Скорость велосипеда: от чего зависит и как увеличить?

Средний велосипедист без больших усилий удерживает 18-24 км/ч по асфальтовой дороге в нормальных условиях на современном горном велосипеде. Под средним велосипедистом понимается человек, который катается в месяц примерно 20-50 часов (час-два в день). Пол ездока при таких скоростях не оказывает решающего значения, больше — тренированность. Выкручивать 18 км/ч способен без особых усилий практически каждый, в том числе и подростки от 12-14 лет. Дети обычно несколько медленнее: от 12 км/ч.

Велосипед с обтекателем, рекордная скорость 133км/ч

    Что оказывает влияние на скорость велосипеда:

  • Сопротивление воздуха (аэродинамика).
  • Качество дорожного покрытия.
  • Фактор почв.
  • Ветер.
  • Давление в покрышках и рисунок протектора.
  • Технические факторы: трение в различных частях механизма и т.п.



Сопротивление воздуха(аэродинамика).

Оказывает очень большое влияние с ростом скорости, поскольку оно пропорционально ее квадрату. Рекорд в часовой гонке на шоссейнике около 51 км, в последние годы растет незначительно. При использовании обтекателя, полностью закрывающего велосипед, скорость может значительно возрасти (в полтора-три раза). В обычных условиях к сожалению промышленность пока не разработала готовых и доступных решений для велосипедистов. При 20-30 км/ч аэродинамика решающего влияния не имеет. Рекорд на велосипеде с обтекателем 83 мили в час (133 км/ч).



Пристроившись за автобусом или любым другим воздушным щитом, велосипедист получает преимущество — он едет в воздушном мешке. Рекорд скорости для такого случая 268,83 км/ч, автор Фред Ромпельберг. Стоит отметить, что способ крайне опасен, особенно когда водитель не знает о том, что вы находитесь позади. В интернете достаточно показательных фотографий того, что бывает при неблагоприятном исходе.

Рекорд скорости велосипеда за машиной (автобусом)

Качество дорожного покрытия.

Оказывает некоторое влияние на скорость велосипедиста.
идеально ровному асфальту едется легко и безопасно: нет шансов поймать колдобину и повредить колеса или получить травму. В российских реалиях все зачастую не так. Иногда есть возможность ехать быстро, но это не безопасно. В общем случае чем более ровное и твердое покрытие, тем быстрее едет велосипед. В поворотах также важна будет цепкость колес за покрытие, то есть коэффициент трения. Скорость по гравийной дороге падает до средней от 10 до 18 км/ч, в зависимости от качества и твердости покрытия (то же относится и к булыжным мостовым и тому подобным покрытиям). С песчаным — может упасть до 3-8 км/ч, а то и вовсе придется идти пешком.



Фактор почв.

Отдельной строкой стоит написать о глинистых и черноземных почвах. На юг от Москвы, ближе к Туле начинаются глинистые почвы. При намокании после дождей они становятся очень скользкими и липкими. За несколько километров грязи может налипнуть столько, что тяжело будет крутить педали даже на скорости 5-6 км/ч. Каждые несколько километров приходится счищать лишнее подручными средствами. Ближе к Воронежу начинается черноземье. После обильного дождя грязью все забьется за 400-500 метров настолько, что ехать будет невозможно. Чистить долго и утомительно, поэтому иногда приходится тащить велик до асфальта или какого-нибудь другого покрытия. Чистить все, чем под руку попадется, и ехать.


Изображение - savepic.ru — сервис хранения изображений


Ветер.

В зависимости от быстроходности ветра его влияние может изменяться от незначительного до огромного, делающего езду на велосипеде невозможной. Для европейской части России типичны ветра 10 км/ч. Соответственно, при попутном ветре вы можете ехать быстрее, а при встречном — медленнее на сходную со скоростью ветра цифру.



Давление в покрышках и рисунок протектора.

На маунтинбайке смена зубастых покрышек на гладкие слики и повышение давления с 2,5 атмосфер до шести способно прибавить несколько км/ч к скорости. Смена горного на шоссейник способна дать прибавку скорости еще больше.


Слики, агрессивный протектор

velopro.su

Как увеличить реально скорость и КПД велосипеда.
Приемы, факторы, основные методики и критерии скорости велосипеда

Увеличение скорости велосипеда зависит от многих факторов.
Основные техники и методики мы разберем отдельно.
Современные технологии позволяют увеличить скорость велосипеда, но все же стоит помнить,
что велосипед это механическое устройство, приводимое в движение за счет мускульной силы.


Средний велосипедист без больших усилий удерживает 18-24 км/ч по асфальтовой дороге
в нормальных условиях на современном горном велосипеде.
Под средним велосипедистом понимается человек, который катается в месяц примерно
20-50 часов (час-два в день). Пол ездока при таких скоростях не оказывает решающего значения,
больше — тренированность.
Вкручивать 18 км/ч способен без особых усилий практически каждый,
в том числе и подростки от 12-14 лет. Дети обычно несколько медленнее: от 12 км/ч.

Самое большое значение для скорости — силы велосипедиста и правильная посадка.
Важно так же соотношение передачи, скорости и покрытия.
Протектор покрышек сильно влияет, рама и её конструкция,
поэтому, на кросскантрийном двухподвесе обязательно должна быть блокировка амортизаторов,
по асфальту намного проще ехать на жесткой раме.
Вес важен при разгоне, на максималку не влияет, важно, чтобы тормоза не терли, обода ровные были.
Ну при сильном встречном ветре стоит сгибаться посильнее,
аэродинамику никто не отменял и тело действует как антипарус.

КПД велосипеда и в биологическом, и в механическом отношении очень высок.
Исследователи подсчитали, что с точки зрения затрат количества энергии,
которое человек должен потратить на преодоление заданного расстояния,
велосипед является наиболее эффективным самодвижущемся транспортных средств.

С механической точки зрения с педалей на колёса передаётся до 99% энергии,
хотя использование механизма переключения передач может уменьшить эту величину на 10-15%.
С точки зрения соотношения веса полезного груза, который велосипед может везти к общему весу,
то велосипед является также наиболее эффективным средством транспортировки грузов.


Человек, едущий на велосипеде на низких и средних скоростях (16-24 км/ч),
использует такую же мощность, которая требуется для ходьбы,
поэтому велосипед является наиболее энергоэффективным общедоступным транспортным средством.
Аэродинамическое сопротивление, которое увеличивается приблизительно пропорционально квадрату скорости,
требует более высокой мощности относительно скорости из-за того,
что с ростом скорости велосипеда требуемая мощность увеличивается в кубической зависимости,
так как мощность равна скорости умноженной на силу.

Что оказывает влияние на скорость велосипеда:

· Сопротивление воздуха (аэродинамика).
· Качество дорожного покрытия.
· Фактор почв.
· Ветер.
· Давление в покрышках и рисунок протектора.
· Технические факторы: трение в различных частях механизма и т.п.

