Представление велосипеда

Производительность велосипеда, как в биологическом, так и в механическом плане, чрезвычайно эффективна. С точки зрения количества энергии, которое человек должен затрачивать на преодоление заданного расстояния, езда на велосипеде считается наиболее эффективным средством передвижения с автономным питанием . С точки зрения соотношения веса груза, который велосипед может нести к общему весу, он также является наиболее эффективным средством транспортировки грузов.

Механическая эффективность

С механической точки зрения, до 99% энергии, подводимой к всаднику в педали передается на колеса (чистить, смазывать новую цепь на 400 Вт), хотя использование зубчатые механизмы , уменьшает его 1-7% (в чистоте, хорошо смазывать переключатели), 4-12% (цепь с 3-ступенчатой хабы), или 10-20% (приводной вал с 3-ступенчатой узлов). Более высокие эффективности в каждом ряде достиганы на более высоких уровнях силы и в безредукторной передаче (шестернях эпицентра деятельности) или с большими управляемыми винтами (переключателями передач).

Энергоэффективность

Человек, путешествующий на велосипеде со скоростью 16-24 км / ч (10-15 миль / ч), используя только энергию, необходимую для ходьбы, является наиболее энергоэффективным средством человеческого транспорта. сопротивление воздуха , которое увеличивается с квадратом скорости, требует все более высоких выходов мощности по сравнению со скоростью, мощность увеличивается с кубом скорости, поскольку мощность равна силе, умноженной на скорость. Велосипед, в котором велосипедист лежит в лежачем положении, называется лежащим велосипедом или, если покрыт аэродинамическим обтекателем для достижения очень низкого сопротивления воздуха, как лайнер .

На твердой, плоской Земле, 70 кг (150 фунтов) человек требует приблизительно 60 ватт , чтобы идти в 5 км/ч (3,1 миль в час). Тот же самый человек на велосипеде, на той же самой земле, с той же самой выходной мощностью, может поехать в 15 км/ч (9,3 миль в час), используя обычный велосипед, таким образом, в этих условиях энергетические затраты езды на велосипеде одна треть того из ходьбы.

Выход энергии

Активные люди могут производить от 1,5 Вт/кг (нетренированные) до 6,6 Вт / кг (спортсмены высшего класса). 5 Вт / кг-это уровень, достижимый самым высоким уровнем любителей мужского пола в течение более длительных периодов. максимальные уровни мощности в течение одного часа варьируются от 200 Вт ("здоровые мужчины") до 500 Вт (исключительно спортивные мужчины).

Ввод энергии

Энергия, поступающая в организм человека , находится в форме пищевой энергии, обычно количественно выраженной в килокалориях [ккал] или килограммах джоулей [kJ=kWs]. Это может быть связано с определенным пройденным расстоянием и массой тела, давая единицы, такие как кДж/(км∙кг). Скорость потребления пищи, т. е. количество, потребляемое в течение определенного периода времени, является входной мощностью. Это может быть измерено в ккал / сут или в Дж/С = Вт (1000 ккал/сут ~ 48,5 Вт).

Эта сила входного сигнала может быть определена путем измерять понимание кислорода, или в долгосрочном потреблении еды, не предполагая никакое изменение веса. Это включает в себя энергию, необходимую только для жизни, называемую базальной скоростью метаболизма BMR или примерно метаболической скоростью покоя .

Необходимая еда может также быть высчитана путем разделять силу выхода эффективностью мышцы . Это 18-26%. Из приведенного выше примера, если человек весом 70 кг ездит на велосипеде со скоростью 15 км/ч, затрачивая 60 Вт и мышечная эффективность составляет 20%, требуется примерно 1 кДж/(км∙кг) дополнительное питание. Для расчета общего количества пищи, необходимой во время поездки, BMR должен быть сначала добавлен к входной мощности. Если 70-килограммовый человек-старая, невысокая женщина, ее BMR может быть 60 Вт, во всех остальных случаях немного выше.[9] рассматриваемый таким образом эффективность в этом примере эффективно уменьшена вдвое и приблизительно 2 кДж/(км∙кг) всего еда необходима.

