Немного велосипедной физики — Бортжурнал безупречной биологической машины — LiveJournal
Итак, сегодня мы отложим в сторону аэродинамику и поговорим о трении качения и давлении в шинах. Прежде всего сам коэффициент трения качения колеса в зависимости от того, какая покрышка и камера на него установлена, может варьироваться примерно в 3 раза. От 0.002 до 0.006. Это приблизительно. Что это означает в реальных величинах? В первом приближении можно принять (в общем случае, вероятно это не так, но для оценки вполне годится), что эквивалентная сила тяги пропорционально массе велосипеда и велосипедиста, т.е. коэффциент трения качения создаёт некий «мнимый» или «кажущийся» уклон соответствующего градиента. Т.е. коэффициент трения 0.006 создаёт на плоскости как-будто бы ощущение движения в горку с уклоном 0.6%.
Для велосипедиста, весящего с велосипедом 80 кг (800 Н) это создаёт тягу назад равную 4.8Н. На дистанции в 40 км на преодоление этой силы требуется 192 кДж и, если принять, что человек проехал эту дистанцию за 60 минут (3600 сек), необходимо развить мощность в 192,000/3600 = 53 (Вт).
Много это или мало? По мне так очень много. Но, понятно, никто в здравом уме не станет пытаться ехать так быстро на таких говённых покрышках, да и не реально проехать такую дистанцию так быстро при данном уровне потерь, при часовом пороге велосипедиста в 260 Вт, пусть он даже трижды аэродинамичен.
Так что конечно нужны лёгкие тонкие покрышки, с большим количеством нитей, с тонкими лёгкими камерами (ну или трубками). Правильное давление (про которое я скажу ниже), в высококачественых покрышках позволяют снизить коэффициент трения качения до 0.002, т.е. примерно в три раза и тогда при аналогичных условиях езды на часе потери на трение качения стоставят лишь 17.8 Вт (и целых 36 Вт экономии, что невероятно много) и это приблизительный достижимый минимум, который можно снизить ещё путём снижения массы системы велосипедист+велосипед. При указанных скоростях эти 36 Вт могут дать прирост скорости в 1-2 км/ч в зависимости от условий езды, а это уже минуты выигрыша! Кроме этого пусть велосипед станет весить 7.
5 кг, а велосипедист 62.5 кг, тогда общая маса будет 70 кг, а потери пропорционально снизятся на 14% до 15.6 Вт. Вот откуда идёт кроме всего выигрыш от лёгкого велосипеда и лёгкого ездока.
Давление в шинах, безусловно, снижает коэффициент трения. И чем оно выше, тем он ниже. По большому счёту у колёс, сделанных из стали коэффициент трения минимален — они жёсткие (т.е. нет никаких внутренних деформаций и очень низкое внутреннее трени в результате воздействия на них массы велосипеда и ездока). Так что с одной стороны чем туже накачаны покрышки, чем меньше точка контакта и чем меньше продавливаются колёса, тем ниже коэффициент трения. Коэффициент трения при увеличении давления с 3 до 10 атмосфер в колесе может упасть раза в 1.5-2, в зависимости от качества накачиваемых покрышек. НО.
Всегда есть какое-то но. Есть конфликтующее с этим требованием — требование сглаживать вибрации. Тот же стальной диск, вместо колеса подлетит на несколько метров в верх, наехав на минимальный крошечный камешек (все, кто ездил на шоссерах знают, каково это, точно наехать на большой скорости на мелкий камешек, или другую мелкую преграду).
Кроме этого асфальт далеко не всегда идеально гладки, нередко он бывает очень зернистый или даже вообще дико шероховатый. Вибрации вызвают прыганье велосипеда под ездоком, и та мощность, которую он вкладывает в педали возвращется к нему же в мышцы в виде вибрации и диссиприуется там (мышцы, увы, тут никак эту энергию случаных колебаний рекуперировать не смогут).
Во-первых это снижает общий комфорт езды, я это на себе испытывал, поддерживать высокий уровень усилия на грубой дороге при высоком давлении в колёсах становится крайне трудно и ты машинально снижаешь темп. А во-вторых это прямые потери энергии и снижение сокрости. Что делать — снижать давление. И снижать до тех пор, пока не найдётся оптимум между коэффициентом трения и небольшим сглаживанием вибрации велосипеда. Т.е. чем более ровное покрытие ожидается на трассе, тем туже можно накачивать колёса, при езде на время и наоборот. Чем более плохое покрытие — шероховатости, выбоины, дорожный мусор — тем более мягкие должны быть покрышки — естественно, что быстро по такой говённой трассе всё равно не поедешь, но баланс между коэффициентом трения и аммортизацией даст оптимальный результат.
