Ехать против встречного ветра быстрее, чем моя максимальная скорость - как это возможно?

Недавно у нас здесь был довольно сильный ветер — сегодня прогноз погоды говорил о порывах от 20 до 30 миль в час, но несколько недель назад порывы предположительно превышали 40 миль в час. Прогнозируемое направление было в пределах нескольких градусов от моего лица в обоих случаях. В тот день, когда он был порывистым до 40 миль в час (по сравнению с базовой скоростью 30 миль в час), просто идти против ветра чаще всего требовало значительных усилий.

Даже если учесть, что ветер дует вдоль дороги и т. д., мы, возможно, можем немного снизить эту скорость ветра, но даже в этом случае я продвигался вперед против ветра. Я знаю, что такое езда со скоростью 30 миль в час по ровной поверхности и 40 миль в час под гору (в неподвижном воздухе).

При таких скоростях сопротивление качению должно быть неважно по сравнению с сопротивлением воздуха, не так ли (особенно, когда я на плоских брусьях)?

Как можно сделать достаточное расстояние при встречном ветре, равном вашей максимальной скорости движения, чтобы вы все еще могли оставаться в вертикальном положении? Давайте предположим, что скорость относительно земли составляет 5 миль в час при ветре со скоростью 30 миль в час (и плоской поверхности).

Кстати, я видел Тактику для езды при сильном ветре - интересно, но это о том, "как ездить?" а не теория.
Уравнение сопротивления велосипеда хорошо известно, хотя и не всегда хорошо известно. В частности, составляющая аэродинамического сопротивления в общем сопротивлении включает в себя воздушную скорость, как вы хорошо знаете, но она также зависит от плотности воздуха. Причина, по которой вы можете ездить при сильном встречном ветре, заключается в том, что воздух не очень плотный. Вам было бы гораздо труднее двигаться против водного потока со скоростью 5 миль в час, чем против воздушного потока со скоростью 30 миль в час.
Там также ваше поперечное сечение в направлении ветра. И это меняется в зависимости от вашей посадки. Но ваше положение при езде также меняет выходную мощность, которую вы получаете.
В чем вопрос? Почему вы не сможете ехать против ветра, равного вашей максимальной скорости в неподвижном воздухе?
@ R.Chung, ты бы точно это сделал (я знаком с каякингом)
@Frisbee чистая скорость ветра становится суммой скорости движения вперед и реальной скорости ветра. Если последний является абсолютным самым быстрым, на котором вы можете ездить (или даже немного больше), а первый больше нуля, вы едете в большем аэродинамическом сопротивлении, чем в неподвижном воздухе.
@ Бэтмен, да, я думал об этом. Я не верю, что смог бы достичь более аэродинамического положения, борясь с сильным ветром, чем вращение в неподвижном воздухе. Может быть, я ошибаюсь достаточно, чтобы иметь значение.
Я все еще не понимаю, в чем здесь вопрос? Вы хотите сказать, что у вас есть эмпирические доказательства того, что вы можете ехать против ветра, скорость которого превышает скорость относительно земли сверх того, что можно объяснить сопротивлением качению? Прогноз погоды по скорости ветра не является достоверным эмпирическим данными.
@Frisbee, ты прав, это не так. Так что мои доказательства не убедительны. Но у нас есть: прогноз >> я могу ездить в штиль; воздух на моем лице ощущается как катание под гору в 40 (и разница между этим и 30 огромна); ходить было трудно (шкала Бофорта говорит «неудобно» на скорости 32-38 миль в час).
А, кажется, я начинаю понимать. Ваш вопрос: «Если я могу двигаться с максимальной скоростью X при спокойном ветре, почему я все еще могу двигаться вперед, когда сталкиваюсь со встречным ветром X?»
В общем, на скорости выше 10 миль в час ваше сопротивление качению незначительно по сравнению с сопротивлением воздуха, поэтому, если вы не можете разогнаться до 30 миль в час на ровной поверхности в неподвижном воздухе, вам вообще будет трудно двигаться при встречном ветре со скоростью 30 миль в час, если он действительно встречный. А иногда еще хуже боковой ветер. Основная причина, по которой вы даже можете оставаться в вертикальном положении при таком ветре, заключается в том, что вы готовы так сильно напрягаться, в то время как вы не готовы, когда дело доходит до скорости 30 миль в час, по крайней мере, ненадолго.
Боковой ветер, безусловно, хуже, если у вас нет дороги к себе. Это было мое мнение о временном сопротивлении.
Я подправил заголовок, чтобы было понятнее, надеюсь, все в порядке.
@DanielRHicks вы прилагаете силу к земле, а не к воздуху. Езда при встречном ветре со скоростью 40 миль в час не равносильна езде против конвейерной ленты со скоростью 40 миль в час.
@JamesRyan - Вы нажимаете на педали. (Ехать на конвейерной ленте со скоростью 40 миль в час легко, так как вам нужно иметь дело только с трением качения.)
Наука @DanielRHicks говорит, что вы ошибаетесь. Попробуй понять почему или нет, но спорить с реальностью бесполезно.
Признаюсь, вы меня почти убедили.