Типичные скорости для велосипедов лежат в диапазоне от 15 до 30 км/ч. На быстром гоночном велосипеде,
средний гонщик может ехать на скорости 50 км/ч по ровной поверхности
в течение коротких отрезков времени.

Самая высокая скорость, официально зарегистрированная для транспортного средства,
приводимого в действие мускульной энергией при движении по ровной поверхности
в безветренную погоду и без внешней помощи
(то есть перед транспортным средством не двигалась какая-либо машина или мотоцикл) составила 133,284 км/ч.


Этот рекорд был установлен Сэм Уиттингем в 2009 году в Варне.
В 1989 году во время гонок через всю Америке группа транспортных средств,
приводимых в действие мускульной энергией пересекла Соединённые Штаты всего за 6 дней.
Самая высокая скорость, официально зарегистрированная при езде на велосипеде
с обычной вертикальной посадкой гонщика при прочих равных условиях
составила 82,52 км/ч на дистанции более 200 метров.
Этот рекорд был установлен в 1986 году Джимом Гловером на велосипеде модели "Мультон АМ7"
на третьем международном научном симпозиуме транспортных средств,
приводимых в действие мускульной в Ванкувере.

Сопротивление воздуха(аэродинамика) оказывает очень большое влияние с ростом скорости,
поскольку оно пропорционально ее квадрату.
Рекорд в часовой гонке на шоссейнике около 51 км, в последние годы растет незначительно.
При использовании обтекателя, полностью закрывающего велосипед,
скорость может значительно возрасти (в полтора-три раза).

В обычных условиях,
к сожалению промышленность пока не разработала готовых и доступных решений для велосипедистов.
При 20-30 км/ч аэродинамика решающего влияния не имеет.
Рекорд на велосипеде с обтекателем 83 мили в час (133 км/ч).


Пристроившись за автобусом или любым другим воздушным щитом,
велосипедист получает преимущество — он едет в воздушном мешке.
Рекорд скорости для такого случая 268,83 км/ч, автор Фред Ромпельберг.
Стоит отметить, что способ крайне опасен, особенно когда водитель не знает о том, что вы находитесь позади.
В интернете достаточно показательных фотографий того, что бывает при неблагоприятном исходе.

Был проведён крупный конкурс, задачей которого ставилось снижение веса гоночных велосипедов
за счёт использования современных материалов и компонентов.
Кроме того, в современных колёсах стоят подшипники с низким коэффициентом трения,
используются и другие возможности для снижения сопротивления,
однако в проведённых испытаниях эти компоненты практически не влияли
на характеристики велосипеда во время езды по ровной дороге.

Например, снижение веса велосипеда на 0,45 кг даст тот же эффект при соревновании
на время на 40 километровой дистанции по ровной дороге, что и удаление какой-либо выступающей части,
имеющей площадь аэродинамической поверхности размером с карандаш.
Кроме того, международный союз велосипедистов устанавливает ограничение
на минимальный вес велосипеда, который будет допущен до участия в гонках,
чтобы препятствовать создание настолько тонких конструкций велосипедов,
что их использование будет небезопасным.


По этой причине при разработке последних моделей велосипедов все усилия
были направлены на снижение аэродинамического сопротивления путём применения
труб аэродинамической формы, плоских спиц на колёсах, и использования такого руля,
чтобы положение туловища гонщика и его рук имело бы минимальное аэродинамическое сопротивление.
Эти изменения могут существенно повлиять на характеристики, сокращая время прохождения дистанции.

Меньший вес приводит к большой экономии времени при езде вверх по склону по холмистой местности.
Качество дорожного покрытия оказывает некоторое влияние на скорость велосипедиста.
По идеально ровному асфальту едется легко и безопасно: нет шансов поймать колдобину
и повредить колеса или получить травму. В российских реалиях все зачастую не так.
Иногда есть возможность ехать быстро, но это не безопасно.
В общем случае чем более ровное и твердое покрытие, тем быстрее едет велосипед.
В поворотах также важна будет цепкость колес за покрытие, то есть коэффициент трения.
Скорость по гравийной дороге падает до средней от 10 до 18 км/ч,
в зависимости от качества и твердости покрытия
(то же относится и к булыжным мостовым и тому подобным покрытиям).
С песчаным — может упасть до 3-8 км/ч, а то и вовсе придется идти пешком.

Фактор почв также немаловажный критерий.
Отдельной строкой стоит написать о глинистых и черноземных почвах.
Глинистые почвы при намокании после дождей становятся очень скользкими и липкими.
За несколько километров грязи может налипнуть столько,
что тяжело будет крутить педали даже на скорости 5-6 км/ч.


Каждые несколько километров приходится счищать лишнее подручными средствами.
При черноземье после обильного дождя грязью все забьется за 400-500 метров настолько,
что ехать будет невозможно.
Чистить долго и утомительно, поэтому иногда приходится тащить велик
до асфальта или какого-нибудь другого покрытия.

В зависимости от скоости ветра его влияние может изменяться от незначительного до огромного,
делающего езду на велосипеде невозможной.
Для европейской части типичны ветра 10 км/ч.
Соответственно, при попутном ветре вы можете ехать быстрее,
а при встречном — медленнее на сходную со скоростью ветра цифру.

Давление в покрышках и рисунок протектора также оказывают влияние на скорость.
На маунтинбайке смена зубастых покрышек на гладкие слики и повышение давления
с 2,5 атмосфер до шести способно прибавить несколько км/ч к скорости.
Смена горного на шоссейник способна дать прибавку скорости еще больше.

Трение в подшипниках или цепи может стать очень значительными при неправильной эксплуатации.
Самой распространенной проблемой для скорости велосипеда является цепь,
которую давно не смазывали и не чистили.
Это способно замедлить вас на 10-20%. Обычно цепь требует смазки каждые 50-200 км
характерным визгом и скрипом.
Также причиной снижения скорости могут быть колодки, которые чиркают по тормозному диску
или ободу в следствие каких-либо технических неполадок. Кроме негативного влияния на скорость,
это приводит к преждевременной выработке их ресурса.


Самое печальное, что может произойти — это непротянутые колеса с восьмерками.
При входе в повороты такие колеса зачастую чиркают покрышкой по раме,
а то и вовсе со временем могут протереть до дыр задние перья
(на покрышке часто есть абразив: смесь из песка, грязи и глины).
Для того чтобы этого не происходило надо время от времени проверять технику на неполадки.
Желательно это делать в хорошей мастерской.

Невозможно превратить обычный прогулочный велосипед с двумя звездочками в спортивный многоскоростной.

Однако несложная модернизация в домашних условиях
поможет улучшить скоростные показатели даже самого простого велосипеда:

· Замените руль велосипеда на более легкий. Подберите удобное для вас облегченное сиденье.
Попробуйте совсем отказаться от крыльев.
В сухую теплую погоду они не нужны, а в грязь и слякоть вы сможете вернуть крылья на место.
Эти изменения позволят увеличить скорость велосипеда за счет уменьшения его веса.

