Jump to content

Производительность велосипеда

Брэдли Виггинс в желтой майке финиширует на Critérium du Dauphiné 2011 года .

Производительность велосипеда – это измеримая производительность, такая как энергоэффективность , которая влияет на эффективность велосипеда . Велосипеды — чрезвычайно эффективные машины; С точки зрения количества энергии, которое человек должен потратить, чтобы преодолеть определенное расстояние, езда на велосипеде считается наиболее эффективным средством передвижения с автономным питанием . [1]

Транспортные характеристики велосипедов также являются исключительными с точки зрения пробега в тонно-километрах . [2] С точки зрения соотношения веса груза ( полезной нагрузки ), который может перевозить велосипед, к общему весу велосипеда, езда на велосипеде (здесь — грузовой велосипед ) также является наиболее эффективным средством перевозки грузов.

Механический КПД

[ редактировать ]

С механической точки зрения до 99% механической энергии, передаваемой водителем на педали , передается на колеса (чистая, смазанная новая цепь мощностью 400 Вт), хотя использование зубчатых механизмов снижает это на 1–7% ( чистые, хорошо смазанные переключатели и прямая цепь ), 4–12 % (цепь с 3-скоростными ступицами) или 10–20 % (вал привода с 3-скоростными ступицами). Более высокий КПД в каждом диапазоне достигается при более высоких уровнях мощности и при прямом приводе (ступичные шестерни) или с большими ведущими шестернями (переключателями). [3] [4]

Энергоэффективность

[ редактировать ]

Человек, путешествующий на велосипеде со скоростью 16–24 км/ч (10–15 миль в час), используя только мощность, необходимую для ходьбы, является наиболее энергоэффективным из доступных средств передвижения для людей. [5] Сопротивление воздуха , которое увеличивается пропорционально квадрату скорости, требует все более высокой выходной мощности по сравнению со скоростью. Велосипед, на котором водитель лежит на спине, называется лежачим велосипедом или, если он покрыт аэродинамическим обтекателем для достижения очень низкого сопротивления воздуха, веломобилем .

Гоночные велосипеды легкие по весу, допускают свободное движение ног, [ нужны разъяснения ] дает водителю относительно удобное и аэродинамическое положение, обладает жесткостью для хорошей передачи мощности, имеет высокие передаточные числа и низкое сопротивление качению.

Согласно исследованию, человеку весом 70 кг (150 фунтов) требуется около 60 Вт , чтобы идти со скоростью 5 км/ч (3,1 мили в час) по твердой и ровной поверхности. [6] в то время как, согласно калькулятору на сайте kreuzotter.de, тот же человек и мощность на обычном велосипеде будут двигаться со скоростью 15 км/ч (9,3 мили в час), [7] таким образом, в этих условиях затраты энергии при езде на велосипеде составляют примерно одну треть от затрат энергии на то же расстояние при ходьбе. Скорость подъема и спуска варьируется в зависимости от угла наклона и усилий водителя. Езда в гору требует большей мощности для преодоления силы тяжести, поэтому скорость ниже и/или частота пульса выше, чем при езде по равнине. При среднем усилии велосипедист может подняться на пологий подъем со скоростью 8–10 км/ч. Езда по траве, песку, грязи или снегу также замедляет мотоциклиста. Не крутя педали на спуске, велосипедист может легко развивать скорость 20–40 км/ч на пологом 5% склоне и скорость более 50 км/ч на более крутых подъемах.