Ответы (5)

Вы можете это сделать, потому что ваш велосипед соединен с землей.

Работа, совершаемая при перемещении объекта, пропорциональна расстоянию и силе сопротивления (которая для велосипедов состоит из сопротивления воздуха и сопротивления качению). Сопротивление воздуха зависит от скорости воздуха (скорость относительно земли + скорость ветра), а расстояние зависит только от скорости относительно земли. Более медленное движение снижает затраты энергии, даже если скорость воздуха остается высокой.

В качестве крайнего примера рассмотрим простое стояние на месте на ветру. Вы вообще не выполняете никакой работы, но скорость вашего воздуха все еще высока. Двигаясь против ветра, вы вскоре обнаружите, что делаете больше работы. А когда идете по ветру, вы делаете отрицательную работу!

Для объектов, не связанных с землей, все обстоит иначе. Воздушный шар при ветре 40 миль в час будет дрейфовать по ветру со скоростью 40 миль в час в наземных координатах и ​​должен будет использовать ту же мощность, чтобы оставаться на месте в наземных координатах, что и для движения со скоростью 40 миль в час в неподвижном воздухе.

Может помочь численный пример. Мы знаем уравнение мощности для велосипедов. Для велосипеда на ровной поверхности, с постоянной скоростью, без ускорения или торможения, в условиях спокойного ветра, для типичных коэффициентов качения и аэродинамического сопротивления для велосипеда с плоской планкой (Crr ~ 0,005 и CdA ~ 0,4 м^2) , и общей массой 85 кг, мощность, необходимая для достижения скорости 30 миль в час (13,33 м/с), составляет:

0,005 * 85 * 9,8 * 15,56 + 0,5 * 1,2 * 0,4 * 13,33^3 = 625 Вт.

Однако какая мощность потребуется для движения со скоростью 5 миль в час (2,22 м/с) при встречном ветре со скоростью 30 миль в час? В этом случае воздушная скорость составит 13,33+2,22 = 15,56 м/с, а путевая скорость будет всего 2,22 м/с.

0,005 * 85 * 9,8 * 2,22 + 0,5 * 1,2 * 0,4 * (15,56 ^ 2) * 2,22 = 140 Вт.