· Поставьте вместо обычных контактные педали.
Это позволит разгонять велосипед не только давлением на педаль,
но и притягиванием педали при ее движении вверх.
Правда, для использования таких педалей придется купить специальные ботинки.

· Звездочку на переднем колесе велосипеда попробуйте заменить звездочкой
с увеличенным количеством зубцов, а звездочку заднего колеса сменить на звездочку
с уменьшенным количеством зубцов.
Обычно на спортивных велосипедах вперед ставят шестеренку на пятьдесят четыре зубца,
а назад — на тридцать шесть зубцов.
При такой модернизации тяжелее крутить педали при подъеме в гору, но можно увеличить скорость велосипеда.

· Диаметры велосипедных колес изменяются в пределах от 20 дюймов до 28 дюймов.
Большие колеса позволяют увеличить скорость велосипеда, но крутить педали будет тяжелее.
Кроме того, велосипед с большими колесами более устойчив.
Большие колеса обеспечивают и лучшую проходимость, поскольку колесо может преодолеть
препятствие размером не более 1/3 диаметра колеса.

· Можно пойти дальше и полностью самостоятельно собрать велосипед,
подобрав наиболее подходящие вашим требованиям комплектующие.
Главное знать, какой велосипед вы хотите получить в результате.

Преимущество лёгких велосипедов, и в особенности лёгких колёс
относительно кинетической энергии заключается в том, что кинетическая энергия
начинает проявлять своё влияние только тогда, когда скорость движения велосипеда изменяется,
поэтому есть два случая, когда лёгкие колеса дают преимущество:
в спринте и при преодолении крутых поворотов в критериуме.

В спринте на дистанцию 250 м при движении со скоростью от 36 до 47 км/ч,
при весе велосипеда и спортсмена 90 кг, плюс ещё 1,75 кг веса колёс (ободы, шины, спицы)
кинетическая энергия увеличивается на 6360 джоулей (сжигаются 6,4 ккал).
Если снизить общий вес ободов, шин и спиц на 500 г, то эта кинетическая энергия уменьшится
на 35 Дж (1 ккал = 1,163 Ватт-час).
Влияние этой экономии веса на скорость или пройденное расстояние довольно сложно вычислить,
необходимо знать мощность, развиваемую спортсменом и длину спринтерской дистанции.

Расчеты показали, что снижение массы колёс на 500 грамм
даст выигрыш для спринтера в во времени 0,16 секунд, и выигрыш в пройденном расстоянии 188 см.

Если сделать колёса аэродинамическим, то выигрыш составит 0,05 км/ч при скорости 40 км/ч,
польза от снижения веса будет пренебрежительна мала по сравнению с пользой,
полученной от аэродинамической формы колёс.
Для сравнения, лучшие велосипедные колёса аэродинамической формы дают выигрыш
около 0,6 км/ч при скорости 40 км/ч, так что в спринте стоит применить комплект
колёс аэродинамической формы весом 500 г и меньше.

В критериуме (групповая кольцевая гонка) гонщик часто начинает резко разгоняться
после прохождения каждого поворота. Если велосипедист должен тормозить перед
прохождением каждого поворота (а не катиться по инерции, что бы сбросить скорость),
то кинетическая энергия, которая добавляется при каждом разгоне, теряется в виде тепла при торможении.

При гонке критериум по равнинной местности со скоростью 40 км/ч,
с длиной одного круга 1 км и каждый круг имеет 4 поворота, потеря скорости
на каждом повороте составляет 10 км/ч. Продолжительность гонки составляет один час,
вес гонщика — 80 кг, велосипеда — 6.5 кг, обода, диски и спицы весят 1.75 кг,
в этой гонке придётся преодолеть 160 поворотов.
На это потребуется дополнительные 387 ккал к 1100 килокалориям,
требуемым для езды с постоянной скоростью на той же дистанции.

Снижение веса колёс на 500 г снизит общее потребление энергии тела на 4,4 ккал.
Если добавление дополнительных 500 г веса в колёса привело
к снижению аэродинамического сопротивления на 0,3%
(это даёт увеличение скорости на 0,03 км/ч при езде со скоростью 40 км/ч),
то расход калорий на компенсацию дополнительного веса будет компенсирован
снижением аэродинамического сопротивления.

Ещё одно место, где лёгкие колёса могут иметь большое преимущество, это езда в горку.
Из формулы для расчёта мощности следует, что 450 грамм сэкономленной массы
дадут прибавку 0,1 км/ч к скорости при езде в горку с подъёмом в 4°,
и даже сэкономленные 1,8 кг веса дадут прибавку скорости только 0,4 км/ч
для лёгкого спортсмена.
Итак, из-за чего возникает значительный положительный эффект при снижения веса колёс?
Одни предполагают, что нет никакой экономии нет, а действует "эффект плацебо".

Так же было предположено, что изменение скорости при каждом нажатии на педали
при езде в гору объясняет полученное преимущество.
Однако энергия при изменениях скорости сохраняется — во время фазы нажатия педалей
велосипед немного ускоряется, при этом кинетическая энергия накапливается,
а в "мёртвых зонах" во время прохождения педалями верхней точки хода велосипед замедляется,
так что кинетическая энергия восстанавливается.
Таким образом, увеличение вращающейся массы может несколько снизить колебания
изменений скорости велосипеда, но оно не увеличивает потребность в дополнительной энергии.

Более лёгкие велосипеды легче преодолевают подъёмы, но влияние "вращающейся массы"
является проблемой лишь во время быстрого ускорения, но и даже тогда оно мало.

Обычный человек, иногда выбирающийся на велосипедные прогулки,
в большинстве случаев переоценивает скорость, с которой он передвигается на велосипеде.
Видя на компьютере показания 25-30 км/ч, кажется,
что эта скорость будет поддерживаться на протяжении длительного времени.
На практике же, реальная средняя скорость на асфальтированной дороге
за три-четыре часа, может едва достигнуть 20 км/ч.

Конечно, этот параметр также будет зависеть от типа и уровня велосипеда.
На некачественных или маленьких складных велосипедах и эти цифры будут недостижимы.
Более подготовленный велосипедист, проезжающий по нескольку тысяч километров в год,
окажется ощутимо быстрее.
У него лучше физические кондиции, выше техника езды, эффективность и, как правило, лучше велосипед.
Такие люди могут ехать со средней скоростью около 25 км/ч
на дистанциях до 100 км, а порой даже больше.

Спортсмены-любители, серьезные марафонцы – это группа людей,
обладающая совершенно другими физическими и техническими возможностями.
Они могут на шоссе поддерживать среднюю скорость 30-35 км/ч в течение многих часов.
При этом текущая скорость на отдельных участках может достигать 40 км/ч.
При езде в группе эти показатели ощутимо возрастают.
Профессиональные спортсмены в групповой гонке
могут ехать со средней скоростью выше 50 км/ч, а скорость на спусках может переваливать за сотню!