Выход энергии

[ редактировать ]

Сколько энергии люди могут генерировать и как долго зависит от физической формы. Удельная мощность может быть выражена в ваттах на килограмм массы тела. Активные люди могут производить 1,5 Вт/кг (нетренированные), 3,0 Вт/кг (подготовленные) и 6,6 Вт/кг (спортсмены мужского пола высшего класса). 5 Вт/кг — это уровень, достижимый для мужчин-любителей высшего уровня в течение длительного периода времени. [8] Максимальные устойчивые уровни мощности в течение одного часа варьируются от примерно 200 Вт ( экспериментальная группа НАСА среди мужчин «здоровых мужчин») до 500 Вт (мировой часовой рекорд ). [9]

Входная энергия

[ редактировать ]

Энергия, поступающая в организм человека, поступает в виде пищевой энергии , обычно измеряемой в килокалориях [ккал] или килоджоулях [кДж, что эквивалентно кВт или киловатт-секундам]. Это может быть связано с определенным пройденным расстоянием и массой тела, давая такие единицы, как кДж / км⋅кг . Скорость потребления пищи, т.е. количество, потребляемое в течение определенного периода времени, является входной мощностью. Это можно измерить в ккал/день или в Дж/с = Вт (1000 ккал/день ≈ 48,5 Вт).

Эту потребляемую мощность можно определить путем измерения потребления кислорода или при долгосрочном потреблении пищи, при условии отсутствия изменения веса. Сюда входит энергия, необходимая только для жизни, называемая базальным уровнем метаболизма BMR или, грубо говоря, уровнем метаболизма в состоянии покоя .

Требуемую пищу также можно рассчитать, разделив выходную мощность на эффективность мышц . Это 18–26%. В приведенном выше примере, если человек весом 70 кг едет на велосипеде со скоростью 15 км/ч, затрачивая 60 Вт и предполагается мышечная эффективность 20%, примерно 1 кДж / км⋅кг дополнительное требуется питание. Для расчета общего количества продуктов питания, необходимых во время поездки, BMR необходимо сначала прибавить к потребляемой мощности. Если человек весом 70 кг — пожилая невысокая женщина, ее BMR может составлять 60 Вт, во всех остальных случаях — немного выше. [10] С этой точки зрения эффективность в этом примере фактически уменьшается вдвое и составляет примерно 2 кДж / км⋅кг всего необходимо питания.

Хотя это показывает значительное относительное увеличение количества пищи, необходимой для езды на велосипеде с низкой мощностью, на практике это почти не заметно, поскольку дополнительные затраты энергии на часовую езду на велосипеде могут быть покрыты 50 г орехов или шоколада. Однако при длительной и быстрой езде на велосипеде или в гору потребность в дополнительной пище становится очевидной.

Для завершения расчета эффективности тип потребляемой пищи определяет общую эффективность. Для этого необходимо учитывать энергию, необходимую для производства, распределения и приготовления пищи.

Типичные скорости

[ редактировать ]
График, показывающий переменную скорость велосипеда на холмистой местности.

При езде на велосипеде наблюдается большой разброс скоростей. Пожилой человек на родстере с вертикальной подвеской может развивать скорость менее 10 км/ч (6,2 мили в час), в то время как более подготовленный или более молодой человек может легко проехать вдвое больше на том же велосипеде. Для велосипедистов Копенгагена средняя скорость велосипеда составляет 15,5 км/ч (9,6 миль в час). [11] Физическая подготовка и частота вращения педалей, давление и размеры велосипедных шин, передаточные числа, уклон местности влияют на общую скорость гонщика. Велосипеды, предназначенные для равнинных городских условий, могут иметь односкоростную или трехскоростную передачу, а велосипеды, предназначенные для холмистой местности, перевозки грузов или более быстрого передвижения, имеют больше передач. В соревновательном велоспорте устойчивая высокая скорость дополняется добавлением большего количества передач, использованием более крупных звездочек, более легких материалов, аэродинамического дизайна и аэродинамических эффектов пелотона . Группа может поддерживать гораздо более высокую скорость на увеличенном расстоянии благодаря тому, что различные велосипедисты по очереди движутся навстречу ветру, а затем отстают, чтобы отдохнуть. Командная гонка на время дает тот же эффект.

Современные велосипедисты используют спидометр или велокомпьютер для измерения, записи и обмена несколькими переменными, включая скорость, уклон, расстояние, время, частоту вращения педалей, уклон, мощность (ватты), температуру, данные GPS, маршрут и даже частоту сердечных сокращений.

