铁人三项 · 等级8:专家 · 子等级 8.1
自行车空气动力学与物理
10项测试 · 100条事实 · 更新于 2026年10月12日 · markdown
自行车速度背后的物理:功率方程、空气密度、数字中的CdA、边界层与表面、如何测量阻力、尾随、爬坡与坡度、风、动能,以及速度-功率计算。
下面每项测试在 Insporta 上都是十道题。测试下方的清单列出这些题考查的内容:每题一条事实,并附所依据的来源。可以先读清单再做测试,答错后也可以回来查看。
测试 1自行车功率方程参加测试
Martin经过验证的模型把空气阻力、滚动阻力、轴承损耗和传动系统损耗相加,再加上坡道上的重力项和动能变化。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 记忆
阻力 = 0.5 × 空气密度 × CdA × v的平方,因此空气速度翻倍,阻力变为4倍。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 记忆
功率等于力乘以速度,因此空气阻力功率与v的三次方成正比。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 记忆
由于空气阻力功率与速度的三次方成正比,所以功率是2 × 2 × 2 = 8倍。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 应用
滚动阻力大致恒定,因此它消耗的功率大致随速度线性上升。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 记忆
该模型解释了实测功率变化的约97%,误差只有几瓦。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 记忆
空气密度(rho)取决于海拔、温度、气压和湿度,而不取决于骑行者。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 记忆
CdA由无量纲的阻力系数与一个面积相乘得出,因此以平方米表示。
来源:Debraux et al., Sports Biomech 2011 · 记忆
1.1的三次方约为1.33,因此功率需求中的空气阻力部分约增加三分之一。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 应用
测试 2空气密度与环境条件参加测试
标准大气在海平面和15℃时约为1.225千克/立方米。
来源:International Standard Atmosphere (ISO 2533) · 记忆
在海平面附近,海拔每升高1公里,空气密度下降约十分之一。
来源:International Standard Atmosphere (ISO 2533) · 记忆
墨西哥城海拔处较低的空气密度所减少的阻力,足以抵消较低的氧气供应带来的不利影响。
来源:Crouch et al., Sports Eng 2017 · 记忆
阻力随密度下降,但最大有氧功率也会下降;净效果取决于海拔和赛事时长。
来源:Crouch et al., Sports Eng 2017 · 应用
密度与绝对温度成反比,因此热空气带来的阻力略小。
来源:International Standard Atmosphere (ISO 2533) · 记忆
从278 K升到308 K,密度约下降10%,在给定速度下,空气阻力功率也随之减少相同的比例。
来源:International Standard Atmosphere (ISO 2533) · 应用
水蒸气比它所取代的氮气和氧气更轻,因此潮湿空气的密度略低。
来源:International Standard Atmosphere (ISO 2533) · 记忆
在功率和CdA相同的情况下,高温下较低的空气密度允许更快的速度,因此分段成绩无法直接比较。
来源:Crouch et al., Sports Eng 2017 · 应用
测得的阻力同时反映CdA和空气密度;要把两者分开,需要温度、气压和湿度。
来源:Debraux et al., Sports Biomech 2011 · 记忆
功率与密度 × v的三次方成正比,因此速度约提高1/0.9的立方根,大约3.5%。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 应用
测试 3数字中的CdA参加测试
风洞和赛道数据显示,顶尖计时赛选手的CdA大约为0.20—0.23平方米。
来源:Crouch et al., Sports Eng 2017 · 记忆
与最佳计时赛姿势相比,直立的公路骑行姿势使阻力面积大约翻倍。
来源:Crouch et al., Sports Eng 2017 · 记忆
0.5 × 1.225 × 0.01 × (11.1米/秒)的三次方约为8瓦。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 应用
Cd反映外形和气流特性;乘以迎风面积即得CdA。
来源:Debraux et al., Sports Biomech 2011 · 记忆
实测的骑行者在空气动力学姿势下的投影迎风面积通常约为0.3—0.4平方米。