Чем вы легче, тем ниже должно быть давление в шинах и наоборот (лёгкого велосипедиста жёсткому колесу подкинуть куда как легче, чем тяжёлого). Кроме этого, как говорят производители — я наверняка не знаю и не оценивал: карбоновые вилки на шоссерах помогают поглощать вибрации лучше алюминиевых. Так что карбоновая вилка это не столько снижение общего веса велика со сплавной рамой, сколько помощь в снижении вибрации.
Кроме этого, колёса имеют не равную нагрузку, поэтому накачиват колёса нужно так, чтобы заднее было накачано на ~15% туже переднего. В принципе, с помощью ассистента и двух напольных весов, можно в своей привычной посадке и полной экипировке узнать примерное распределение веса на колёсах и накачивать всегда в соответствии с распределением нагрузки. Внезависимости от среднего давления, сбалансированное накачивание даёт дополнительную стабильность велику и опять же снижает его неконтролируемые подпрыгивания (низкочастотную вибрацию) и экономит вашу ценную энергию.
Учитывая то, что все потери мощности обратно пропорциональны времени езды (скорости), а зверское, жадное до ваттов аэродинамическое сопротивление нарастает всё свирепее и сверепее, начиная потихоньку от 32 км/ч и люто и бешено выжирая ватты на 40+ км/ч, то все эти рассуждения актуальны только для быстрых ездоков, которые могут длительно поддерживать где-то, пожалуй, от 35 км/ч и выше.
Для справки сила аэродинамического сопротивления пропорциональна квадарату скорости, а мощность, необходимая для её преодоления пропорциональна кубу. Так что чем быстрее ты едешь, тем сам сильнее-сильнее-сильнее тебя тормозит, поэтому и возникют пределы скорости велосипедистов.
Кстати, если не планируется ездить (соло) быстрее 30-32 км/ч и в группе быстрее 36-38 км/ч, по большому счёту любая аэрофигня (посадка, примочки) и вопрос высокого давления в шинах становится вторичным и на первое место выходит комфорт езды. Т.е. умеренное давление и баланс по колёсам, удобное седло и посадка. Кроме этого обычно скоростные покрышки нихрена не защищают от проколов, так что за пониженный коэффициент трения мы платим непомерно частой заменой или заклейкой камер. Ну а ракетовелосипеды при таком раскладе покупать просто бессмысленно, пустая трата денег с полной потерей комфорта езды. Хотя, я согласен, выглядят они очень красиво 🙂
Но а в аэродинамике дэцала конечно же тоже имеют значение и как снижать коэффициент сопротивления мы поговорим в следующей части передачи «Спросите физика» 🙂
Трение.
Сила трения | 7 классСодержание
Давайте рассмотрим обычные и всем нам знакомые ситуации. Например, езду на велосипеде.
Когда велосипедист крутит педали — велосипед едет, а когда не крутит — велосипед начинает тормозить и вскоре останавливается.
Сани, скатившись с горы, постепенно теряют скорость и тоже останавливаются (рисунок 1).
Рисунок 1. Движение и остановка санокМы знаем, что причиной всякого изменения скорости движения (в данном случае уменьшения) является сила. Значит, и в рассмотренных примерах на каждое движущееся тело действовала сила.
Существуют разные уже изученные нами ранее силы: сила тяжести, сила упругости, вес тела. В приведенных выше примерах фигурировала сила трения. Именно о ней и пойдет речь на данном уроке.
Что такое сила трения?
Итак, разберем это понятие.
Сила трения — это сила, возникающая при взаимодействии двух тел и препятствующая их относительному движению.
Обозначается она буквой $F$ с индексом, то есть следующим образом: $F_{тр}$.
Взглянем на силу трения на примере движущихся саней (рисунок 2). Она направлена вдоль поверхностей соприкасающихся тел в сторону, противоположную скорости движения тела (саней) по неподвижной поверхности.
Рисунок 2. Сила трения при движении саней по снегу{"questions":[{"content":"Укажите правильное определение понятия <b>сила трения</b>.[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["сила, возникающая при взаимодействии двух тел и препятствующая их относительному движению","сила, возникающая при взаимодействии двух тел и способствующая их относительному движению","сила, возникающая при взаимодействии двух тел и никак не влияющая на их относительное движение"],"answer":[0]}}}]}Причины возникновения трения
В чем заключаются причины трения?