Рекорды скорости езды на велосипеде

[ редактировать ]

Самая высокая официально зарегистрированная скорость для любого транспортного средства с приводом от человека (HPV) на ровной поверхности, при спокойном ветре и без внешних вспомогательных средств (таких как электростимуляция и ветровые блоки, но включая определенную величину гравитационной помощи) составляет 144,18 км/ч ( 89,59 миль в час), установленный в 2016 году Тоддом Райхертом на Eta Speedbike, обтекаемом лежачем велосипеде. [12] В ходе «Гонки по Америке» 1989 года группа ВПЧ пересекла Соединенные Штаты всего за 5 дней. [13] [14] [15] [16] Самая высокая официально зарегистрированная скорость велосипеда, едущего в обычном вертикальном положении в полностью обтекаемом состоянии, составила 82 км/ч (51 миль в час) на дистанции 200 м. [17] Этот рекорд был установлен в 1986 году Джимом Гловером на Moulton AM7 на чемпионате по скорости с приводом от человека во время Всемирной выставки Expo86 в Ванкувере. Самая высокая скорость велосипеда в слипстриме составляет 296 км/ч (183,9 миль в час), установленная Дениз Мюллер-Коренек в 2018 году на солончаках Бонневиль. Это включало в себя скольжение за драгстером.

Колебание скорости езды на велосипеде

[ редактировать ]

Опасное раскачивание рулевого управления может возникнуть на высоких скоростях, при езде без рук на руле на низких скоростях, а также когда на переднюю вилку нагружены корзины.

Уменьшение веса и вращающейся массы

[ редактировать ]

Велась крупная корпоративная конкуренция за снижение веса гоночных велосипедов, чтобы они могли быстрее подниматься в гору и ускоряться. UCI . устанавливает ограничение в 6,8 кг на минимальный вес велосипедов, которые будут использоваться в санкционированных гонках [18]

Преимущества уменьшенной массы

[ редактировать ]

наоборот, полезно При езде по ровной местности с постоянной скоростью значительное снижение веса экономит лишь незначительное количество энергии, а увеличение массы в виде аэродинамических улучшений, . Но при крутом подъеме любое снижение веса можно почувствовать напрямую. Например, снижение общего веса системы (велосипеда, водителя и багажа) на 10 % позволит сэкономить почти 10 % энергии.

Уменьшение массы также ощущается при ускорении. Например, аналитический велосипедный калькулятор, заархивированный 15 января 2022 г. на сайте Wayback Machine, дает преимущество во времени/расстоянии в 0,16 с/188 см для спринтера с более легкими колесами на 500 г. В критериальной гонке, если гонщику приходится тормозить при входе в каждый поворот, это теряется в виде жары. Для плоского критерия при скорости 40 км/ч, трассе 1 км , 4 поворотах на круг, потере скорости на каждом повороте 10 км/ч, продолжительности один час, будет 160 "прыжков" в поворотах. Для водителя и велосипеда массой 90 кг это добавляет примерно одну треть усилия по сравнению с той же ездой с постоянной скоростью, а снижение массы на 10 % от общего веса системы (велосипеда, водителя и багажа вместе взятых) может, таким образом, дать примерно 3 % веса системы. % преимущество.

Преимущества легких колес

[ редактировать ]

Масса шин и дисков должна ускоряться линейно и вращательно. Можно показать, что влияние массы обода и шины типичных колес со спицами фактически удваивается. Таким образом, снижение их массы особенно заметно в случае спринтов и поворотных «прыжков» в критериях . [19]

Требуемая мощность

[ редактировать ]

Горячие дебаты по поводу относительной важности снижения веса и оптимизации шин и аэродинамики являются обычным явлением в велоспорте . Рассчитав необходимую мощность для перемещения велосипеда и гонщика, можно оценить относительные затраты энергии на сопротивление воздуха, сопротивление качению, сопротивление склону и ускорение.