Сильнейшие профессионалы и в одиночку могут поддерживать среднюю скорость 50 км/ч.
Именно такой рекорд скорости установлен в часовой гонке на треке на велосипеде классической конструкции.
Пересеченная местность, в зависимости от характера, существенно уменьшает среднюю скорость.
На тяжелейших горных трассах даже у подготовленных спортсменов-велосипедистов
средняя скорость может быть в районе 15 км/ч.
И это при том, что они едут на сверхлегких профессиональных велосипедах,
а их уровень владения техникой очень высок.
С другой стороны, обычный человек вообще не смог бы ехать на велосипеде в таких условиях,
а его средняя скорость передвижения пешком составила бы 1-2 км/ч.

Как увеличить свою скорость?
В первую очередь, тренироваться.
Только регулярные тренировки позволят ездить лучше и быстрее.
Также важно – приобрести качественный велосипед, подходящий для предполагаемого использования и стиля катания.

Тогда тренировки станут более эффективными и приятными.
На хорошем велосипеде и кататься интересней!

https://sites.google.com/site/veloag…sti-velosipeda

forum.velomania.ru

КПД велосипеда и в биологическом, и в механическом отношении очень высок. Исследователи подсчитали, что с точки зрения затрат количества энергии, которое человек должен потратить на преодоление заданного расстояния, велосипед является наиболее эффективным самодвижущемся транспортных средств. С механической точки зрения с педалей на колёса передаётся до 99% энергии, хотя использование механизма переключения передач может уменьшить эту величину на 10-15%. С точки зрения соотношения веса полезного груза, который велосипед может везти к общему весу, то велосипед является также наиболее эффективным средством транспортировки грузов.

Энергетическая эффективность

Человек, едущий на велосипеде на низких и средних скоростях (16-24 км/ч), использует такую же мощность, которая требуется для ходьбы, поэтому велосипед является наиболее энергоэффективным общедоступным транспортным средством. Аэродинамическое сопротивление, которое увеличивается приблизительно пропорционально квадрату скорости, требует более высокой мощности относительно скорости из-за того, что с ростом скорости велосипеда требуемая мощность увеличивается в кубической зависимости, так как мощность равна скорости умноженной на силу: P = F * v (рис. 1.). Велосипед, в котором ездок находится в лежачем положении называется лигерад (альтернативное название — рикамбент), а если велосипед имеет аэродинамический обтекатель, используемый для достижения очень низкого аэродинамического сопротивления, то он называется стримлайнер.

График зависимости требуемой мощности от скорости велосипеда

Рис. 1. Зависимость требуемой мощности от скорости велосипеда.

На твёрдой, плоской поверхности человеку весом 70 кг требуется энергия около 30 Вт, что бы двигаться со скоростью 5 км/час. Тот же человек на велосипеде, находясь на той же поверхности и расходуя ту же мощность, может двигаться со средней скоростью 15 км/ч, так что расход энергии в кКал/(кг*км) будет примерно в три раза меньше. Обычно используются такие цифры:

  • 1.62 кДж/(км*кг) для езды на велосипеде,
  • 3.78 кДж/(км*кг) для ходьбы/бега,
  • 16.96 кДж/(км*кг) для плавания.

Велогонщики — любители обычно могут развивать мощность 3 Вт/кг в течении более чем часа (например, около 210 Вт для гонщика весом 70 килограммов), лучшие из любителей развивают 5 Вт/кг и элитные спортсмены могут достигать мощности 6 Вт/кг за аналогичные периоды времени. Элитные трековые велогонщики-спринтеры способны кратковременно достигать максимальной мощности около 2000 ватт, или более 25 Вт/кг; элитные шоссейные велогонщики могут кратковременно развивать максимальную мощность от 1600 Вт до 1700 Вт для мгновенного рывка на финишной прямой в конце пятичасовой шоссейной гонки.

Даже при движении на умеренных скоростях большая часть энергии тратится на преодоление аэродинамического сопротивления, которое увеличивается пропорционально квадрату скорости. Таким образом, мощность, необходимая для преодоления сопротивления воздуха возрастает пропорционально кубу скорости.

Типичные велосипедные скорости

Типичные скорости для велосипедов лежат в диапазоне от 15 до 30 км/ч. На быстром гоночном велосипеде, средний гонщик может ехать на скорости 50 км/ч по ровной поверхности в течение коротких отрезков времени. Самая высокая скорость, официально зарегистрированная для транспортного средства, приводимого в действие мускульной энергией при движении по ровной поверхности в безветренную погоду и без внешней помощи (то есть перед транспортным средством не двигалась какая-либо машина или мотоцикл) составила 133,284 км/ч. Этот рекорд был установлен Сэм Уиттингем в 2009 году в Варне. В 1989 году во время гонок через всю Америке группа транспортных средств, приводимых в действие мускульной энергией пересекла Соединённые Штаты всего за 6 дней. Самая высокая скорость, официально зарегистрированная при езде на велосипеде с обычной вертикальной посадкой гонщика при прочих равных условиях составила 82,52 км/ч на дистанции более 200 метров. Этот рекорд был установлен в 1986 году Джимом Гловером на велосипеде модели «Мультон АМ7» на третьем международном научном симпозиуме транспортных средств, приводимых в действие мускульной в Ванкувере.

Вес против мощности

Был проведён крупный конкурс, задачей которого ставилось снижение веса гоночных велосипедов за счёт использования современных материалов и компонентов. Кроме того, в современных колёсах стоят подшипники с низким коэффициентом трения, используются и другие возможности для снижения сопротивления, однако в проведённых испытаниях эти компоненты практически не влияли на характеристики велосипеда во время езды по ровной дороге. Например, снижение веса велосипеда на 0,45 кг даст тот же эффект при соревновании на время на 40 километровой дистанции по ровной дороге, что и удаление какой-либо выступающей части, имеющей площадь аэродинамической поверхности размером с карандаш. Кроме того, международный союз велосипедистов устанавливает ограничение на минимальный вес велосипеда, который будет допущен до участия в гонках, чтобы препятствовать создание настолько тонких конструкций велосипедов, что их использование будет небезопасным. По этой причине при разработке последних моделей велосипедов все усилия были направлены на снижение аэродинамического сопротивления путём применения труб аэродинамической формы, плоских спиц на колёсах, и использования такого руля, что бы положение туловища гонщика и его рук имело бы минимальное аэродинамическое сопротивление. Эти изменения могут существенно повлиять на характеристики, сокращая время прохождения дистанции. Меньший вес приводит к большой экономии времени при езде вверх по склону по холмистой местности.

Кинетическая энергия вращающегося колеса

Рассмотрим кинетическую энергию и «вращающиеся массы» велосипеда для того, чтобы изучить воздействие энергии вращения по сравнению с невращающимися массами.