1. Шероховатость поверхностей телГладкие на ощупь тела тоже имеют неровности, бугорки и царапины.
С помощью современных лазерных микроскопов сейчас можно увидеть даже самые незаметные неровности. Например, на рисунке 3 вы можете увидеть изображение поверхность листа стали, прошедшего обработку. Для наших невооруженных глаз такой стальной лист будет казаться идеально гладким, но это не так.
Рисунок 3. Поверхность стального листа под лазерным микроскопомИз-за этого, когда одно тело скользит или катится по поверхности другого, эти неровности цепляются друг за друга. Это создает силу, препятствующую движению.
2. Взаимное притяжение молекул соприкасающихся телДругая причина возникновения трения — взаимное притяжение молекул соприкасающихся тел. Если поверхности тел идеально гладкие, то при соприкосновении молекулы тел находятся очень близко друг к другу. В этом случае заметно проявляется притяжение между молекулами тел (рисунок 4).
Рисунок 4. Взаимное притяжение молекул при соприкосновении двух тел{"questions":[{"content":"В чем заключаются причины возникновения силы трения?[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["Шероховатость тел","Взаимное притяжение молекул соприкасающихся тел","притяжение всех тел друг к другу из-за всемирного тяготения","наличие у тел веса"],"answer":[0,1]}}}]}Изменение силы трения.
СмазкаСилу трения можно уменьшить во много раз, если ввести между трущимися поверхностями смазку. Ее слой разъединит поверхности трущихся тел (рисунок 5).
Как смазка влияет на силу трения?
В этом случае соприкасаются не поверхности тел, а слои смазки. Смазка же в большинстве случаев жидкая, а, как известно, трение жидких слоев меньше, чем твердых.
Например, на коньках малое трение при скольжении по льду объясняется также действием смазки. Смазкой в этом случае является вода, образующаяся между коньками и льдом тонким слоем.
Именно из-за маленького трения жидкости мы поскальзываемся на вымытом полу. А в технике благодаря меньшему трению жидкости в качестве смазки широко применяют различные масла.
youtube.com/embed/St24HbCMk2E?feature=oembed» frameborder=»0″ allow=»accelerometer; autoplay; clipboard-write; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture» allowfullscreen=»»> {"questions":[{"content":"Как можно уменьшить трение?[[choice-7]]","widgets":{"choice-7":{"type":"choice","options":["использовать смазку","отполировать поверхности соприкасающихся тел","плотнее прижать тела друг к другу","Сделать поверхности тел более шершавыми"],"answer":[0,1]}}}]}Виды трения
Какие виды трения вы знаете?
Если одно тело скользит по поверхности второго, то возникает особое трение — трение скольжения. Оно возникает, например, при движении саней или лыж по снегу, при скольжении коньков по льду (рисунок 6).
Если же первое тело не скользит, а катится по поверхности второго, то возникающее при этом трение называют иначе — трением качения.
Оно проявляется при перекатывании бревна или бочки по земле, при движении автомобиля, велосипеда и других транспортных средств на колесах (рисунок 7).
{"questions":[{"content":"Человек передвигает кресло, толкая его перед собой. В этот момент между креслом и полом возникает[[choice-11]]","widgets":{"choice-11":{"type":"choice","options":["трение скольжения","трения качения","трение передвижения"],"answer":[0]}}}]}Измерение силы трения
Силу трения можно не только изменить, применяя смазку, как было сказано ранее, но еще и измерить.
Как можно измерить силу трения?
Возьмем деревянный брусок и прикрепим к нему динамометр. Теперь будем его двигать, держа динамометр горизонтально (рисунок 8, а). Что покажет прибор?
На брусок в горизонтальном направлении действуют две силы. Это сила упругости пружины динамометра, направленная в cторону движения, и сила трения, направленная против движения.
Брусок движется равномерно, значит эти две силы компенсируют друг-друга (их равнодействующая равна 0).
Следовательно, эти две силы равны по модулю, но имеют разные направления.
Таким образом, динамометр показывает силу, равную по модулю силе трения.
Измеряя силу, с которой динамометр действует на тело при равномерном движении, мы измеряем силу трения.
Как показать, что сила трения зависит от силы, прижимающей тело к поверхности?
Какие сани легче тащить: с грузом или без? Конечно, с грузом.
Также если мы положим на наш брусок какой-нибудь груз, и таким же образом измерим силу трения, то увидим, что она больше, чем у бруска без груза.
Чем больше сила, прижимающая тело к поверхности, тем больше возникающая при этом сила трения.
Как показать на опыте, что при равных нагрузках сила трения скольжения больше силы трения качения?