来源:Debraux et al., Sports Biomech 2011 · 记忆
空气绕过身体的流畅程度,即Cd部分,随姿势、服装和体形而变化。
来源:Debraux et al., Sports Biomech 2011 · 应用
在比赛速度下节省几瓦会积少成多;在180公里中,CdA的小幅改善可能值好几分钟。
来源:Crouch et al., Sports Eng 2017 · 应用
每公里节省的时间(以秒计),在骑行时间越长时越大,尽管节省的瓦数更小。
来源:Crouch et al., Sports Eng 2017 · 应用
风洞通常给出某一参考速度下的阻力,再结合密度和速度换算成CdA。
来源:Debraux et al., Sports Biomech 2011 · 记忆
每0.01平方米在40公里/小时下约相当于8瓦,因此0.02平方米大约值16瓦。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 应用
测试 4边界层与表面参加测试
紧贴表面的空气会因摩擦而减速,形成很薄的边界层,其行为决定了阻力的大小。
来源:Crouch et al., Sports Eng 2017 · 记忆
湍流层不易分离,使分离推迟,并产生较小的低压尾流。
来源:Crouch et al., Sports Eng 2017 · 记忆
就像高尔夫球上的凹坑一样,纹理可以使手臂等圆柱体上的气流更早转变为湍流。
来源:Crouch et al., Sports Eng 2017 · 记忆
在临界雷诺数下,边界层变为湍流,阻力急剧下降,这就是阻力危机。
来源:Crouch et al., Sports Eng 2017 · 记忆
它取决于速度、尺寸和流体黏度,并可预测流动是层流还是湍流。
来源:Crouch et al., Sports Eng 2017 · 记忆
在骑行速度下的钝体上,光滑表面可能保持层流层,而层流层会过早分离,从而增加阻力。
来源:Crouch et al., Sports Eng 2017 · 应用
他们2014年的测试发现,剃腿使阻力降低几个百分点,估计在40公里中可节省约50—80秒。
来源:Specialized Win Tunnel, 2014 · 记忆
Kammtail设计截去了尾部气流收益已很小的部分,从而减轻重量并减小侧向力。
来源:Crouch et al., Sports Eng 2017 · 记忆
每种纹理都在特定的雷诺数下触发转变,因此泳衣是按预期的比赛速度来调校的。
来源:Crouch et al., Sports Eng 2017 · 应用
飘动的材料会产生不稳定的分离流,使阻力增加的幅度超过其很小的面积所对应的水平。
来源:Crouch et al., Sports Eng 2017 · 记忆
测试 5测量空气阻力参加测试
风洞可以控制空气速度和偏航角,使微小的差异可测量、可重复。
来源:Debraux et al., Sports Biomech 2011 · 记忆
在室内赛道上以稳定速度骑行并测量功率,可以在几乎无风的条件下估算CdA。
来源:Debraux et al., Sports Biomech 2011 · 记忆
如果CdA和Crr正确,模拟出的海拔剖面就会与真实道路吻合;这些数值要一直调整到吻合为止。
来源:Chung, Estimating CdA with a power meter (2012) · 记忆
CFD通过数值方法求解流动方程,可以在实物测试之前筛选许多外形。
来源:Crouch et al., Sports Eng 2017 · 记忆
在自行车上测量空气速度和密度,可以减少野外测试中对风的一些猜测。
来源:Debraux et al., Sports Biomech 2011 · 记忆
阵风、车流和细微的姿势变化会使野外测试结果不够精确,除非认真重复测试。
来源:Debraux et al., Sports Biomech 2011 · 记忆
在平坦路面上滑行时速度下降的快慢,反映了空气阻力和滚动阻力的综合作用。
来源:Debraux et al., Sports Biomech 2011 · 记忆
器材的排名可能随偏航角而变化,因此结果要在一系列风向角度范围内报告。
来源:Crouch et al., Sports Eng 2017 · 记忆
回到基线可以检查整个测试过程中条件和骑行者姿势是否发生漂移。
来源:Debraux et al., Sports Biomech 2011 · 记忆
绝对CdA因方法而异;同一方法内对不同配置的比较,比跨方法的总数更可靠。
来源:Debraux et al., Sports Biomech 2011 · 应用
测试 6尾随的物理参加测试
近距离跟轮能使后面骑行者的阻力降低大约三分之一或更多。
来源:Kyle, Ergonomics 1979 · 记忆
后面的骑行者会使领骑者身后的压力升高,使领骑者的阻力降低几个百分点。
来源:Blocken et al., J Wind Eng Ind Aerodyn 2013 · 记忆
在大型主集团中间和后部的骑行者,只承受单骑阻力的一小部分。
来源:Blocken et al., J Wind Eng Ind Aerodyn 2018 · 记忆
骑行者身后的低速尾流会随距离而混合消散,因此遮挡效果减弱。