Кинетическая энергия объекта при поступательном движении определяется по формуле

E=0.5mv2

Где E — энергия в джоулях, m — масса в килограммах, v — скорость, м/сек. Для вращающихся масс (например, для колеса), кинетическая энергия вращения определяется как

E=0.5Iω2

Где I — момент инерции, ω — угловая скорость в радианах в секунду. Для колеса со всей его массой, расположенной на внешнем крае (используем это приближение для велосипедного колеса), момент инерции составит

I=0.5mr2

Где r — радиус в метрах.

Угловая скорость связана с поступательной скоростью и радиусом шины. Если нет скольжения, то угловая скорость будет определятся по формуле:

ω=v/T

когда вращающиеся массы двигаются по дороге, то полная кинетическая энергия равна сумме кинетической энергии поступательного и вращательного движений:

E=0.5mv2 + 0.5Iω2

Подставив в предыдущее выражение I и ω, получаем

E = 0.5mv2 + 0.5mr2 * v2/r2

Слагаемое r2 сокращается, и в результате получаем выражение

E = 0.5mv2 + 0.5mv2 = mv2

Другими словами, кинетическая энергия вращающихся масс колёс в два раза больше, чем энергия неподвижных масс велосипеда. Есть доля истины в старой поговорке: «уменьшение веса колёс на фунт равно снижению веса рамы на 2 фунта».

Это все, конечно, зависит от того, насколько точно тонкий обруч является приближённой моделью колеса велосипеда. В действительности же вся масса не может быть сосредоточена в ободе колеса. Для сравнения другой крайностью может быть колесо, масса которого распределена равномерно по всему диску. В этом случае I = 0.5mr2, и поэтому полная результирующая кинетическая энергия становится равна E = 0.5mv2 + 0.25mv2 = 0.75mv2. Уменьшение массы колеса на один килограмм эквивалентно снижению массы рамы велосипеда на 1,5 кг. Параметры большинства колёс реальных велосипедов будут находиться где-то посередине между этими двумя крайностями.

Ещё одним интересным выводом из этого уравнения является то, что для велосипедных колёс, которые не скользят при движении, кинетическая энергия не зависит от их радиуса. Иными словами, преимущество колёс диаметром 650 мм в их низком весе, а не из-за их меньшего диаметра, как это часто утверждается. Кинетическая энергия для других вращающихся масс на велосипеде очень мала по сравнению с кинетической энергией колёс. Например, если вращать педали со скоростью примерно 1/5 от скорости колёс, то их кинетическая энергия составит около 1/25 (на единицу веса) от энергии колёс. Поскольку их центр масс движется по меньшему радиусу, то их энергия ещё больше снижается.

Перевод в килокалории

Предполагая, что вращающееся колесо можно рассматривать как сумму масс обода и шины и плюс ещё 2/3 от массы спиц, все это расположен по центру обода/шин. Для велосипедиста весом 82 кг на велосипеде весом 8 кг, (общий вес составляет 90 кг) при скорости 40 км/ч, кинетическая энергия составит 5625 джоулей для велосипедиста плюс 94 джоуля для вращающихся колёс (весом 1,5 кг — это общий вес ободов, шин и спиц). Преобразовав джоули в килокалории (для этого надо умножить джоули на 0,0002389) получим 1,4 Ккал (это пищевые калории).

Эти 1,4 Ккал являются той энергией, которая необходима для разгона велосипеда с места, или же которая рассеивается в виде тепла при торможении для полной остановки. Этих 1,4 килокалорий хватит для того, что бы нагреть 1 кг воды на 1,4 градуса по Цельсию. Поскольку теплоёмкость алюминия составляет 21% от теплоёмкости воды, то этого количества энергии хватит что бы нагреть колёсные диски весом 800 грамм, сделанные из алюминиевого сплава, на 8° C при быстрой остановке. Обода нагреваются не очень сильно при остановке на ровной дороге. Чтобы рассчитать расход энергии велосипедистом, коэффициент полезного действия принимают за 24%, получится 5,8 ккал, необходимых для разгона велосипеда и гонщика до скорости 40 км/ч, что занимает около 0,5% энергии, необходимой для езды со скоростью 40 км/ч в течение часа. Этот расход энергии будет происходить за 15 секунд, со скоростью примерно 0,4 ккал в секунду, в то время как при устойчивой езде со скоростью 40 км/ч требуется 0,3 килокалорий в секунду.

Преимущества лёгких колёс

Преимущество лёгких велосипедов, и в особенности лёгких колёс относительно кинетической энергии заключается в том, что кинетическая энергия начинает проявлять своё влияние только тогда, когда скорость движения велосипеда изменяется, поэтому есть два случая, когда лёгкие колеса дают преимущество: в спринте и при преодолении крутых поворотов в критериуме.

В спринте на дистанцию 250 м при движении со скоростью от 36 до 47 км/ч, при весе велосипеда и спортсмена 90 кг, плюс ещё 1,75 кг веса колёс (ободы, шины, спицы) кинетическая энергия увеличивается на 6360 джоулей (сжигаются 6,4 ккал). Если снизить общий вес ободов, шин и спиц на 500 г, то эта кинетическая энергия уменьшится на 35 Дж (1 ккал = 1,163 Ватт-час). Влияние этой экономии веса на скорость или пройденное расстояние довольно сложно вычислить, необходимо знать мощность, развиваемую спортсменом и длину спринтерской дистанции. Расчёты показывают, что снижение массы колёс на 500 грамм даст выигрыш для спринтера в во времени 0,16 секунд, и выигрыш в пройденном расстоянии 188 см. Если сделать колёса аэродинамическим, то выигрыш составит 0,05 км/ч при скорости 40 км/ч, польза от снижения веса будет пренебрежительна мала по сравнению с пользой, полученной от аэродинамической формы колёс. Для сравнения, лучшие велосипедные колёса аэродинамической формы дают выигрыш около 0,6 км/ч при скорости 40 км/ч, так что в спринте стоит применить комплект колёс аэродинамической формы весом 500 г и меньше.

В критериуме (групповая кольцевая гонка) гонщик часто начинает резко разгоняться после прохождения каждого поворота. Если велосипедист должен тормозить перед прохождением каждого поворота (а не катиться по инерции, что бы сбросить скорость), то кинетическая энергия, которая добавляется при каждом разгоне, теряется в виде тепла при торможении. При гонке критериум по равнинной местности со скоростью 40 км/ч, с длиной одного круга 1 км и каждый круг имеет 4 поворота, потеря скорости на каждом повороте составляет 10 км/ч. Продолжительность гонки составляет один час, вес гонщика — 80 кг, велосипеда — 6.5 кг, обода, диски и спицы весят 1.75 кг, в этой гонке придётся преодолеть 160 поворотов. На это потребуется дополнительные 387 ккал к 1100 килокалориям, требуемым для езды с постоянной скоростью на той же дистанции. Снижение веса колёс на 500 г снизит общее потребление энергии тела на 4,4 ккал. Если добавление дополнительных 500 г веса в колёса привело к снижению аэродинамического сопротивления на 0,3% (это даёт увеличение скорости на 0,03 км/ч при езде со скоростью 40 км/ч), то расход калорий на компенсацию дополнительного веса будет компенсирован снижением аэродинамического сопротивления.