Положив брусок на круглые палочки (рисунок 8, б), мы измерим силу трения качения. Она будет меньше силы трения скольжения.
При равных нагрузках сила трения качения всегда меньше силы трения скольжения.
Именно поэтому мы повсеместно используем колесо, ведь оно помогает «заменить» силу трения скольжения на намного меньшую силу трения качения.
{"questions":[{"content":"Укажите, какие из приведенных высказываний верны.[[choice-13]]","widgets":{"choice-13":{"type":"choice","options":["Чем больше сила, прижимающая тело к поверхности, тем <b>больше</b> возникающая при этом сила трения","При равных нагрузках <b>сила трения качения</b> всегда меньше <b>силы трения скольжения</b>","При равных нагрузках <b>сила трения скольжения</b> всегда меньше <b>силы трения качения</b>","Чем больше сила, прижимающая тело к поверхности, тем <b>меньше</b> возникающая при этом сила трения"],"answer":[0,1]}}}]}Упражнение
Лыжник спускается с горы и далее скользит по горизонтальной лыжне. На рисунке 9 изобразите силу трения и точку ее приложения.
Рисунок 9. Движение лыжника со склонаПосмотреть ответ
Скрыть
На рисунке 10 изображена сила трения.
Она возникает между соприкасающимися телами (лыжами и снежной поверхностью) и направлена в сторону, противоположную движению лыжника.
Понимание сопротивления качению | TrainingPeaks
Уделяя столько внимания весу, а в последнее время и аэродинамике, мы часто упускаем из виду еще один важный компонент силы, который гонщики должны преодолевать, чтобы двигаться вперед: сопротивление качению.
Когда мы впервые создали Best Bike Split, мы взяли столько данных, сколько смогли найти, чтобы создать некоторые стандартные базовые значения коэффициента сопротивления качению (Crr) на основе типичных типов и размеров шин того времени. Мы также предоставили пользователям возможность вводить известные значения, если они у них были, чтобы сделать модель более точной.
В последующие годы производители шин проделали долгий путь в производстве более быстрых шин, расширилась стандартная ширина шин, и мы занялись моделированием некоторых новых типов внедорожных гонок.
Best Bike Split просрочено из-за обновления системы, поэтому мы недавно «выкатили» некоторые изменения, чтобы помочь настроить параметры Crr, а также подчеркнуть влияние различных значений сопротивления качению шин на общую производительность и ожидаемые время финиша в день гонки.
Чтобы объяснить процесс, через который мы прошли эти обновления, я хочу сначала обсудить, почему сопротивление качению важно, рассказать о компании, которая помогает стандартизировать то, как мы рассматриваем данные о шинах, и рассмотреть некоторые тематические исследования, чтобы подчеркнуть, что именно это означает для спортсменов в сценариях реального мира.
Коэффициент сопротивления качению
Чтобы понять, что такое Crr, давайте сначала погрузимся в уравнение великой силы при езде на велосипеде. Иллюстрация ниже упрощает концепцию, но ключевой вывод заключается в том, что все, что вы можете сделать, чтобы уменьшить силы, направленные против вас, поможет вам двигаться быстрее при той же мощности или поддерживать скорость при меньшей выходной мощности.
Так что же такое сопротивление качению? Это просто трение между шинами и дорогой. Чем сильнее трение, тем медленнее вы будете двигаться. Плохие дорожные условия, шины и камеры более низкого качества, вес водителя и скорость — все это способствует увеличению трения и, таким образом, замедляет ваше движение. Давление в шинах также играет важную роль, но, как и качество шин и дорожные условия, оно связано с одним параметром, называемым коэффициентом сопротивления качению (Crr).
Чтобы лучше понять, как эти переменные влияют на сопротивление качению, мы углубимся в фактическое уравнение:
обозначения:
| 𝒈 | ГРЕЙТ | |||||||||||||||
| G | Градиент дороги | |||||||||||||||
| WKG | Веса в KILOGRAMS (RLIDERILT+ | ( | ( | 2 | 2 | 2 | ( | 2 | 2 | 2 | WKG | .|||||
| 𝒗 | Скорость |
Легко запутаться в приведенных выше обозначениях, но что действительно важно, так это то, что мощность, необходимая для преодоления трения, увеличивается линейно со скоростью.
Чем быстрее вы едете, тем больше энергии вам придется производить.
На приведенной ниже диаграмме показано, какая мощность требуется только для преодоления этой силы по мере увеличения скорости при типичном весе водителя 160 фунтов на 18-фунтовом велосипеде и общем Crr для шин Continental 4000s II с надлежащим давлением с бутиловыми камерами на средней ровной дороге. условия.