Хотя это свидетельствует о большом относительном увеличении количества пищи, необходимой для езды на велосипеде малой мощности, на практике это практически не замечается, так как дополнительные затраты энергии на час езды на велосипеде могут быть покрыты 50 г орехов или шоколада. При длительной и быстрой езде на велосипеде или в гору потребность в дополнительном питании 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

В полезном велоспорте есть большое изменение; пожилой человек на вертикальном родстере мог бы сделать меньше чем 10 км/ч (6,2 миль в час), в то время как слесарь или молодой человек могли бы легко сделать дважды, что на том же велосипеде. Для велосипедистов Копенгагена средняя скорость составляет 15,5 км / ч (9,6 миль / ч).

На гоночном велосипеде , разумно подходят всадник может ездить на 40 км / ч (25 миль в час) на плоской поверхности.

В конкурентной езде на велосипеде устойчивая высокая скорость усиливается аэродинамическими эффектами пелотона . Группа может поддерживать гораздо более высокую скорость на продолжительном расстоянии из-за того, что различные велосипедисты по очереди во главе ветра, а затем отстают, чтобы отдохнуть. Испытание времени команды производит такой же эффект.

Записи скорости езды на велосипеде

Самая высокая скорость, официально зарегистрированный для любого человека с питанием автомобиля (ВПЧ) на первом этаже, а со спокойными ветрами и без внешней помощи (например, мотор шагания и ветра-блоки, но в том числе и определенное количество гравитационной) является 144.18 км/ч (89.59 миль / час) набор в 2016 году Тодд Райхерт в ета Speedbike, а обтекаемые Лигерады. в гонке 1989 года по всей Америке группа ВПЧ пересекла Соединенные Штаты всего за 5 дней. Самая высокая скорость, официально зафиксированная для велосипеда в обычном вертикальном положении при полностью обтекаемых условиях, составляла 82,52 км/ч (51,28 миль / ч) на протяжении 200 м. этот рекорд был установлен в 1986 году Джимом Гловером на Moulton AM7 на чемпионате Human Powered Speed Championships во время Всемирной выставки Expo86 в Ванкувере. Самая быстрая скорость велосипеда в городе слипстрим-183,9 миль в час, установленная Denise Mueller-Korenek в 2018 году на солончаках Bonneville. Это включало слипстриминг за драгстером.

Уменьшение веса и вращающейся массы

Там была крупная корпоративная конкуренция, чтобы снизить вес гоночных велосипедов для того, чтобы быть быстрее в гору и ускорение. UCI устанавливает ограничение в 6,8 кг на минимальный вес велосипедов, которые будут использоваться в санкционированных гонках.

Преимущества уменьшенной массы

Для езды на велосипеде на уровне с постоянной скоростью, большое снижение веса экономит только незначительное количество энергии, и наоборот выгодно добавить массу в виде аэродинамических улучшений. Но для взбираться круто, любое уменьшение веса можно чувствовать сразу. Например, уменьшение 10% из полного веса системы (велосипеда, всадника, и совмещенного багажа) сохранит силу почти 10%.

Уменьшенная масса также непосредственно ощущается при ускорении. Например, аналитический велосипедный калькулятор дает преимущество времени / расстояния 0,16 с / 188 см для спринтера с более легкими колесами 500 г. В критериальной гонке, если наездник должен тормозить, входя в каждый угол, то это потрачено впустую как высокая температура. Для плоского критерия на 40 км/ч, 1 км цепи, 4 угла за круг, 10 км/ч потеря скорости на каждом углу, продолжительность одного часа, было бы 160 угловых "прыжков". Для 90 кг всадника и велосипеда это добавляет примерно одну треть усилий по сравнению с той же поездкой на постоянной скорости, и снижение массы на 10% от общего веса системы (велосипед, всадник и багаж вместе взятые) может, таким образом, дать около 3% преимущество.