Вы не правы в отношении основной детали. Энергия, затрачиваемая в этом случае, — это мощность, умноженная на время, а не сила, умноженная на расстояние. Количество энергии, необходимое для того, чтобы едва двигаться вперед при ветре со скоростью 30 миль в час, лишь немного меньше, чем мощность, необходимая для движения со скоростью 30 миль в час в неподвижном воздухе.
Мощность равна работе делённой на время. Мощность, умноженная на время, равна работе.
См. также: physicsclassroom.com/class/energy/lesson-1/power , «Еще одна формула мощности» .
Хорошее редактирование. Я думал сделать простой сюжет без юнитов или сопротивления качению, но юниты в реальном мире всегда лучше.
@DanielRHicks Энергия, затрачиваемая в этом случае, представляет собой мощность, умноженную на время, а не силу, умноженную на расстояние. Нет, это одно и то же (см. следующий комментарий...) Энергия в Джоулях - кг * м^2/с^2. Итак, мощность в ваттах равна Дж/с. Легкий. Но что такое сила? Ньютоны. Ньютон равен одному кг * м/с^2 - килограмм-метр в секунду в квадрате. Итак, что такое ньютон-метр (сила, умноженная на расстояние)? кг * м^2/с^2. АКА Джоуль - энергия. См. en.wikipedia.org/wiki/Джоуль
Чтобы быть точным, энергия была бы интегралом мощности во времени или интегралом скалярного произведения векторов силы и скорости во времени, поскольку мощность может меняться, а сила и направление движения также могут меняться.
Мощность, которую производит велосипедист, равна крутящему моменту кривошипа, умноженному на частоту вращения педалей. Не знаю, как вы, но когда я еду против встречного ветра, я понижаю передачу, так что поворот рукоятки не уносит меня так далеко, как в неподвижном воздухе.
Да, мощность, подводимая к системе через кривошипы, такая же, как мощность, затрачиваемая на сопротивление ветру, сопротивление качению и изменение кинетической и потенциальной энергии. Я, Чанг и Хенле пытаемся объяснить, как он рассчитывается.
Хорошо, это может быть правильно. Пожалуйста, измените, чтобы я мог удалить свой голос против.
Мне, безусловно, нравится такой подход - если мы рассмотрим гонщика, который может отслеживать положение/баланс с включенными тормозами (или даже трехколесный велосипед), никакая мощность не должна расходоваться при нулевой скорости относительно земли. У вас есть ссылка на формулу с {V_air^2}{V_ground} в ней? Я смотрел на прошлой неделе и не мог найти ничего подобного.
Не точная ссылка, но вы получите ее, если соедините вместе W=Fs, F=kV_air^2 (k – постоянная величина, зависящая от площади и формы поперечного сечения) и P=W/t.
@ChrisH Ссылка, которую вы ищете, - это уравнение (2) в этом документе .
Можем ли мы изменить или удалить параграф 3, вы работаете стоя на месте, чтобы не упасть на ветру, и я бы не сказал, что вы выполняете отрицательную работу по ветру, но, очевидно, вы получаете больше за свои усилия благодаря ветру в вашем направлении. Формулировка не соответствует другим звуковым примерам. Также, если вы можете включить уравнение для вычислений в ответ, это было бы здорово.
Нет, мы не можем сделать эту модификацию, потому что это было бы неправильно. В физике слово «работа» имеет очень специфическое значение, не вполне соответствующее вашему повседневному пониманию.
Хорошо, спасибо, что разъяснили это без покровительства.
Чтобы быть более ясным, мышцы внутри выполняют некоторую работу, чтобы человек не упал, но эта работа не выполняется против ветра. Жесткий манекен в форме человека, стоящий на ветру, не сработал бы.

Вы можете сделать это из-за передачи велосипеда. Когда вы едете с более низкой скоростью, если вы переключаетесь на более низкую передачу, чтобы поддерживать число оборотов педали на том же уровне, то такое же усилие на педали создает большую тягу на шину. Даже если вы не переключаете передачи, легче приложить большее усилие на педали при более низких оборотах.

Сила велосипедиста обычно измеряется мощностью, которую он может произвести. Мощность = Сила Х Скорость. В этом случае скорость измеряется относительно земли, потому что трансмиссия велосипеда работает, толкая землю (через заднюю шину). Таким образом, если для движения со скоростью 30 миль в час в неподвижном воздухе по ровной поверхности без учета сопротивления качению требуется мощность 600 Вт, то для движения со скоростью 5 миль в час при встречном ветре со скоростью 25 миль в час (такая же сила сопротивления) потребуется (5/30) * 600 = 100 Вт.

