Стоят ли аэродинамические диски дополнительного веса?

Очевидно, что цены подтверждают идею о том, что аэродинамика имеет большее значение, чем несколько сотен граммов веса, но в какой момент дополнительный вес компенсирует выигрыш?

Точный расчет будет зависеть от общей массы вас и вашего велосипеда, вашей скорости, ветра, его угла, подъема вы, по равнине или спуску, а также скорости, с которой вы едете (или мощности, которую вы используете). повторно выпускать). Однако мы можем сделать приблизительные оценки многих из этих переменных, чтобы получить приблизительный ответ.

Скажем, аэродинамические колеса добавляют 100 граммов общей массы по сравнению со «стандартными» колесами и, в свою очередь, уменьшают площадь сопротивления CdA на 0,005 м^2. Это примерное улучшение для достаточно аэродинамического колеса по сравнению со стандартным коробчатым ободом, хотя для чрезвычайно хорошо спроектированных колес вы можете увидеть, возможно, двойную разницу (~ 0,01 м ^ 2) или больше, особенно при больших углах рыскания.

Уравнение мощности для велосипеда хорошо понятно и было дано в этом ответе Bicycles Stackexchange . Таким образом, чтобы определить точку, в которой предпочтительнее отказаться от меньшего веса ради аэродинамического сопротивления, мы можем подставить подходящие значения для массы, скорости, наклона и т. д. и построить график экономии энергии, как это сделано здесь.

На рисунке ниже сравнивается велосипедист весом 80 кг со стандартными ободами и велосипед весом 80,1 кг с аэродинамическими ободами. Мы предполагаем, что аэродинамические диски экономят 0,005 м ^ 2 площади аэродинамического сопротивления по сравнению со стандартными дисками. Три пунктирные линии показывают экономию энергии при подъеме на 5%, ровной дороге и спуске на 5%. По оси X показана скорость водителя в км/ч, а по оси Y показана экономия на более легких колесах — когда пунктирная линия находится выше сплошной горизонтальной нулевой линии, лучше иметь более легкие колеса; когда пунктирная линия опускается ниже сплошной горизонтальной нулевой линии, лучше иметь более аэродинамические колеса.

Как видите, только для крутых подъемов на небольшой скорости предпочтительнее иметь более легкие колеса; однако для этого конкретного сравнения экономии веса и снижения аэродинамического сопротивления преимущество невелико, меньше ватта. По мере увеличения скорости пунктирная линия в конечном итоге опускается ниже нуля, и становится лучше сделать выбор в пользу аэродинамической экономии.

Это было для крутого холма. На ровной поверхности и на спусках вам почти всегда будет лучше с более аэродинамическими колесами.

Обратите внимание, что экономия энергии все еще относительно скромна. В гонках даже небольшие преимущества могут определить победу или поражение, но для обычной рекреационной езды вы можете помнить о величине более легких колес по сравнению с более аэродинамическими колесами, особенно если ваш бюджет ограничен. Только вы можете решить, является ли относительная выгода рентабельной.

Думаю, я мог бы добавить несколько дополнительных комментариев к тем очень хорошим и исчерпывающим примерам сценариев аэродинамики и веса, которые Роберт предоставил в прошлом году.

В частности, динамический сценарий ускорений на ровной местности, который немного сложнее, чем езда на велосипеде в установившемся режиме.

Кто-то может подумать, что легкие колеса будут разгоняться лучше, чем тяжелые аэродинамические колеса, но это не обязательно так. На самом деле, более вероятно, что верно обратное, поскольку, когда вы путешествуете со скоростью, потребность в энергии определяется двумя факторами; изменение кинетической энергии (в том числе вращательной) и преодоление значительного и все возрастающего сопротивления воздуха.

Если вы уменьшите потребность в энергии для преодоления сопротивления воздуха, то энергия, необходимая для этого, может быть использована для увеличения кинетической энергии.

Приведет ли это к увеличению производительности или нет, зависит от стартовой скорости, продолжительности ускорения, а также от величины аэродинамических и массовых различий.