Преимущества легких колес

Масса шин и ободов должна ускоряться линейно и вращательно. Можно показать, что влияние массы обода и шины типичных спицевых колес эффективно удваивается. Уменьшение их массы при этом особенно заметно в случае спринтов и угловых "прыжков" в критериуме .

Требуемая мощность

Жаркие дебаты по поводу относительной важности экономии веса и оптимизации шин и аэродинамики распространены в велоспорте . Путем вычислять требования к силы для двигать велосипед и всадника, одно может оценить относительные стоимости энергии сопротивления воздуха, сопротивления завальцовки, сопротивления наклона и ускорения.

Существуют известные уравнения, которые дают мощность, необходимую для преодоления различных сопротивлений, в основном в зависимости от скорости:

Воздушное сопротивление

описание

Диаграмма частичной мощности компонентов против скорости с использованием типичных значений силы сопротивления воздуха изначально очень низкая и увеличивается с кубом скорости. Сила сопротивления качению сначала выше, но поднимается только мягко. Взбираться ранг 5% увидена, что будет почти этим же как непрерывное ускорение с 0.5 m/s ² .

Сила P D P_{D}необходима для того чтобы отжать сопротивление воздушного сопротивления или сопротивления:

где

• ρ \rho плотность воздуха, которая составляет около 1.225 кг / м^3 на уровне моря и 15 град. С.
• v r скорость относительно дороги,
• v a это очевидный встречный ветер, и
• C D A A является характеристической областью, умноженной на связанный с ней коэффициент сопротивления.

Понятие видимого ветра применимо здесь только в том случае, если оно исходит от истинного встречного или попутного ветра. Тогда v a v_aскалярная сумма v r v_{r}и встречный ветер или разница между v r v_{r}и попутный ветер. Если эта разница отрицательна, P D P_{D}} P_{D}ее следует рассматривать как помощь, а не как сопротивление. Если, однако, у ветра есть боковая составляющая, очевидный ветер должен быть вычислен с векторной суммой и, особенно если велосипед оптимизирован, вычисление боковых сил и сил сопротивления становится более сложным; надлежащая обработка включает рассмотрение сил на поверхностях как силы на парусах .

Коэффициент сопротивления зависит от формы объекта и от числа Рейнольдса , от которого зависит сам v a v_aобъект . Однако, если A Одинплощадь поперечного сечения, C D C_{D}может быть приблизительно приближена к 1 для обычных скоростей езды на велосипеде всадника на вертикальном велосипеде.

Сопротивление качению

Сила P R для преодолевать сопротивления завальцовки автошин дается мимо:

• P R = v r m g cos ⁡ ( arctan ⁡ s ) C r r ≈ v r m g C r r

где g-гравитация, номинально 9,8 м / с^2, а m-масса (кг). Аппроксимацию можно использовать со всеми нормальными коэффициентами сопротивления качению C r r . Обычно это считается независимым от v r v_{r}(скорости велосипеда на дороге), хотя признается, что она увеличивается со скоростью. Измерения на роликовом механизме дают низкоскоростные коэффициенты от 0,003 до 0,006 для различных шин, накачанных до их максимальных рекомендуемых давлений, увеличиваясь примерно на 50% при 10 м/с.

Восхождение власти

Вертикальная взбираясь сила P S на наклоне s сдается мимо

• P S = v r m g sin ⁡ ( arctan ⁡ s ) ≈ v r m g s .

Это приближение приближается к реальному решению для малых, т. е. нормальных оценок. Для чрезвычайно крутых склонов, таких как 0.35, приближение дает завышенную оценку около 6%.

По мере того как эта сила использована для увеличения потенциальной энергии велосипеда и всадника, она возвращена как движущая сила идя под гору и не потеряна если всадник не тормозит или не перемещает более быстро чем пожелано.