Существуют хорошо известные уравнения, которые определяют мощность, необходимую для преодоления различных сопротивлений, главным образом в зависимости от скорости:

Кривые мощности в зависимости от скорости для различных компонентов:
— Сила сопротивления воздуха изначально очень мала и увеличивается пропорционально кубу скорости.
– Сила сопротивления качению сначала выше, но увеличивается незначительно.
– Подъем на уклон 5% выглядит почти таким же, как постоянное ускорение со скоростью 0,5 м/с. 2 .

Воздушное сопротивление

[ редактировать ]

Сила Для преодоления сопротивления воздуха необходимо :

в неподвижном воздухе или
при встречном ветре,

где

плотность воздуха, которая составляет около 1,225 кг / м 3 на уровне моря и 15 град. С. [20]
скорость относительно дороги,
- кажущийся встречный ветер, и
представляет собой характерную площадь, умноженную на соответствующий коэффициент сопротивления .

Концепция вымпельного ветра здесь применима только в том случае, если он исходит от истинного встречного или попутного ветра. Затем скалярная сумма и встречный ветер или разница между и попутный ветер. Если эта разница отрицательна, следует рассматривать как помощь, а не как сопротивление. Однако, если ветер имеет боковую составляющую, вымпельный ветер необходимо рассчитывать с помощью векторной суммы, и, особенно если велосипед обтекаемой формы, расчет поперечных сил и сил сопротивления становится более сложным; правильный подход предполагает рассмотрение сил, действующих на поверхности, как сил, действующих на паруса .

Коэффициент сопротивления зависит от формы объекта и от числа Рейнольдса , которое в свою очередь зависит от . Однако, если - площадь поперечного сечения , можно грубо приблизить к 1 для обычной скорости езды велосипедиста на вертикальном велосипеде.

Сопротивление качению

[ редактировать ]

Сила шин для преодоления сопротивления качению определяется по формуле:

где — сила тяжести, номинально 9,8 м/с^2, - наклон (подъем по длине), и - масса (кг). [ нужны разъяснения ] Приближение можно использовать со всеми нормальными коэффициентами сопротивления качению. . Обычно предполагается, что это не зависит от (скорость велосипеда на дороге), хотя общепризнано, что она увеличивается с увеличением скорости. Измерения на роликовом механизме дают коэффициенты низкой скорости от 0,003 до 0,006 для различных шин, накачанных до максимально рекомендованного давления, увеличиваясь примерно на 50% при скорости 10 м/с. [21]

Альпинистская сила

[ редактировать ]

Вертикальная сила подъема на склоне дается

. [22]

Это приближение приближается к реальному решению для небольших, т.е. нормальных оценок. Для чрезвычайно крутых уклонов, таких как 0,35, приближение дает завышение примерно на 6%.

Поскольку эта мощность используется для увеличения потенциальной энергии велосипеда и гонщика, она возвращается в качестве движущей силы при спуске и не теряется, если гонщик не затормозит или не поедет быстрее, чем хотелось бы.

Мощность для ускорения

[ редактировать ]

Сила для ускорения велосипеда и гонщика общей массой m с ускорением а, а также вращения колес массой является:

Приближение справедливо, если Предполагается, что нагрузка сосредоточена на ободах и шинах, и они не скользят. Таким образом, для этого расчета массу таких колес можно посчитать дважды, независимо от размеров колес.

Поскольку эта мощность используется для увеличения кинетической энергии велосипеда и гонщика, она возвращается при замедлении и не теряется, если гонщик не затормозит или не поедет быстрее, чем хотелось бы.

Общая мощность

[ редактировать ]

Полную мощность можно суммировать как:

где — механический КПД трансмиссии, описанной в начале этой статьи.

