Немного велосипедной физики
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" :-)
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" :-)