Ещё одно место, где лёгкие колёса могут иметь большое преимущество, это езда в горку. Можно даже услышать такое выражение, как «эти колеса добавили 0,5-1 км/ч скорости» и т. д. Из формулы для расчёта мощности следует, что 450 грамм сэкономленной массы дадут прибавку 0,1 км/ч к скорости при езде в горку с подъёмом в 4°, и даже сэкономленные 1,8 кг веса дадут прибавку скорости только 0,4 км/ч для лёгкого спортсмена. Итак, из-за чего возникает значительный положительный эффект при снижения веса колёс? Одни предполагают, что нет никакой экономии нет, а действует «эффект плацебо». Так же было предположено, что изменение скорости при каждом нажатии на педали при езде в гору объясняет полученное преимущество. Однако энергия при изменениях скорости сохраняется — во время фазы нажатия педалей велосипед немного ускоряется, при этом кинетическая энергия накапливается, а в «мёртвых зонах» во время прохождения педалями верхней точки хода велосипед замедляется, так что кинетическая энергия восстанавливается. Таким образом, увеличение вращающейся массы может несколько снизить колебания изменений скорости велосипеда, но оно не увеличивает потребность в дополнительной энергии.

Более лёгкие велосипеды легче преодолевают подъёмы, но влияние «вращающейся массы» является проблемой лишь во время быстрого ускорения, но и даже тогда оно мало.

Объяснения

Возможные технические объяснения широко заявленных преимуществ лёгких компонентов в целом, и лёгких колёс в частности, заключается в следующем:

  • 1. Лёгкий вес выигрывает в тех гонках, где имеются значительные подъёмы, потому что более тяжёлые велосипеды не могут компенсировать потерю энергии на спуске или при езде по равнине: гонщик на более лёгком велосипеде просто катится по инерции. Кроме того, если два одинаковых велосипедиста на тяжёлом и лёгком велосипедах одновременно достигают нижней точки после подъёма до финиша, то всё преимущество переходит лёгкому велосипеду. Это не тот случай при соревнованиях в холмистой местности на время (или одиночная езда), где преимущество более тяжелых, но более аэродинамические колёс легко компнсирует расстояние, потерянное на подъемах.
  • 2. Велосипеды с легким весом выигрывают в спринте потому что им легче придать ускорение. Но обратите внимание, что более тяжёлые аэродинамические колеса дают значительные преимущества при увеличении скорости, а на значительной части гонки спринтер немного ускоряется, но в основном тратит все усилия на преодоление аэродинамического сопротивления. Во многих ситуациях в спринте победе могут способствовать более тяжелые, но более аэродинамические колеса.
  • 3. Лёгкий вес даёт преимущество в критериуме в связи с постоянным ускорением после прохождения каждого поворота. Тяжёлые, но более аэродинамические колеса дают небольшое преимущество, так как гонщики находятся в группе большую часть времени. Экономия энергии от лёгких колес минимальна, но она может быть более существенной, так как мышцы ног должны делать дополнительное усилие каждый раз при нажатии на педали.

Есть два «нетехнических» объяснения эффекта легкого веса. Во-первых, это эффект плацебо. Так как велосипедист чувствует, что он находятся на лучшем (лёгком) велосипеде, то он крутит педали сильнее и, следовательно, быстрее едет. Второе, не техническое объяснение заключается в триумфе надежды над опытом велосипедиста — из-за меньшего веса велосипеда его скорость увеличивается несущественно, но велосипедист думает, что он едет быстрее. Иногда это связано с отсутствием реальных данных, например, когда велосипедисту потребовалось два часа, чтобы подняться на холм на своём старом велосипеде, а на новом велосипеде он сделал это за 01:50. Не учитываются такие факторы как соответствие велосипедиста велосипеду в течении этих двух подъёмов, была ли погода жаркая или ветренная, в какую сторону дул ветер, какое было самочувствие у гонщика и т.д.

Другим объяснением, конечно, может быть маркетинговые преимущества, связанные с продвижением идеи снижения веса.

В конце концов аргумент о «возростающем потреблении мускульной энергии» является единственным, который может поддержать заявленные преимущества лёгких колёс в тех ситуациях, где нужен быстрый разгон. Этот аргумент должен был бы утверждать, что если велосипедист находится уже на пределе усилий на каждом рывке или при каждом нажатии педалей, то небольшое количество дополнительной мощности, необходимре для компенсации лишнего веса, будет являться значительной физиологической нагрузкой. Не ясно, верно ли это утверждение но это единственное объяснение заявленных преимуществ от снижения веса колёс (по сравнению со снижением веса остальной части велосипеда). Для этих ускорений, не имеет разницы, стали ли легче колёса на полкилограмма или на килограмм стал легче вес велосипеда и спортсмена. Чудодейственность лёгких колёс (по сравнению с уменьшением веса в любой другой части велосипеда) трудно увидеть.

the-mostly.ru

Надежность

В связи с отсутствием заднего и переднего переключателей, тросов и манеток живучесть велосипеда в целом существенно повышается. При падении ничего не ломается. При попадании в трансмиссию травы или небольших веток, механизм их просто разрежет. В подобном случае с много скоростной системой забиваются его ролики. что приводит к повреждению механизма переключателя передач.

Высокий КПД

В велосипеде с большим количеством скоростей цепь тянет заднюю звезду только за два или три верхних зуба. В этом случае механизм не передаёт большой момент силы на ведущее колесо. Происходит это из-за перекоса цепи. В велосипеде с одной передачей нет перекоса цепи, поэтому она тянет ведомую звезду и за верхние и за нижние зубья. соответственно у велосипеда с одной передачей намного выше КПД.

Расходы на содержание

Основными причинами быстрого износа трансмиссии на много скоростном велосипеде является перекос цепи и проскакивание её под нагрузкой при движении и переключении передач. При этом повышенному износу подвергаются все элементы трансмиссии: цепь, передние и задние звёзды. Плюс элементы управления переключением передач рычаги, манетки рано или поздно изнашиваются или выходят из строя. Все перечисленные выше моменты, характерные для много скоростного велосипеда намного повышают затраты на его содержание по сравнению с одно скоростным велосипедом.

Защита цепи

Большим преимуществом велосипеда с одной передачей является возможность установить на цепь защиту. Она не позволяет попадать грязь, песок или мелкие камни в цепь.

Практичность

На велосипеде с одной передачей цепь шире и работает без перекоса, поэтому её можно смазывать реже. Даже без смазки она просто будет меньше изнашиваться, чем тонкая цепь много скоростного велосипеда и шуметь.

Особенностью износа звезд велосипеда с одной передачей является то, что зубья на звёздах изнашиваются с одной стороны. После полного износа их можно перевернуть и они выходят второй срок.

Здоровье

В связи с тем. что на велосипеде с одной передачей одна ведомая звезда, то шатуны расположены ближе к оси велосипеда. Уменьшается действие так называемого Q-фактора, который при длительном педалировании может травмировать коленные суставы. Меньшее расстояние между шатунам также увеличивает производительность велосипедиста.