Как показано выше для типичных скоростей, на которых ездят спортсмены, сопротивление качению может составлять значительную часть необходимой выходной мощности, но как сделать осознанный выбор при выборе шин и моделировании планов гонок?
Данные о шинах на помощь
В велосипедной аэродинамике мы начинаем видеть все больше и больше стандартизированных испытаний и отчетов; однако у производителей шин, похоже, нет стандартного теста на сопротивление качению, и они часто не сообщают потребителям цифры.
Первоначально мы собрали столько данных, сколько смогли найти, и прогнали их через модель машинного обучения, чтобы определить ключевые характеристики (при относительно оптимальном давлении в шинах), которые определяют различия в значениях Crr.
Результаты, основанные на данных, которые у нас были, заключались в том, что ширина шины, тип шины и тип камеры были значительными, и мы разработали базовые линии на основе полученных уравнений.
Данные показали, что более широкие шины, как правило, лучше, клинчеры догнали или превзошли многие трубчатые шины и что латексные камеры значительно лучше, чем бутиловые.
За последние пять лет после нашего первоначального моделирования шины стали шире, бескамерные шины стали лучше, а новые материалы помогли значительно снизить показатель Crr шин.
Проблема заключалась в том, что у нас не было достаточных данных для повторного проведения нашего первоначального анализа. К счастью, компания с метким названием bikerollingresistance.com увидела те же проблемы, что и мы, и вмешалась, чтобы помочь. Их сайт дает потребителям представление о данных о шинах, официально недоступных, а также о некотором реальном влиянии с точки зрения экономии ватт для их конкретной тестовой установки.
Основываясь на том, что они сделали, мы скорректировали способ моделирования Crr, чтобы он соответствовал их стандарту отчетности. Если вы используете шину, которую они протестировали, вы можете просто найти свою шину в их сравнительной таблице, выбрать свою шину, если она доступна, и найти значение Crr в таблице результатов теста на сопротивление качению (пример ниже).
После того, как вы введете это значение в настройки Crr вашего велосипеда BBS, мы сможем вывести анализ мощности на новый уровень, показав реальное влияние этого изменения сопротивления качению на спортсмена в день гонки и влияние изменения Crr во время гонки. планировать с помощью нашего инструмента анализа времени.
Каково влияние на реальный мир?
Быстро возвращаясь к уравнению, мы знаем, что вес и Crr влияют на сопротивление качению, но сколько стоит одно по сравнению с другим? Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно провести небольшой анализ.
В приведенной ниже таблице предполагается фиксированный Crr 0,00387, фиксированная скорость 20 миль в час и стандартная установка велосипеда весом 18 фунтов.
Изменяя вес, мы можем видеть прямое влияние, которое он оказывает на мощность, необходимую для преодоления трения сопротивления качению.
Теперь, если мы зафиксируем вес и скорость и изменим Crr от очень хорошего значения шины до плохого значения шины, мы сможем увидеть влияние изменений Crr. Ниже мы нанесли результаты для гонщиков трех разных размеров со стандартной настройкой 18-фунтового велосипеда.
Очевидно, что вес имеет большое значение; однако есть кое-что, что нужно помнить о линейных уравнениях. Окончательное воздействие силы будет одинаковым в зависимости от процентного снижения либо Crr, либо веса. С современными достижениями в области шин легко добиться снижения Crr на 25 или даже 50 процентов, но гораздо сложнее добиться снижения веса на 25 процентов!
Это означает, что если мы просто изолируем переменные для рассмотрения, поскольку они связаны с сопротивлением качению, то Crr и скорость являются основными компонентами. К счастью, эта информация, наконец, становится доступной и при относительно низкой стоимости за ватт, и каждый может воспользоваться ею в день гонки.
Конечно, есть и другие причины не всегда выбирать самую быструю шину. Вы также можете подумать о предотвращении проколов, долговечности или специальных тренировочных шинах, но чтобы действительно продемонстрировать влияние, мы рассмотрим два примера: один из мирового тура и известный из IRONMAN.
В считанные секунды
На уровне Pro Tour спортсмены ездят очень быстро! Это особенно верно во время индивидуальных гонок на время. Также важно, насколько близкими могут быть времена между главными претендентами не только на отдельных этапах, но и на протяжении всего Гранд-тура.
После тысяч километров и 89 часов гонок на Джиро-де-Италия 2018 было решено всего 46 секунд, когда Крис Фрум победил Тома Дюмулена. Эти результаты подчеркивают важность каждой секунды на пути.