Gidday и добро пожаловать в SE Bicycles - это хороший первый ответ.
@frisbee Это хороший первый ответ, потому что это не бесполезная острота. И это вызвало некоторое обсуждение. Ответ немного нарушается, потому что ветер не связан с землей, поэтому существует ненулевое «сопротивление» воздуха, даже когда скорость мотоцикла равна нулю. Итак, если вы едете в другую сторону, делаете ли вы работу, когда не торгуете вразнос - зависит от того, является ли ваша система отсчета землей или ветер является «вторым гонщиком» на вашем велосипеде?
@frizbee Скорость в force*velocity — это составляющая скорости, параллельная силе и относительная к предмету, на который вы нажимаете. Для велосипеда, движущегося по прямой линии на неподвижной поверхности, это эквивалентно путевой скорости. Очевидно, что для велосипеда на тренажере это не так, потому что велосипед больше не давит на землю.
Здесь у нас есть три взаимосвязанные системы. Педали преобразуют движение вверх/вниз во вращательное движение. Шестерни позволяют нам обменивать крутящий момент на скорость. Ведущее колесо преобразует вращательное движение в прямолинейное и воздействует на землю, толкая вас вперед. Важнейшей системой здесь является ведущее колесо. Если скорость относительно земли ниже, то внешняя часть ведущего колеса движется медленнее, а это означает, что для приложения заданной силы требуется меньше энергии.
@Frisbee: при лазании в игру вступает еще одна сила сопротивления: гравитация. Вот почему восхождение сложнее, чем езда по ровной поверхности.
@ojs Да, скалолазание - еще одна сила сопротивления. Это меньше мощности из-за более низкой скорости движения, как утверждается в этом ответе?
Да. Чтобы выбрать несколько случайных чисел в качестве примера, 10% набора высоты для человека и велосипеда весом 80 кг вместе создают силу сопротивления 10% * 80 кг * 9,81 м/с^2 = 78,48 кгм/с^2, что равно единица как N. Мощность равна скорости, умноженной на силу. Теперь для подъема на этот холм со скоростью 2 м/с требуется 78,49 Н * 2 м/с = 156,96 Вт. Для подъема на тот же холм со скоростью 5 м/с требуется 78,49 Н * 5 м/с = 392 Вт. Как видите, более низкая скорость движения требует меньше энергии.
Нет, ответ не утверждает, что «такое же количество силы ног на ветру каким-то образом меньше силы», сила ног равна мощности, используемой против ветра, сопротивления качению и т. д. Ехать со скоростью 5 миль в час при встречном ветре со скоростью 25 миль в час меньше работы, чем ехать со скоростью 30 миль в час в неподвижном воздухе из-за разной скорости относительно земли.
У вас проблема с разницей в мощности, теряемой на сопротивление воздуха? Питер Грин уже пытался это объяснить, но я говорю проще. Действительно, есть потерянная сила, которая исходит не от велосипедиста. Это происходит от ветра, который питается от разницы температур, вызванной в основном солнцем. В аэродинамической трубе физика между землей, велосипедом и воздухом остается прежней, но мощность исходит от вентилятора.

Отчасти это связано с тем, как измеряется скорость ветра. Стандарт скорости ветра измеряется на высоте 10 метров над уровнем земли. Ближе к земле срабатывает эффект, называемый граничным эффектом, и скорость ветра снижается (на самом деле скорость ветра на земле фактически равна нулю).

Согласно этому сайту , скорость ветра на плоской травянистой равнине можно рассчитать как V=Vref((H/Href)^0,142). Для Vref 30 миль в час при Href 10 м (извините за смешанные единицы, они выпадают, поскольку уравнение безразмерно), скорость ветра на высоте 1 м от земли будет только 21 миль в час.