Я подробно рассматриваю эту проблему в этом сообщении в блоге, которое я сделал в прошлом году:

http://alex-cycle.blogspot.com.au/2013/02/the-sum-of-parts.html

В этом пункте я сравниваю 10-секундные ускорения с нулевой скорости и со стартовой скоростью 30 км/ч. В примерах я использовал типичную аэродинамическую разницу, которую я измерил между такими колесами, и преувеличенную разницу в массе колеса в 0,5 кг.

Результаты нанесены на графики.

Оказывается, если вы начинаете спринт со скорости (в данном случае 30 км/ч), более тяжелый гонщик с аэродинамическими колесами сразу же вырывается вперед, и их отрыв продолжает расти. Более тяжелое аэродинамическое колесо всегда является лучшим выбором в этом сценарии (несмотря на множество других факторов выбора колеса, которые я описываю в связанном посте):

Однако это немного отличается от полной остановки, когда гонщик с более легким колесом имеет начальное преимущество, однако гонщик с более тяжелым аэродинамическим колесом начинает догонять и обгонять гонщика с более легким колесом примерно через 7 секунд, а затем уезжает от водителя с более легким колесом. .

Таким образом, крит хот-дога с поворотами почти в тупик представляет собой интересную дилемму, и, возможно, ему может быть полезна более индивидуальная оценка. В противном случае, если гонки никогда не сильно замедляются на поворотах, то аэродинамическая колесная пара почти всегда будет быстрее и / или требует меньше энергии и ускоряется быстрее.

Конечно, точный сценарий для любого человека зависит от формы графика его спринтерской мощности в зависимости от времени, поскольку у некоторых гонщиков пиковая мощность выше, у некоторых гонщики испытывают более быстрое снижение мощности и так далее.

Принципы, однако, не меняются, так как характер и общая форма графиков будут схожими, поскольку запас энергии фиксирован и идет на преодоление суммы каждого фактора потребности в энергии, т.е. изменения кинетической энергии, преодоление аэродинамического сопротивления, сопротивления качению. , изменение потенциальной энергии (гравитация), трение в трансмиссии. Требуется меньше энергии для одного, и больше доступно для других.

В этом пункте я также рассказываю о влиянии различий в массе/моменте инерции вращающегося колеса, которые оказываются настолько незначительными, что ими можно пренебречь.

Я думаю, это зависит от курса, по которому вы едете. Профессионалы будут иметь несколько колесных пар и использовать разные колеса в зависимости от трассы, по которой они едут в течение дня. Вес действительно имеет большое значение, только если вы поднимаетесь или ускоряетесь. Таким образом, для трасс с большим количеством подъемов, где аэродинамическое сопротивление в любом случае минимально, они часто выбирают очень легкие колесные пары без аэродинамических ободьев. На плоских трассах и в гонках на время, где аэродинамика дает большее преимущество, они будут использовать более тяжелые аэродинамические колеса.

Недавно я провел дополнительный анализ моделирования, упомянутого в моем предыдущем ответе, на этот раз используя реалистичную кривую выходной мощности для ускорений при старте с места и при двух сценариях старта с перекатывания вместо предполагаемой плоской мощности 1000 Вт, использовавшейся в более ранней модели.

Полная ссылка здесь: http://alex-cycle.blogspot.com.au/2014/12/the-sum-of-parts-ii.html

Но если вкратце, то выводы те же, только небольшие различия в точном времени, когда аэродинамика становится более выгодной при старте с места. Если вы уже катитесь по ровной местности, это всегда лучший выбор, и я добавил третий сценарий, ускорение в гору с низкой начальной скорости (подумайте о критерии разворота у подножия холма). В этом случае аэродинамическое колесо все равно выигрывает, если только финишная черта не близка к повороту.

Обратите внимание, что экономия энергии все еще относительно скромна. В гонках даже небольшие преимущества могут определить победу или поражение, но для обычной рекреационной езды вы можете помнить о величине более легких колес по сравнению с более аэродинамическими колесами, особенно если ваш бюджет ограничен. Только вы можете решить, является ли относительная выгода рентабельной.