Перед финальной гонкой на время Джиро мы смоделировали поведение Тома Дюмулена, используя оценки его аэродинамического положения и мощности. Глядя на его экипировку, мы уже знали, что он ездит на чрезвычайно быстрой шине с сопротивлением качению, но теперь мы могли разыграть сценарии «что, если» с лучшей испытанной шиной.
В этом случае мы сравним Vittoria Corsa Speed Tubular с показателем 0,00297 Crr и их бескамерной версией с показателем 0,00249. Анализ показывает 10-секундный выигрыш, который на этих скоростях эквивалентен экономии 4 Вт! Это может показаться не таким уж большим, но когда большие туры выигрываются или проигрываются менее чем за минуту, эти секунды могут иметь большое значение.
Хотя это сравнение может быть не совсем корректным из-за того, что шины должны соответствовать спонсируемым типам дисков и т. д., оно ясно показывает значительное влияние сопротивления качению даже на шины самого высокого класса.
Bit by the Gator
Есть несколько известных историй о великом американском триатлонисте ITU и IRONMAN Энди Поттсе, участвовавшем в чемпионате мира на шинах Continental Gatorskin. Судя по отзывам и отзывам, эти шины превосходны во многих отношениях, и, как следует из названия, они редко, если вообще когда-либо, плоские; однако они не известны большим сопротивлением качению.
На самом деле, при тестировании они, как правило, тестируют шины на очень низком уровне по сравнению с собственными шинами Continental GP 4000 и новыми шинами серии TT. Итак, как этот выбор повлиял на время Поттса и, что более важно, как он повлиял на возрастную группу?
Поскольку подавляющее большинство возрастных групп катаются медленнее, чем профессионалы, и мы знаем, что сила, необходимая для преодоления сопротивления качению, увеличивается со скоростью, мы сосредоточим анализ на производительности Kona в возрастной группе.
Если мы предположим, что спортсмен возрастной группы со средней мощностью 200 Вт с умеренно агрессивным аэродинамическим позиционированием и CdA (коэффициент аэродинамического сопротивления) использует идеальные погодные условия 2017 года и варьирует сопротивление качению шин, мы можем найти возможный выигрыш во времени на основе выбора шин.
| Tire | Crr | Time | Time Gain |
|---|---|---|---|
| Gatorskin | . 00606 | 5:16:45 | 0:00 |
| Gran Prix 4000s II | .00387 | 5:05:43 | 11:02 |
| Gran Prix TT | .00315 | 5:02:15 | 14:30 |
Ради интереса мы посмотрели, какое влияние оказало бы наилучшее сочетание клинчера и трубки (Gran Prix TT с латексными тубусами) во времена Лайонела Сандерса в прошлом году. Хотя мы не думаем, что эта комбинация стоила бы риска прокола, когда отрыв Ланге от победы над Сандерсом в Коне составлял всего две минуты и 42 секунды, некоторые спортсмены могут захотеть рискнуть!
Короче говоря, выбор шин может иметь большое значение.
Тестируя различные сценарии сопротивления качению, погодных условий, средней мощности и т. д., вы сможете лучше подготовиться к своей лучшей гонке.
Не позволяйте легкому решению, такому как выбор шин, стоить вам денег в день гонки. Подпишитесь на Best Bike Split сегодня бесплатно и получите план дня гонки. ФЛО Велоспорт
Сопротивление качению — горячая тема в велоспорте. Правда в том, что сопротивление качению имеет значение для всех велосипедистов, независимо от того, едете ли вы по дороге, гравию или даже по треку. Это важно, если вы участвуете в гонках или просто любите кататься по выходным. Почему? Это влияет на такие вещи, как ваша скорость и сцепление с дорогой, которые важны для всех. Существует множество мифов о сопротивлении качению, что делает сложную концепцию еще более сложной для понимания. Эта статья предназначена для того, чтобы объяснить вам, велосипедисту, сопротивление качению, чтобы понять, что это такое, как оно влияет на вашу езду на велосипеде и как им управлять.
Наслаждаться!
Что такое сопротивление качению?
Что вызывает сопротивление качению?
Понимание патчей контактов
Как пятна контакта влияют на сопротивление качению
Форма контактных пятен и что на них влияет
Таким образом, чем выше давление, тем меньше пятно контакта, тем ниже сопротивление качению, верно? Ну, на самом деле нет. Скажи привет импедансу
Снаряжение, которое вы используете
Что такое сопротивление качению?