Однако ссылка также предполагает значение показателя степени 0,333 на окраинах города или 0,5 в городе, что соответствует скорости ветра на высоте 1 м 14 миль в час или 9,5 миль в час соответственно.

Итак, ответ на вопрос, почему вы все еще можете крутить педали вперед при встречном ветре со скоростью 30 миль в час, когда вы обычно находитесь в равновесии, крутя педали вперед со скоростью 30 миль в час, заключается в том, что в случае встречного ветра фактическая скорость ветра, измеренная в вашем положении при езде, будет только около 20 миль в час или меньше. .

Вот это действительно интересно. Интересно, как это соотносится с наблюдениями по шкале Бофорта, связанными с ходьбой против ветра. Я начинаю думать, что мне нужен датчик воздушной скорости на велосипеде!
Gidday и добро пожаловать в SE Bicycles - это хороший и интересный первый ответ.
«скорость ветра на земле фактически равна нулю». Вот почему листья и мусор на земле никогда не двигаются, когда дует ветер. О, подождите.
Лол, я знал, что кто-то это поймет. На самом деле, именно поэтому листья и мусор на земле имеют тенденцию подниматься почти прямо вверх, подхваченные разницей давления Бернуйи, а затем начинают двигаться с ветром. Но это было скорее в стороне, и действительно имело значение только на микроскопических расстояниях.

У меня есть степень в области химического машиностроения, и мы изучаем это не только в трубном потоке, но и в псевдоожиженном каталитическом слое, и когда вы теряете катализатор из дымохода. В моих исследованиях химической инженерии мы никогда не рассматривали скорость частиц по-разному в зависимости от скорости ветра.

В соответствии с инвариантностью Галилея вы должны получить одинаковое сопротивление ветру в любой системе отсчета. Это только относительно. Подумайте об этом, мы крутимся и вращаемся вокруг солнца.

Сопротивление ветру чистое. 30 миль в час в неподвижном воздухе точно такие же, как 5 миль в час при встречном ветре 25 миль в час.

Зубчатая передача делает это возможным, но это не поставленный вопрос. Вопрос только в отношении сопротивления ветру:

30 миль в час (скорость) + 0 миль в час (ветер) = 5 миль в час (скорость) + 25 миль в час (встречный ветер)

Ответ: да, они одинаковы. Доказательство — инвариантность Галилея.

Введите 30,0 и 5,25 в этот калькулятор . Оба набора чисел дают одинаковую относительную скорость (30) и одинаковые ВАТТЫ.

FLO Cycling — как скорость влияет на сопротивление

При расчете сопротивления скорость — это не просто скорость, с которой вы едете на велосипеде. Скорость — это сочетание скорости, с которой вы едете на велосипеде, и скорости ветра. Эта комбинация скоростей известна как относительная скорость.
Встречный ветерВ этом примере велосипедист едет со скоростью 15 миль в час, а ветер дует в противоположном направлении со скоростью 5 миль в час. Таким образом, относительная скорость равна...
Скорость всадника - встречный ветер
(15 миль в час) - (-5 миль в час) = 20 миль в час.

Силы сопротивления в формулах

Мощность, необходимая для преодоления полного сопротивления, равна:
P = Ftotal v, где v : скорость в м/с
. Формула сопротивления воздуха строго применима только при отсутствии ветра. При любом ветре вместо v следует брать векторную сумму ветра от движения велосипеда плюс истинный ветер;

Перетаскивание (физика)

относится к силам, действующим противоположно относительному движению любого объекта, движущегося по отношению к окружающей жидкости.

v - скорость объекта относительно жидкости

Коэффициент сопротивления

u - скорость потока объекта относительно жидкости

пропорциональна квадрату относительной скорости потока между объектом и жидкостью

Сила сопротивления

v - скорость тела относительно жидкости

Сила сопротивления и коэффициент сопротивления

U - относительная скорость жидкости относительно частицы.

Если вы бросите камень, конечная скорость под действием силы тяжести должна быть точно такой же, как скорость ветра от вентилятора, который требуется, чтобы удерживать камень в воздухе.