Учитывая это упрощенное уравнение, можно вычислить некоторые интересующие значения. Например, при отсутствии ветра можно получить следующие результаты для мощности, подаваемой на педали (Вт):

  • 175 Вт для велосипеда массой 90 кг и водителя при скорости 9 м/с (32 км/ч или 20 миль в час) по ровной поверхности (76% усилий на преодоление аэродинамического сопротивления) или 2,6 м/с (9,4 км/ч или 5,8). миль в час) на уклоне 7% (2,1% усилий по преодолению аэродинамического сопротивления).
  • 300 Вт для велосипеда массой 90 кг + водителя со скоростью 11 м/с (40 км/ч или 25 миль в час) на ровной поверхности (83 % усилий на преодоление аэродинамического сопротивления) или 4,3 м/с (15 км/ч или 9,5 миль в час) на уклоне 7% (4,2% усилий по преодолению аэродинамического сопротивления).
  • 165 Вт для велосипеда массой 65 кг + водителя при скорости 9 м/с (32 км/ч или 20 миль в час) по ровной поверхности (82% усилий на преодоление аэродинамического сопротивления) или 3,3 м/с (12 км/ч или 7,4 миль в час) на уклоне 7% (3,7% усилий по преодолению аэродинамического сопротивления).
  • 285 Вт для велосипеда массой 65 кг + водителя со скоростью 11 м/с (40 км/ч или 25 миль в час) на ровной поверхности (87 % усилий на преодоление аэродинамического сопротивления) или 5,3 м/с (19 км/ч или 12 миль в час) на уклоне 7% (6,1% усилий по преодолению аэродинамического сопротивления).

Уменьшение веса велосипеда и гонщика на 1 кг увеличит скорость на 0,01 м/с при скорости 9 м/с на ровной поверхности (5 секунд в гонке на время 32 км/ч (20 миль в час) на 40 километров (25 миль) дистанции ). Такое же снижение на уклоне 7% будет составлять от 0,04 м/с (велосипед 90 кг + водитель) до 0,07 м/с (велосипед 65 кг + водитель). Если подняться в течение 1 часа, сэкономив 453 грамма (1 фунт), вы получите от 69 до 107 метров (от 225 до 350 футов) – меньший эффект для более тяжелой комбинации велосипед + гонщик (например, 0,06 км/ч (0,04 мили в час) ⋅ 1 h ⋅ 1600 м (5200 футов) / миль = 69 м (226 футов)). Для справки, большие подъемы на Тур де Франс и Джиро д'Италия имеют следующие средние оценки:

Джиро д'Италия Градиенты [23]