Сопротивление определяется следующим образом:
препятствующее, замедляющее или останавливающее действие одного материального предмета на другой.
Чтобы визуализировать сопротивление, представьте, как вы пытаетесь растянуть резинку руками. Резинка «сопротивляется» раздвиганию рук. Сопротивление затрудняет движение в том направлении, в котором вы хотите двигаться.
Например, когда вы едете на велосипеде в гору, сила тяжести не позволяет вам двигаться вверх, а когда вы крутите педали при сильном встречном ветре, ветер препятствует вашему движению вперед.
Когда колесо, например велосипедное, катится по поверхности, сила, противодействующая движению колеса, называется силой сопротивления качению. Для преодоления силы сопротивления качению требуется потребление ватт.
Одна из переменных уравнения силы сопротивления качению называется коэффициентом сопротивления качению (Crr). Все шины имеют значения Crr. Следовательно, чем ниже значение Crr для шины, тем меньше ватт потребляется при езде на велосипеде. Уравнение для силы сопротивления качению приведено ниже:
WRR = CRR*M*G*V
, где
CRR = Коэффициент сопротивления катания
M = масса гонщиков и велосипед. Что вызывает сопротивление качению?
При езде на велосипеде мы используем пневматические шины из-за их способности поглощать неровности местности.
Их деформационная способность, то есть свойство материала шины и поверхность, по которой она движется, способствуют гистерезису. Гистерезис является основной причиной сопротивления качению в пневматических шинах. Что такое гистерезис? Мы рады, что вы спросили.
Гистерезис в колесе хорошо объясняется Национальной академией наук:
«Характеристика деформируемого материала, при которой энергия деформации больше энергии восстановления. Резиновая смесь в шине проявляет гистерезис. Когда шина вращается под весом [гонщика+велосипеда], она испытывает повторяющиеся циклы деформации и восстановления и рассеивает гистерезисные потери энергии в виде тепла. Гистерезис является основной причиной потери энергии, связанной с сопротивлением качению, и связан с вязкоупругими характеристиками резины».
Другими словами, резиновая смесь в пневматических шинах подвержена гистерезису, и теряется энергия тепла и звука. Следовательно, энергия, необходимая для деформации шины, когда она катится по дорожному покрытию, больше, чем энергия, которая восстанавливается, когда шина отрывается от дорожного покрытия, что способствует сопротивлению качению. На изображении ниже показано, где происходит деформация и восстановление шины, когда она катится вперед по дороге.
Понимание патчей контактов
Пятна контакта — еще одна часть понимания сопротивления качению. Пятно контакта — это область шины, соприкасающаяся с поверхностью. Мы знаем, что когда велосипедная шина не имеет контакта с поверхностью или не находится под нагрузкой, она идеально круглая. На рисунке ниже показана шина на ободе без нагрузки.
Когда вы кладете шину на землю и добавляете нагрузку, например, сидя на велосипеде, шина деформируется в месте контакта с поверхностью дороги и образует плоское пятно контакта. На изображении ниже показано плоское пятно контакта шины под нагрузкой с поверхностью дороги.
Как пятна контакта влияют на сопротивление качению
Сопротивление качению зависит от длины пятна контакта. Чтобы понять это, подумайте об объекте с небольшой опорной базой. Этот объект легче опрокинуть, чем объект с большим основанием из-за меньшего момента. Также требуется меньше энергии (ватт), чтобы опрокинуть объект на меньшее основание. То же самое относится и к шинам с более коротким пятном контакта. Когда у вас более короткое пятно контакта, ваше сопротивление качению меньше, и требуется меньше энергии (ватт), чтобы катить колесо вперед. На форму пятна контакта влияет несколько факторов. На изображении ниже показан пример малого и большого основания поддержки.
Форма пятен контакта и что на них влияет
Несколько лет назад мы хотели понять форму пятен контакта для шин и ободов разной ширины. Для тестирования мы использовали чернильные подушечки для загрузки нижней поверхности шин, а затем нагрузили каждую тестовую шину известной массой. Затем мы изучили пятна контакта. Мы определили следующий список элементов, влияющих на форму:
- Давление в шинах: при одинаковых шинах и нагрузке более высокое давление в шинах приводит к меньшему пятну контакта. Более низкое давление в шинах имеет большее пятно контакта по длине и ширине.
- Ширина шины: при сравнении широкой шины с узкой шиной более широкая шина дает более короткое и широкое пятно контакта. Мы предполагаем, что марка, модель и натяжение обсадной трубы одинаковы. Разница только в ширине шины. См. изображение ниже. Для получения дополнительной информации о том, почему более широким шинам требуется меньшее давление воздуха, см. нашу предыдущую статью.