Если третий V в степени V³ - это скорость относительно земли, а не относительная скорость, я не нахожу ссылок, в которых это утверждается. Предположим, что это верно:
V s1 - скорость еще
V s2 - скорость ветра
V w - скорость ветра
V s1 ^3 = (V s2 + V w ) * (V s2 + V w ) * V s2
V s1 ^3 = (V s2 ^2 + 2*V s2 *V w + V w ^2) * V s2
V s1 ^3 = V s2 ^3 + 2*V s2 ^2*Vw + V w ^2*V s2
, если V s1 = 30 и V w = 25, то V s2 = 16
Способность ехать со скоростью 16 миль в час при встречном ветре 25 миль в час мне кажется неправильным, но я просто больше не уверен

Единственная возможная разница в том, что ветер немного потревожен, поэтому будет некоторая турбулентность. Но даже при небольшой скорости вы попадаете в турбулентный поток (число Рейнольдса).

Из-за порывистого и турбулентного характера ветра он будет ощущаться быстрее, чем ощущение езды в неподвижном воздухе.

Предположим, что 30 миль в час это 600 Вт.

  • На скорости 30 миль в час при 52 x 11 передачах
    с частотой вращения 80
    я выдаю 600 Вт.

  • На скорости 5 миль в час на передаче 26 x 33 с частотой
    вращения 80
    я выдаю 600 Вт.

Я думаю, что вы делаете особенно хорошее замечание о турбулентности. Галилеевская инвариантность — это примерно то, что я имел в виду, когда задавал вопрос, хотя я забыл этот термин. Может быть, это сумма плохой оценки, сопротивления качению, являющегося более важным фактором, чем я рассчитывал, и способности прилагать больше усилий в течение коротких периодов времени, чем постоянно.
Комментарии не для расширенного обсуждения; этот разговор был перемещен в чат .

Я предполагаю, что ваш вопрос звучит так: «Как это возможно, что я все еще могу ехать прямо, даже если встречный ветер превышает мою максимальную скорость?»

Ответ:

  • Порыв/ветер не всегда имеет постоянное направление и, конечно же, не является постоянным потоком (скоростью). Таким образом, средняя скорость встречного ветра меньше, чем вы предполагаете. Это особенно актуально, когда вы находитесь в городской местности, когда направление ветра постоянно меняется.
  • Даже если есть постоянный встречный ветер со скоростью 30 миль в час (ваша максимальная скорость движения), ваша скорость не упадет до нуля внезапно. Ваша скорость будет постепенно уменьшаться, начиная со скорости вас и вашего велосипеда непосредственно перед порывом ветра, пока не достигнет нуля. Аналогия этой ситуации, когда вы едете с постоянной скоростью 30 миль в час и перестаете крутить педали.

Таким образом, средняя скорость ветра не имеет достаточного сопротивления (силы), чтобы обнулить скорость вас и вашего велосипеда, которая постоянно «пополняется» вашим вращением педалей.

Я не могу ничего опровергнуть, хотя я знаю, что были еще более сильные детали, которые были так же эффективны, как мои тормоза (на мокрой дороге). Также пешеходы (наблюдаемые плюс я иду непосредственно перед поездкой) и шкала Бофорта, как в моем комментарии под Q.
Я обнаружил, что порывы ветра останавливают меня, когда я крутю педали на 10-процентном уклоне на севере Шотландии ... (Берридейл для тех, кто знает холм)
@BrianDrummond Вы должны были развернуться внизу и подняться прямо на холм с попутным ветром. Представьте себе сегменты стравы!
@Criggie Хорошая идея, но из-за изгибов шпильки Berriedale вы проигрываете в обоих направлениях!
Любой холм в Шотландии такой же, вы либо едете со скоростью 50 миль в час, либо со скоростью 5 миль в час из-за ветра и уклона.
Ехать против встречного ветра быстрее, чем моя максимальная скорость - как это возможно?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v