Градиенты Тур де Франс

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ СС Уилсон (март 1973 г.). «Велосипедная техника». Научный американец . 228 (3): 81–91. Бибкод : 1973SciAm.228c..81W . doi : 10.1038/scientificamerican0373-81 .
  2. ^ Шунеманн, Джарон; Финке, Себастьян; Северенгиз, Семих; Шелте, Нора; Ганди, Смити (2022). «Оценка жизненного цикла электрических грузовых велосипедов для использования в городских грузовых перевозках в Гане» (PDF) . Процедия Сирп . 105 : 721–726. doi : 10.1016/j.procir.2022.02.120 . S2CID   247338693 .
  3. ^ Уилсон, Дэвид Гордон; Джим Пападопулос (2004). Велосипедная наука (Третье изд.). Массачусетский технологический институт. п. 343. ИСБН  0-262-23111-5 .
  4. ^ Фил Снейдерман Хоумвуд (30 августа 1999 г.). «Датчик мощности педали показывает, что велосипеды тратят мало энергии» . Газета Джонса Хопкинса. Архивировано из оригинала 1 февраля 2010 года . Проверено 21 февраля 2010 г.
  5. ^ Маккей, Дэвид Дж. К. (2008). Устойчивая энергетика (Первое изд.). UIT Cambridge Limited. п. 128.
  6. ^ Косуке Симомура; и др. (10 ноября 2009 г.). «Исследование влияния пассивных упражнений на нижние конечности с нагрузкой на местные мышцы и окислительный метаболизм всего тела: сравнение с имитацией верховой езды, езды на велосипеде и ходьбы» (PDF) . Динамическая медицина . 8 :4. дои : 10.1186/1476-5918-8-4 . ПМК   2780382 . ПМИД   19900292 . Проверено 26 июля 2014 г.
  7. ^ Цорн, Уолтер (27 марта 2015 г.). «Калькулятор скорости и мощности» . Проверено 27 марта 2015 г.
  8. ^ Таблица данных профиля мощности версии 4.0, автор Энди Р. Когган
  9. ^ Уилсон, Дэвид Гордон; Джим Пападопулос (2004). Велосипедная наука (Третье изд.). Массачусетский технологический институт Пресс. п. 44 . ISBN  0-262-73154-1 .
  10. ^ «Калькулятор уравнений Харриса-Бенедикта» . 27 марта 2015 г. Архивировано из оригинала 02 апреля 2015 г. Проверено 27 марта 2015 г.
  11. ^ «Велосипедная статистика» . Сайт города Копенгагена . Город Копенгаген. 13 июня 2013 года. Архивировано из оригинала 12 декабря 2013 года . Проверено 12 декабря 2013 г.
  12. ^ «Новый рекорд скорости с участием человека установлен на скорости 89,6 миль в час на велосипеде яйцевидной формы» . Популярная механика . 20 сентября 2016 г. Проверено 20 сентября 2016 г.
  13. ^ Wired.com (25 сентября 2008 г.). «Самый быстрый велосипедист в мире разогнался до 82,3 миль в час» . Архивировано из оригинала 26 сентября 2008 года . Проверено 26 сентября 2008 г.
  14. ^ «Официальные рекорды скорости Международной ассоциации транспортных средств с приводом от человека» . Архивировано из оригинала 12 апреля 2008 года . Проверено 4 марта 2008 г.
  15. ^ «Списки самых быстрых действий человека» . Архивировано из оригинала 8 марта 2008 года . Проверено 4 марта 2008 г.
  16. ^ «Рекорды ВПЧ и скорости велосипеда среди мужчин – гонщики-одиночки» . Архивировано из оригинала 12 апреля 2008 года . Проверено 4 марта 2008 г.
  17. ^ «Моултонская велосипедная компания: рекорды и гонки» . Архивировано из оригинала 12 апреля 2010 года . Проверено 26 февраля 2010 г.
  18. ^ «Правила UCI» (PDF) . 26 марта 2015 г. Проверено 30 марта 2015 г.
  19. ^ «Технические вопросы и ответы с Леннардом Зинном: великие дебаты о вращающихся гирях» . Архивировано из оригинала 17 октября 2006 г. Проверено 3 февраля 2007 г.
  20. ^ Обратите внимание, что плотность воздуха можно найти по барометрической формуле . Это 1,293 кг/м. 3 при 0°С и 1 атмосфере .
  21. ^ Чарльз Генри (15 марта 2015 г.). «Диаграмма Crr как функции V» . Проверено 30 марта 2015 г.
  22. ^ Синусом часто пренебрегают; для правильного лечения см. «Подтверждение математической модели мощности при езде на велосипеде по шоссе» Джеймса К. Мартина и др., Журнал прикладной биомеханики, том 14, выпуск 3, 14 августа 1998 г., стр. 276–291 [1]
  23. ^ Самые сложные подъемы Джиро д'Италия. Архивировано 27 сентября 2020 г. в Wayback Machine .
  24. ^ «Састре побеждает на этапе Альп д'Юэз 2008 года» . 23 июля 2008 г.: Velo News. Архивировано из оригинала 19 февраля 2009 года . Проверено 14 января 2009 г. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: e7cb7d74be47b1ee20c1444e7abbee57__1722254940
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/e7/57/e7cb7d74be47b1ee20c1444e7abbee57.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Bicycle performance - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)