Мощность для ускорения

Сила P A }для ускорения велосипеда и всадника имея полную массу m с ускорением a и вращательно также колеса имея массу m w

• P A ≈ v r ( m + m w ) a

Приближение действительно, если m w m_{w}предполагается, что оно сконцентрировано на ободах и шинах, и они не скользят. Таким образом, масса таких колес может быть подсчитана дважды для этого расчета, независимо от размеров колес.

По мере того как эта сила использована для увеличения кинетической энергии велосипеда и всадника, она возвращена замедляя и не потеряна если всадник не тормозит или не перемещает более быстро чем пожелано.

Общая мощность

• P = ( P D + P R + P S + P A η

где η \эта \,механическая эффективность привода, описанная в начале этой статьи.

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

• 175 Вт для велосипеда 90 кг + наездник ехать 9 м/с (32 км/ч или 20 миль/ч) на плоской (76% усилия преодолеть аэродинамическое сопротивление), или 2,6 м/с (9,4 км / ч или 5,8 миль / ч) на 7% класса (2,1% усилия преодолеть аэродинамическое сопротивление).
• 300 Вт для велосипеда 90 кг + гонщик на скорости 11 м/с (40 км/ч или 25 миль/ч) на плоской (83% усилий для преодоления аэродинамического сопротивления) или 4,3 м / с (15 км / ч или 9,5 миль / ч) на 7% - м уровне (4,2% усилий для преодоления аэродинамического сопротивления).
• 165 Вт для 65 кг велосипед + Райдер идти 9 м/с (32 км/ч или 20 миль/ч) на плоской (82% усилий, чтобы преодолеть аэродинамическое сопротивление), или 3,3 м/с (12 км / ч или 7,4 миль / ч) на 7% класса (3,7% усилий, чтобы преодолеть аэродинамическое сопротивление).
• 285 Вт для 65 кг велосипеда + гонщик на скорости 11 м/с (40 км/ч или 25 миль/ч) на плоской (87% усилий для преодоления аэродинамического сопротивления) или 5,3 м / с (19 км / ч или 12 миль / ч) на 7% - ном уровне (6,1% усилий для преодоления аэродинамического сопротивления).

Уменьшение веса велосипеда + наездника на 1 кг увеличило бы скорость на 0,01 м/с на 9 м/с на равнине (5 секунд на 32 км / ч (20 миль в час) , 40-километровой (25 миль) ТТ). Такое же снижение на 7% будет стоить 0.04 м/с (90 кг велосипед + наездник) до 0.07 м / с (65 кг велосипед + наездник). Если один залез на 1 час, экономия 1 фунт получило бы между 69 м (225 футов) и 110 м (350 футов) – менее эффекта для более тяжелый велосипед + Райдер комбинации (напр., 0.06 км/ч (0,04 миль / ч) * 1 ч * 1600 м (5,200 футов)/Ми = 69 м (226 футов)). Для справки, большие подъемы в Тур де Франс и Giro d'Italia имеют следующие средние оценки:

Giro d'Italia

• Перевал Стельвио = 7,45% на 24,3 км;
• Colle delle Finestre = 9.1% over 18.6 km;
• Colle dell'Agnello = 6,5% более 22 км;
• Passolanciano-Maielletta, также известный как Blockhaus = 9,4% более 22 км;
• План-де-Коронес = 10% более 5,2 км;
• Mortirolo = 10,4% более 12,5 км;
• Монте Зонколан = 12% более 10,1 км;

Tour de France

• Tourmalet = 7%
• Галибье = 7.5%
• Alpe D'Huez = 8,6%
• Mont Ventoux = 7,1%.

Тур Алма-Аты

• ВОАД = 7% на 4км.
• Саина = 5% на 6 км.
• Медео = 4% более 10 км.

См. также

• Велосипед
• Динамика велосипеда и мотоцикла
• Измеритель мощности циклирования
• Циклокомпьютер
• Схема езды на велосипеде

Пруф

.bicyclegearcalculator.uk/index.htm