellä, missä se tuo enemmän aikaa. (Lähde: Swain, Med Sci Sports Exerc 1997)

## Testi 9: Liike-energia ja nopeuden muutokset

- Liike-energia = 0,5 × massa × v:n neliö. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Jokainen jarrutus haihduttaa liike-energiaa, jonka pyöräilijän on maksettava takaisin tehona kiihdyttäessään. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Sujuva kaarreajo säilyttää nopeuden ja vähentää toistuvaa kustannusta, joka syntyy kiihdytettäessä takaisin kilpavauhtiin. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 0,5 × 80 × (11,1 toiseen − 5,6 toiseen) on noin 3,7 kJ, ennen ilmanvastuksen aiheuttamia häviöitä. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Liikemäärä kuljettaa pyöräilijän lyhyisiin nousuihin, minkä vuoksi nopeuden säilyttäminen nousuun mentäessä on tehokasta. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Pyörivä pyörä lisää pyörimisenergiaa, mutta lisä on vähäinen ja sillä on merkitystä vain, kun nopeus muuttuu usein. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Toistuva hidastaminen ja kiihdyttäminen tekevät tehopiikeistä ja ajohallinnasta tärkeämpiä suhteessa pelkkään aerodynamiikkaan. (Lähde: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Lyhyet kiihdytykset maksavat sekä liike-energiaa että kuutiollista aerodynaamista tehoa; hyöty on usein pieni. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Takana ajavat jarruttavat enemmän ja joutuvat kiihdyttämään kovemmin, joten harmonikkailmiö venyttää ryhmää. (Lähde: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Koska ilmanvastuksen teho kasvaa nopeuden kolmantena potenssina, epätasainen ajaminen samalla keskinopeudella vaatii enemmän energiaa. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

## Testi 10: Nopeuden ja tehon laskelmat

- Koska teho kasvaa tasamaalla suunnilleen nopeuden kolmantena potenssina, nopeus muuttuu noin kolmanneksen verran tehon muutoksesta. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Viisi tuntia 1 % nopeammin säästää noin 1 % 300 minuutista eli suunnilleen 3 minuuttia. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- (36/40) kolmanteen on noin 0,73, ja 0,73 × 250 on noin 182 W. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Watilla säästetty aika on suurempi pienemmällä nopeudella ja kertyy pidemmällä ajolla. (Lähde: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Työ = teho × aika: 200 J/s × 3600 s = 720 000 J. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Noin 1 kJ:n työn tekemiseen kuluu 4,18 kJ ravinnon energiaa noin 24 %:n hyötysuhteella, joten luvut ovat lähes yhtä suuret. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Vain noin viidesosa tai neljäsosa aineenvaihdunnan energiasta muuttuu tehoksi polkimille; loput on lämpöä. (Lähde: Coyle et al., Med Sci Sports Exerc 1992)
- Kun hyötysuhde on noin 20–25 %, suurin osa energiasta poistuu lämpönä, jonka kehon on haihdutettava. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 4 %:n tehoekvivalenttinen säästö tuo suunnilleen kolmanneksen siitä nopeuteen, noin 1,3 %. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Nopeus skaalautuu tehon ja CdA:n suhteen kuutiojuuren mukaan, joten 10 %:n CdA:n pienennys tuo noin 3,5 % lisää nopeutta. (Lähde: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

Lähteet: Vertaisarvioitu urheilutekniikan ja fysiologian kirjallisuus; vakiintuneiden tosiasioiden osalta julkaistut testidata ja standardit

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