- Модель шины: нам нравится думать, что на шинах есть отпечатки пальцев. Разные марки и модели шин одного и того же размера имеют разную форму и создают собственное уникальное пятно контакта. Для получения дополнительной информации об измерениях высоты и ширины шин при различном давлении взгляните на нашу предыдущую статью.
- Внутренняя ширина обода: Обод с широкой внутренней шириной обода будет давать более широкое и короткое пятно контакта по сравнению с ободом с узкой шириной обода. Опять же, при условии, что натяжение корпуса и шины одинаковы. Это одна из причин, почему более широкий обод быстрее.
- Давление в шинах: при одинаковых шинах и нагрузке более высокое давление в шинах приводит к меньшему пятну контакта. Более низкое давление в шинах имеет большее пятно контакта по длине и ширине.
На рисунках ниже показано приблизительное пятно контакта для Continental GP 5000 25 мм по сравнению с Continental GP 5000 32 мм при одинаковом натяжении корпуса.
Таким образом, чем выше давление, тем меньше пятно контакта, тем ниже сопротивление качению, верно? Ну, на самом деле нет. Скажи привет импедансу
Теоретически, да. Если вы можете создать действительно маленькое, короткое пятно контакта, момент, который вам нужно преодолеть, будет незначительным, потому что деформация очень мала. Например, в лабораторных условиях на очень гладких стальных роликах значение коэффициента сопротивления качению (Crr) продолжает уменьшаться по мере увеличения давления. Что имеет смысл, учитывая вышеупомянутую теорию.
Еще один сценарий с гладкой поверхностью — езда на беговой дорожке в помещении. Известно, что велосипедисты, работающие в течение часа, используют очень специализированные шины и давление 300 фунтов на квадратный дюйм, что значительно снижает их сопротивление качению.
Однако, как только мы покидаем лабораторию или трассу, поверхности становятся довольно ухабистыми. Даже на новом асфальте много неровностей. Наши друзья из Silca провели действительно интересное исследование различных условий дорожного покрытия и того, как они влияют на сопротивление качению. Мы узнали, что если шина чрезмерно накачана на неровном дорожном покрытии, она в конечном итоге подпрыгивает вверх и вниз на неровностях. Наша цель, как велосипедиста, состоит в том, чтобы передать мощность, вложенную в педаль, в движение вперед, поэтому любое движение вверх и вниз по неровностям — пустая трата энергии.
Если давление в шине достаточно для возникновения подпрыгивания, мы попадаем в область на графике Crr vs. Pressure, известную как контрольная точка импеданса. Как только достигается контрольная точка импеданса, дополнительное давление, добавляемое к шине, значительно увеличивает сопротивление качению. Это противоречит лабораторным данным, согласно которым постоянное увеличение давления снижает сопротивление качению. Еще одна вещь, на которую следует обратить внимание, это то, что чем шероховатее поверхность, тем раньше вы достигнете точки разрыва импеданса.
Сопротивление не только тратит энергию, но и движение вверх и вниз от подпрыгивания снижает ваше сцепление с дорогой. Если вы когда-нибудь ездили на гравийном велосипеде со слишком высоким давлением в шинах и проходили поворот, вы быстро теряете переднюю часть (и надеетесь, что у вас отличные навыки управления велосипедом). Если вы снизите давление и проедете тот же поворот, идя с той же скоростью, вы можете держать ее хорошо. На первом изображении ниже показано колесо с достаточно низким давлением воздуха, чтобы избежать импеданса. На втором изображении показана шина с высоким давлением, которая испытывает импеданс.
Экипировка, которую вы используете
Итак, мы знаем, что чем ниже сопротивление качению, тем больше ватт мы, велосипедисты, экономим. Это означает меньше затрат энергии. Мы также знаем, что помогает снизить сопротивление качению, например, небольшие пятна контакта, а также знание точки разрыва импеданса. Что учитывает всю эту информацию? Ваше снаряжение. Шины имеют решающее значение, потому что разные шины сделаны из разных материалов, а их каркасы сплетены по-разному. Хорошая шина с низким значением Crr может сэкономить вам восемь минут на 100-мильном пробеге по сравнению с шиной с низким значением Crr. Например, Continental GP 5000 имеет лучшее сопротивление качению (низкое значение Crr) по сравнению с Continental GatorSkin.
Диски также влияют на сопротивление качению. Наши диски FLO 2020 были разработаны для снижения сопротивления качению за счет очень большой внутренней ширины обода.