Также читать на эту тему:

Q – фактор. Q – фактор – это показатель расстояния между плоскостями, в которых вращаются головки шатунов. На числовое значение Q – фактора влияет форма шатунов и длина оси каретки. В случае с использованием контактных педалей, положение шипа на обуви также влияет на Q – фактор

Три жизни велосипеда с фиксированной передачей. Те, кто имеет такие машины говорят, что испытывают чувство полного контроля над велосипедом, несмотря на минимальное количество органов управления. Езду на “фиксе” сравнивают с танцем, где опытные партнёры чувствуют каждое малейшее движение друг друга

Велосипед сингл-спид. Поэтому на фиксед-гир устанавливают трещотку со свободным ходом (например фривил), такое изменение исключает недостатки фикседа. Вариантов задней втулки может быть несколько – на вкус пользователя или кому что подходит. Вместо одной звезды с трещоткой

Двухсторонняя втулка. На велосипедах с фиксированной передачей применяются двухсторонние втулки, где с одной стороны нарезана резьба для установки звезды, а на другой для установки фривила. Второй вариант – втулки с резьбой под звёзды с двух сторон. Резьба под звезду имеет особый диаметр для

Виды передачи крутящего момента на колесо велосипеда. Передача фрикостер. Оригинальное решение передачи крутящего момента с цепи на втулку. Вместо использования собачек на внутренней поверхности драйвера нанесена крупная резьба. Специальна гайка в корпусе втулки при педалировании накручивается на резьбу драйвера

variable.pp.ua

Надежность

В связи с отсутствием заднего и переднего переключателей, тросов и манеток живучесть велосипеда в целом существенно повышается. При падении ничего не ломается. При попадании в трансмиссию травы или небольших веток, механизм их просто разрежет. В подобном случае с много скоростной системой забиваются его ролики. что приводит к повреждению механизма переключателя передач.

Высокий КПД

В велосипеде с большим количеством скоростей цепь тянет заднюю звезду только за два или три верхних зуба. В этом случае механизм не передаёт большой момент силы на ведущее колесо. Происходит это из-за перекоса цепи. В велосипеде с одной передачей нет перекоса цепи, поэтому она тянет ведомую звезду и за верхние и за нижние зубья. соответственно у велосипеда с одной передачей намного выше КПД.

Расходы на содержание

Основными причинами быстрого износа трансмиссии на много скоростном велосипеде является перекос цепи и проскакивание её под нагрузкой при движении и переключении передач. При этом повышенному износу подвергаются все элементы трансмиссии: цепь, передние и задние звёзды. Плюс элементы управления переключением передач — рычаги, манетки рано или поздно изнашиваются или выходят из строя. Все перечисленные выше моменты, характерные для много скоростного велосипеда намного повышают затраты на его содержание по сравнению с одно скоростным велосипедом.

Защита цепи

Большим преимуществом велосипеда с одной передачей является возможность установить на цепь защиту. Она не позволяет попадать грязь, песок или мелкие камни в цепь.

Практичность

На велосипеде с одной передачей цепь шире и работает без перекоса, поэтому её можно смазывать реже. Даже без смазки она просто будет меньше изнашиваться, чем тонкая цепь много скоростного велосипеда и шуметь.
Особенностью износа звезд велосипеда с одной передачей является то, что зубья на звёздах изнашиваются с одной стороны. После полного износа их можно перевернуть и они выходят второй срок.

Здоровье

В связи с тем. что на велосипеде с одной передачей одна ведомая звезда, то шатуны расположены ближе к оси велосипеда. Уменьшается действие так называемого Q-фактора, который при длительном педалировании может травмировать коленные суставы. Меньшее расстояние между шатунам также увеличивает производительность велосипедиста.

velomasterclass.ru

Об эффективности велосипеда

КПД велосипеда и в биологическом, и в механическом отношении очень высок. Исследователи подсчитали, что с точки зрения затрат количества энергии, которое человек должен потратить на преодоление заданного расстояния, велосипед является наиболее эффективным самодвижущемся транспортных средств. С механической точки зрения с педалей на колёса передаётся до 99% энергии, хотя использование механизма переключения передач может уменьшить эту величину на 10-15%. С точки зрения соотношения веса полезного груза, который велосипед может везти к общему весу, то велосипед является также наиболее эффективным средством транспортировки грузов.

Энергетическая эффективность

Человек, едущий на велосипеде на низких и средних скоростях (16-24 км/ч), использует такую же мощность, которая требуется для ходьбы, поэтому велосипед является наиболее энергоэффективным общедоступным транспортным средством. Аэродинамическое сопротивление, которое увеличивается приблизительно пропорционально квадрату скорости, требует более высокой мощности относительно скорости из-за того, что с ростом скорости велосипеда требуемая мощность увеличивается в кубической зависимости, так как мощность равна скорости умноженной на силу: P = F * v (рис. 1.). Велосипед, в котором ездок находится в лежачем положении называется лигерад (альтернативное название — рикамбент), а если велосипед имеет аэродинамический обтекатель, используемый для достижения очень низкого аэродинамического сопротивления, то он называется стримлайнер.

Кпд велосипеда

Рис. 1. Зависимость требуемой мощности от скорости велосипеда

На твёрдой, плоской поверхности человеку весом 70 кг требуется энергия около 30 Вт, что бы двигаться со скоростью 5 км/час. Тот же человек на велосипеде, находясь на той же поверхности и расходуя ту же мощность, может двигаться со средней скоростью 15 км/ч, так что расход энергии в кКал/(кг*км) будет примерно в три раза меньше. Обычно используются такие цифры:

  • 1.62 кДж/(км*кг) для езды на велосипеде,
  • 3.78 кДж/(км*кг) для ходьбы/бега,
  • 16.96 кДж/(км*кг) для плавания.

Велогонщики — любители обычно могут развивать мощность 3 Вт/кг в течении более чем часа (например, около 210 Вт для гонщика весом 70 килограммов), лучшие из любителей развивают 5 Вт/кг и элитные спортсмены могут достигать мощности 6 Вт/кг за аналогичные периоды времени. Элитные трековые велогонщики-спринтеры способны кратковременно достигать максимальной мощности около 2000 ватт, или более 25 Вт/кг; элитные шоссейные велогонщики могут кратковременно развивать максимальную мощность от 1600 Вт до 1700 Вт для мгновенного рывка на финишной прямой в конце пятичасовой шоссейной гонки.

Даже при движении на умеренных скоростях большая часть энергии тратится на преодоление аэродинамического сопротивления, которое увеличивается пропорционально квадрату скорости. Таким образом, мощность, необходимая для преодоления сопротивления воздуха возрастает пропорционально кубу скорости.