来源:Crouch et al., Sports Eng 2017 · 记忆
在规则要求的较长间距上,尾流已基本恢复,因此剩下的益处很小,但并非为零。
来源:Crouch et al., Sports Eng 2017 · 记忆
Blocken表明,骑行者身后的车辆会使其身后的压力升高、阻力降低,这在计时赛中可能有影响。
来源:Blocken et al., J Wind Eng Ind Aerodyn 2016 · 记忆
在侧风中,尾流向一侧偏移,这就是梯形队形斜着横跨路面形成的原因。
来源:Crouch et al., Sports Eng 2017 · 记忆
在陡坡爬升时速度低、重力占主导,因此空气动力学遮挡节省的功率很少。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 应用
领骑者的阻力与单骑者接近,而跟骑者则骑在其尾流中。
来源:Blocken et al., J Wind Eng Ind Aerodyn 2013 · 应用
阻力越小,维持相同速度所需的机械功率就越少。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 记忆
测试 7爬坡、重量与坡度参加测试
重力功率 = 质量 × g × 速度 × 坡度角的正弦。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 记忆
1千克 × 9.81 × 4.17米/秒 × 0.08约为3.3瓦。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 应用
Velocita Ascensionale Media是以米/小时计的垂直爬升速率,可作为每千克爬坡功率的近似指标。
来源:Crouch et al., Sports Eng 2017 · 记忆
在低爬坡速度下,几乎所有功率都用于提升质量,因此瓦/千克决定速度。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 记忆
除非爬坡又长又陡,否则以较高速度行进的时间会使空气动力学成为更大的因素。
来源:Crouch et al., Sports Eng 2017 · 应用
速度会不断上升,直到阻力和滚动阻力之和等于重力沿下坡方向的分力。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 记忆
下坡方向的力随质量增加,而阻力取决于CdA和速度,因此较重的骑行者会达到更高的平衡速度。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 记忆
空气阻力功率与空气速度的三次方成正比,因此在爬坡速度下,它只占总功率的一小部分。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 记忆
在高速下坡时,空气动力学姿势节省的时间最多;在缓慢爬坡时,功率和呼吸更重要。
来源:Crouch et al., Sports Eng 2017 · 应用
在重力占主导的路段,质量的影响最大;在平路和下坡路段,它的影响很小,甚至略为不利。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 应用
测试 8骑行中的风参加测试
阻力取决于空气相对于骑行者的速度,其中包括任何风。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 记忆
由于阻力随空气速度急剧上升,而且在缓慢的逆风段花费的时间更多,所以损失大于收益。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 应用
每瓦节省的时间在低速时更多,因此在缓慢路段适度增加功率,可以缩短总用时。
来源:Swain, Med Sci Sports Exerc 1997 · 应用
在中等偏航角下,轮圈可以像帆一样工作,产生带有向前分量的升力,从而降低净阻力。
来源:Crouch et al., Sports Eng 2017 · 记忆
侧面积越大,阵风袭来时产生的侧向力和转向扭矩就越大。
来源:Crouch et al., Sports Eng 2017 · 记忆
如果空气以与骑行者相同的速度移动,相对空气速度以及阻力就趋近于零。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 记忆
骑行者速度较低时,侧风分量在相对风中所占的比例更大,从而使偏航角增大。
来源:Crouch et al., Sports Eng 2017 · 记忆
阻力差异与空气速度的平方成正比,因此空气动力学优势在逆风中会扩大。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 应用
视风是真风与骑行者自身速度所产生气流的矢量和。
来源:Crouch et al., Sports Eng 2017 · 记忆
在快速的顺风段略微放松几乎不损失时间,却能把更多功率用在更能换取时间的地方。
来源:Swain, Med Sci Sports Exerc 1997 · 应用
测试 9动能与速度变化参加测试
