Аэродинамика и физика велоспорта

Валидированная модель Martin суммирует аэродинамические потери, потери на качение, в подшипниках и в трансмиссии, гравитационную составляющую на уклонах и изменения кинетической энергии.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · знание

Сила сопротивления = 0,5 x плотность воздуха x CdA x v в квадрате, поэтому удвоение скорости воздуха учетверяет силу.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · знание

Мощность это сила, умноженная на скорость, поэтому аэродинамическая мощность растёт как v в кубе.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · знание

Поскольку аэродинамическая мощность растёт как куб скорости, 2 x 2 x 2 = в 8 раз больше мощности.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · применение

На гоночных скоростях на ровной дороге преобладает аэродинамическое сопротивление; сопротивление качению и потери в трансмиссии составляют остальное.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · знание

Сила сопротивления качению примерно постоянна, поэтому поглощаемая ею мощность растёт примерно линейно со скоростью.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · знание

Модель объяснила около 97% вариации измеренной мощности, с ошибками в несколько ватт.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · знание

Плотность воздуха (rho) зависит от высоты, температуры, давления и влажности, а не от гонщика.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · знание

CdA объединяет безразмерный коэффициент сопротивления с площадью, поэтому выражается в квадратных метрах.

Источник: Debraux et al., Sports Biomech 2011 · знание

1,1 в кубе это около 1,33, поэтому аэродинамическая часть потребной мощности растёт примерно на треть.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · применение

Стандартная атмосфера даёт около 1,225 kg/m3 на уровне моря и при 15 C.

Источник: International Standard Atmosphere (ISO 2533) · знание

Плотность воздуха падает примерно на одну десятую на каждый километр высоты вблизи уровня моря.

Источник: International Standard Atmosphere (ISO 2533) · знание

Меньшая плотность воздуха на высоте Мехико уменьшала сопротивление достаточно, чтобы перевесить меньшую доступность кислорода.

Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017 · знание

Сопротивление падает с плотностью, но максимальная аэробная мощность тоже падает; итог зависит от высоты и длительности соревнования.

Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017 · применение

Плотность обратно пропорциональна абсолютной температуре, поэтому горячий воздух оказывает немного меньшее сопротивление.

Источник: International Standard Atmosphere (ISO 2533) · знание

Переход от 278 K к 308 K снижает плотность примерно на 10%, что на такую же долю сокращает аэродинамическую мощность при заданной скорости.

Источник: International Standard Atmosphere (ISO 2533) · применение

Водяной пар легче азота и кислорода, которые он вытесняет, поэтому влажный воздух немного менее плотный.

Источник: International Standard Atmosphere (ISO 2533) · знание

При той же мощности и CdA меньшая плотность воздуха в жару позволяет достичь большей скорости, поэтому промежуточное время нельзя сравнивать напрямую.

Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017 · применение

Измеренная сила сопротивления отражает и CdA, и плотность воздуха; чтобы их разделить, нужны температура, давление и влажность.

Источник: Debraux et al., Sports Biomech 2011 · знание

При мощности, пропорциональной плотности x v в кубе, скорость растёт примерно на кубический корень из 1/0,9, то есть примерно на 3,5%.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · применение

Данные аэродинамической трубы и трека дают для лучших гонщиков на раздельном старте примерно 0,20-0,23 m2.

Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017 · знание

Прямая шоссейная посадка примерно вдвое увеличивает площадь сопротивления по сравнению с лучшими позициями для раздельного старта.

Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017 · знание

0,5 x 1,225 x 0,01 x (11,1 m/s) в кубе это около 8 W.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · применение

Cd отражает форму и характер обтекания; умноженный на лобовую площадь, он даёт CdA.

Источник: Debraux et al., Sports Biomech 2011 · знание

Измеренные проекции лобовой площади гонщиков в аэродинамической позиции обычно составляют около 0,3-0,4 m2.

Источник: Debraux et al., Sports Biomech 2011 · знание

Насколько плавно воздух обтекает тело, то есть часть Cd, зависит от позы, одежды и формы.

Источник: Debraux et al., Sports Biomech 2011 · применение

Несколько ватт, сэкономленных на гоночной скорости, складываются; на 180 km небольшое улучшение CdA может стоить нескольких минут.

Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017 · применение

На километр сэкономленное время в секундах больше, когда вы находитесь на трассе дольше, хотя экономия в ваттах меньше.

Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017 · применение

Трубы часто указывают силу сопротивления при опорной скорости, которую можно перевести в CdA с помощью плотности и скорости.

Источник: Debraux et al., Sports Biomech 2011 · знание

Каждые 0,01 m2 это около 8 W при 40 km/h, так что 0,02 m2 стоят примерно 16 W.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · применение

Воздух непосредственно у поверхности замедляется трением, образуя тонкий пограничный слой, поведение которого определяет сопротивление.

Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017 · знание

Турбулентный слой сопротивляется отрыву, задерживая его и создавая меньший след низкого давления.

Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017 · знание

Как лунки на мяче для гольфа, текстура может вызывать более ранний переход к турбулентности на цилиндрах, таких как руки.

Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017 · знание

При критическом числе Рейнольдса пограничный слой становится турбулентным, и сопротивление резко падает; это кризис сопротивления.

Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017 · знание

Оно зависит от скорости, размера и вязкости жидкости и предсказывает, будет ли течение ламинарным или турбулентным.

Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017 · знание

На плохообтекаемых формах при скоростях езды на велосипеде гладкая поверхность может сохранять ламинарный слой, который рано отрывается, увеличивая сопротивление.

Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017 · применение

Их испытания 2014 года показали, что бритые ноги уменьшали сопротивление на несколько процентов, что оценивается примерно в 50-80 секунд на 40 km.

Источник: Specialized Win Tunnel, 2014 · знание

Конструкции Kammtail обрезают хвост там, где остаётся мало аэродинамической пользы, экономя вес и боковую силу.

Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017 · знание

Каждая текстура вызывает переход при определённом числе Рейнольдса, поэтому костюмы настраивают под ожидаемые гоночные скорости.

Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017 · применение

Развевающийся материал создаёт нестационарное отрывное течение, увеличивая сопротивление сверх его малой площади.

Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017 · знание

Трубы контролируют скорость воздуха и угол рыскания, делая малые различия измеримыми и воспроизводимыми.

Источник: Debraux et al., Sports Biomech 2011 · знание

Езда на постоянной скорости на крытом треке с измерением мощности позволяет оценить CdA при малом ветре.

Источник: Debraux et al., Sports Biomech 2011 · знание

Если CdA и Crr верны, смоделированный профиль высот совпадает с реальной дорогой; значения подбирают, пока это не произойдёт.

Источник: Chung, Estimating CdA with a power meter (2012) · знание

CFD численно решает уравнения течения, позволяя отсеять много форм до физических испытаний.

Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017 · знание

Измерение скорости воздуха и плотности на велосипеде убирает часть догадок о ветре в полевых тестах.

Источник: Debraux et al., Sports Biomech 2011 · знание

Порывы, движение транспорта и небольшие изменения позиции делают полевые результаты менее точными, если не повторять тесты тщательно.

Источник: Debraux et al., Sports Biomech 2011 · знание

Насколько быстро падает скорость при накате по ровной поверхности, отражает совокупное аэродинамическое сопротивление и сопротивление качению.

Источник: Debraux et al., Sports Biomech 2011 · знание

Рейтинг оборудования может меняться с углом рыскания, поэтому результаты приводят для диапазона углов ветра.

Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017 · знание

Возвращение к базовому варианту позволяет проверить дрейф условий и позиции гонщика в ходе сессии.

Источник: Debraux et al., Sports Biomech 2011 · знание

Абсолютный CdA зависит от метода; сравнения конфигураций в рамках одного метода надёжнее, чем итоги разных методов.

Источник: Debraux et al., Sports Biomech 2011 · применение

Езда за колесом с малым зазором уменьшает сопротивление следующего гонщика примерно на треть или более.

Источник: Kyle, Ergonomics 1979 · знание

Следующий гонщик повышает давление позади лидера, уменьшая сопротивление лидера на несколько процентов.

Источник: Blocken et al., J Wind Eng Ind Aerodyn 2013 · знание

Гонщики в середине и в хвосте большого пелотона испытывали лишь малую долю сопротивления одиночного гонщика.

Источник: Blocken et al., J Wind Eng Ind Aerodyn 2018 · знание

Низкоскоростной след позади гонщика с расстоянием перемешивается, поэтому укрытие ослабевает.

Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017 · знание

При необходимых больших зазорах след в значительной степени восстанавливается, поэтому оставшаяся польза мала, но не нулевая.

Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017 · знание

Blocken показал, что транспортное средство позади гонщика повышает давление позади него, уменьшая сопротивление, что может иметь значение на раздельных стартах.

Источник: Blocken et al., J Wind Eng Ind Aerodyn 2016 · знание

При боковом ветре след смещается вбок, поэтому эшелоны образуются по диагонали поперёк дороги.

Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017 · знание

На крутых подъёмах скорость низкая и доминирует гравитация, поэтому аэродинамическое укрытие экономит мало мощности.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · применение

Сопротивление лидера близко к сопротивлению одиночного гонщика, тогда как следующие едут в его следе.

Источник: Blocken et al., J Wind Eng Ind Aerodyn 2013 · применение

Меньшее сопротивление означает, что для удержания той же скорости нужно меньше механической мощности.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · знание

Гравитационная мощность = масса x g x скорость x синус угла уклона.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · знание

1 kg x 9,81 x 4,17 m/s x 0,08 это около 3,3 W.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · применение

Velocita Ascensionale Media это скорость вертикального набора высоты в метрах в час, показатель мощности подъёма на килограмм.

Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017 · знание

При низких скоростях подъёма почти вся мощность идёт на подъём массы, поэтому скорость определяет W/kg.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · знание

Если подъёмы не длинные и не крутые, время, проведённое на скорости, делает аэродинамику более важным фактором.

Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017 · применение

Скорость растёт, пока силы сопротивления воздуха и качения не сравняются с составляющей силы тяжести, тянущей вниз по склону.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · знание

Сила, действующая вниз по склону, растёт с массой, а сопротивление зависит от CdA и скорости, поэтому более тяжёлый гонщик достигает более высокой равновесной скорости.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · знание

Аэродинамическая мощность растёт как куб скорости воздуха, поэтому на скоростях подъёма она составляет малую долю общей мощности.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · знание

На высоких скоростях спуска аэродинамическая позиция экономит больше всего времени; на медленных скоростях подъёма важнее мощность и дыхание.

Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017 · применение

Масса важнее всего там, где доминирует гравитация; на равнине и на спусках она мало влияет или даже слегка отрицательно.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · применение

Сопротивление зависит от скорости воздуха относительно гонщика, которая включает любой ветер.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · знание

Поскольку сопротивление резко растёт со скоростью воздуха, а на медленном участке против ветра проводится больше времени, потери перевешивают выигрыш.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · применение

Время, сэкономленное на ватт, больше на низких скоростях, поэтому умеренная дополнительная мощность на медленных участках улучшает общее время.

Источник: Swain, Med Sci Sports Exerc 1997 · применение

При умеренном угле рыскания обод может действовать как парус, создавая подъёмную силу с передней составляющей, уменьшающей итоговое сопротивление.

Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017 · знание

Более крупные боковые площади создают большую боковую силу и рулевой момент при ударе порыва.

Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017 · знание

Если воздух движется с той же скоростью, что и гонщик, относительная скорость воздуха и, следовательно, сопротивление приближаются к нулю.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · знание

При меньшей скорости гонщика составляющая бокового ветра составляет большую долю относительного ветра, увеличивая угол рыскания.

Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017 · знание

Различия в сопротивлении растут пропорционально квадрату скорости воздуха, поэтому аэродинамическое преимущество увеличивается при встречном ветре.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · применение

Кажущийся ветер это векторная сумма истинного ветра и воздушного потока, создаваемого собственной скоростью гонщика.

Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017 · знание

Небольшое ослабление усилий на быстром участке с попутным ветром стоит мало времени и позволяет вложить больше мощности там, где она даёт больше времени.

Источник: Swain, Med Sci Sports Exerc 1997 · применение

Кинетическая энергия = 0,5 x масса x v в квадрате.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · знание

Каждое торможение рассеивает кинетическую энергию, которую гонщик должен вернуть мощностью при разгоне.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · знание

Плавное прохождение поворотов сохраняет скорость, уменьшая повторяющиеся затраты на разгон до гоночного темпа.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · применение

0,5 x 80 x (11,1 в квадрате - 5,6 в квадрате) это около 3,7 kJ, не считая потерь на сопротивление.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · применение

Инерция несёт гонщика в короткие подъёмы, поэтому сохранение скорости перед подъёмом эффективно.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · знание

Вращающееся колесо добавляет энергию вращения, но добавка скромна и важна только при частых изменениях скорости.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · знание

Повторяющиеся замедления и разгоны делают всплески мощности и управляемость более важными по сравнению с чистой аэродинамикой.

Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017 · применение

Кратковременные ускорения стоят и кинетической энергии, и аэродинамической мощности в кубической зависимости; выигрыш часто мал.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · применение

Гонщики в хвосте тормозят чаще и должны разгоняться сильнее, поэтому эффект гармошки растягивает группу.

Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017 · знание

Поскольку мощность сопротивления растёт как куб скорости, неравномерная езда при той же средней скорости требует больше энергии.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · применение

Поскольку на равнине мощность растёт примерно как куб скорости, скорость меняется примерно на треть от любого изменения мощности.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · применение

Пять часов при скорости на 1% выше экономят около 1% от 300 минут, то есть примерно 3 минуты.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · применение

(36/40) в кубе это около 0,73, а 0,73 x 250 это около 182 W.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · применение

Время, сэкономленное на ватт, больше на меньшей скорости и накапливается на более долгой поездке.

Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017 · применение

Работа = мощность x время: 200 J/s x 3600 s = 720 000 J.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · знание

Сжигание 4,18 kJ пищевой энергии для совершения около 1 kJ работы при КПД ~24% делает числа почти равными.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · знание

Лишь примерно от пятой до четвёртой части метаболической энергии становится мощностью на педалях; остальное тепло.

Источник: Coyle et al., Med Sci Sports Exerc 1992 · знание

При КПД около 20-25% большая часть энергии уходит в виде тепла, которое организм должен рассеивать.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · знание

Экономия, эквивалентная 4% мощности, даёт примерно треть от этого в скорости, около 1,3%.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · применение

Скорость пропорциональна кубическому корню из мощность/CdA, поэтому снижение CdA на 10% даёт около 3,5% прироста скорости.

Источник: Martin et al., J Appl Biomech 1998 · применение