动能 = 0.5 × 质量 × v的平方。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 记忆
每次刹车都会耗散动能,而骑行者在加速时必须用功率把它补回来。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 记忆
平顺过弯能保持速度,减少反复加速回比赛配速的代价。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 应用
0.5 × 80 × (11.1的平方 - 5.6的平方)约为3.7千焦,尚未计入阻力损失。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 应用
动量会带着骑行者冲上短坡,这就是为什么保持速度冲上坡很有效率。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 记忆
旋转的车轮会增加转动能量,但增加的量不大,只有在速度频繁变化时才有影响。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 记忆
反复减速和加速,使爆发功率和操控相对于纯粹的空气动力学更为重要。
来源:Crouch et al., Sports Eng 2017 · 应用
短暂的加速既消耗动能,又消耗与速度三次方相关的空气阻力功率;收益往往很小。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 应用
位于后部的骑行者刹车更多、必须加速得更猛,因此手风琴效应会把车队拉长。
来源:Crouch et al., Sports Eng 2017 · 记忆
由于阻力功率随速度的三次方上升,在平均速度相同的情况下,不均匀地骑行需要更多能量。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 应用
测试 10速度与功率计算参加测试
由于在平路上功率大致随速度的三次方增长,所以速度的变化约为功率变化的三分之一。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 应用
五个小时快1%,可节省300分钟的约1%,大约3分钟。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 应用
(36/40)的三次方约为0.73,而0.73 × 250约为182瓦。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 应用
每瓦节省的时间在速度较低时更多,并且随骑行时间变长而累积。
来源:Crouch et al., Sports Eng 2017 · 应用
功 = 功率 × 时间:200焦/秒 × 3600秒 = 720,000焦。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 记忆
以约24%的效率,燃烧4.18千焦食物能量来做约1千焦的功,使两个数字几乎相等。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 记忆
只有约五分之一到四分之一的代谢能量变成踏板上的功率;其余变成热量。
来源:Coyle et al., Med Sci Sports Exerc 1992 · 记忆
效率约为20—25%时,大部分能量以热量形式散失,身体必须将其散发出去。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 记忆
节省4%的等效功率,大约换来其三分之一的速度提升,约为1.3%。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 应用
速度与功率/CdA的立方根成正比,因此CdA降低10%,速度约提高3.5%。
来源:Martin et al., J Appl Biomech 1998 · 应用
来源
经同行评审的运动工程学与生理学文献,已成定论的事实以已发表的测试数据与标准为准
- Martin et al., J Appl Biomech 199841
- Crouch et al., Sports Eng 201731
- Debraux et al., Sports Biomech 201113
- International Standard Atmosphere (ISO 2533)5
- Blocken et al., J Wind Eng Ind Aerodyn 20132
- Swain, Med Sci Sports Exerc 19972
- Specialized Win Tunnel, 20141
- Chung, Estimating CdA with a power meter (2012)1
- Kyle, Ergonomics 19791
- Blocken et al., J Wind Eng Ind Aerodyn 20181
- Blocken et al., J Wind Eng Ind Aerodyn 20161
- Coyle et al., Med Sci Sports Exerc 19921