Типичные велосипедные скорости

Типичные скорости для велосипедов лежат в диапазоне от 15 до 30 км/ч. На быстром гоночном велосипеде, средний гонщик может ехать на скорости 50 км/ч по ровной поверхности в течение коротких отрезков времени. Самая высокая скорость, официально зарегистрированная для транспортного средства, приводимого в действие мускульной энергией при движении по ровной поверхности в безветренную погоду и без внешней помощи (то есть перед транспортным средством не двигалась какая-либо машина или мотоцикл) составила 133,284 км/ч. Этот рекорд был установлен Сэм Уиттингем в 2009 году в Варне. В 1989 году во время гонок через всю Америке группа транспортных средств, приводимых в действие мускульной энергией пересекла Соединённые Штаты всего за 6 дней. Самая высокая скорость, официально зарегистрированная при езде на велосипеде с обычной вертикальной посадкой гонщика при прочих равных условиях составила 82,52 км/ч на дистанции более 200 метров. Этот рекорд был установлен в 1986 году Джимом Гловером на велосипеде модели «Мультон АМ7» на третьем международном научном симпозиуме транспортных средств, приводимых в действие мускульной в Ванкувере.

Вес против мощности

Был проведён крупный конкурс, задачей которого ставилось снижение веса гоночных велосипедов за счёт использования современных материалов и компонентов. Кроме того, в современных колёсах стоят подшипники с низким коэффициентом трения, используются и другие возможности для снижения сопротивления, однако в проведённых испытаниях эти компоненты практически не влияли на характеристики велосипеда во время езды по ровной дороге. Например, снижение веса велосипеда на 0,45 кг даст тот же эффект при соревновании на время на 40 километровой дистанции по ровной дороге, что и удаление какой-либо выступающей части, имеющей площадь аэродинамической поверхности размером с карандаш. Кроме того, международный союз велосипедистов устанавливает ограничение на минимальный вес велосипеда, который будет допущен до участия в гонках, чтобы препятствовать создание настолько тонких конструкций велосипедов, что их использование будет небезопасным. По этой причине при разработке последних моделей велосипедов все усилия были направлены на снижение аэродинамического сопротивления путём применения труб аэродинамической формы, плоских спиц на колёсах, и использования такого руля, что бы положение туловища гонщика и его рук имело бы минимальное аэродинамическое сопротивление. Эти изменения могут существенно повлиять на характеристики, сокращая время прохождения дистанции. Меньший вес приводит к большой экономии времени при езде вверх по склону по холмистой местности.

Кинетическая энергия вращающегося колеса

Рассмотрим кинетическую энергию и «вращающиеся массы» велосипеда для того, чтобы изучить воздействие энергии вращения по сравнению с невращающимися массами.

Кинетическая энергия объекта при поступательном движении определяется по формуле

E=0.5mv2

Где E — энергия в джоулях, m — масса в килограммах, v — скорость, м/сек. Для вращающихся масс (например, для колеса), кинетическая энергия вращения определяется как

E=0.5Iω2

Где I — момент инерции, ω — угловая скорость в радианах в секунду. Для колеса со всей его массой, расположенной на внешнем крае (используем это приближение для велосипедного колеса), момент инерции составит

I=0.5mr2

Где r — радиус в метрах.

Угловая скорость связана с поступательной скоростью и радиусом шины. Если нет скольжения, то угловая скорость будет определятся по формуле:

ω=v/T

когда вращающиеся массы двигаются по дороге, то полная кинетическая энергия равна сумме кинетической энергии поступательного и вращательного движений:

E=0.5mv2 + 0.5Iω2

Подставив в предыдущее выражение I и ω, получаем

E = 0.5mv2 + 0.5mr2 * v2/r2

Слагаемое r2 сокращается, и в результате получаем выражение

E = 0.5mv2 + 0.5mv2 = mv2

Другими словами, кинетическая энергия вращающихся масс колёс в два раза больше, чем энергия неподвижных масс велосипеда. Есть доля истины в старой поговорке: «уменьшение веса колёс на фунт равно снижению веса рамы на 2 фунта».

Это все, конечно, зависит от того, насколько точно тонкий обруч является приближённой моделью колеса велосипеда. В действительности же вся масса не может быть сосредоточена в ободе колеса. Для сравнения другой крайностью может быть колесо, масса которого распределена равномерно по всему диску. В этом случаеI = 0.5mr2, и поэтому полная результирующая кинетическая энергия становится равна E = 0.5mv2 + 0.25mv2 = 0.75mv2. Уменьшение массы колеса на один килограмм эквивалентно снижению массы рамы велосипеда на 1,5 кг. Параметры большинства колёс реальных велосипедов будут находиться где-то посередине между этими двумя крайностями.

Ещё одним интересным выводом из этого уравнения является то, что для велосипедных колёс, которые не скользят при движении, кинетическая энергия не зависит от их радиуса. Иными словами, преимущество колёс диаметром 650 мм в их низком весе, а не из-за их меньшего диаметра, как это часто утверждается. Кинетическая энергия для других вращающихся масс на велосипеде очень мала по сравнению с кинетической энергией колёс. Например, если вращать педали со скоростью примерно 1/5 от скорости колёс, то их кинетическая энергия составит около 1/25 (на единицу веса) от энергии колёс. Поскольку их центр масс движется по меньшему радиусу, то их энергия ещё больше снижается.

Перевод в килокалории

Предполагая, что вращающееся колесо можно рассматривать как сумму масс обода и шины и плюс ещё 2/3 от массы спиц, все это расположен по центру обода/шин. Для велосипедиста весом 82 кг на велосипеде весом 8 кг, (общий вес составляет 90 кг) при скорости 40 км/ч, кинетическая энергия составит 5625 джоулей для велосипедиста плюс 94 джоуля для вращающихся колёс (весом 1,5 кг — это общий вес ободов, шин и спиц). Преобразовав джоули в килокалории (для этого надо умножить джоули на 0,0002389) получим 1,4 Ккал (это пищевые калории).

Эти 1,4 Ккал являются той энергией, которая необходима для разгона велосипеда с места, или же которая рассеивается в виде тепла при торможении для полной остановки. Этих 1,4 килокалорий хватит для того, что бы нагреть 1 кг воды на 1,4 градуса по Цельсию. Поскольку теплоёмкость алюминия составляет 21% от теплоёмкости воды, то этого количества энергии хватит что бы нагреть колёсные диски весом 800 грамм, сделанные из алюминиевого сплава, на 8° C при быстрой остановке. Обода нагреваются не очень сильно при остановке на ровной дороге. Чтобы рассчитать расход энергии велосипедистом, коэффициент полезного действия принимают за 24%, получится 5,8 ккал, необходимых для разгона велосипеда и гонщика до скорости 40 км/ч, что занимает около 0,5% энергии, необходимой для езды со скоростью 40 км/ч в течение часа. Этот расход энергии будет происходить за 15 секунд, со скоростью примерно 0,4 ккал в секунду, в то время как при устойчивой езде со скоростью 40 км/ч требуется 0,3 килокалорий в секунду.

Преимущества лёгких колёс

Преимущество лёгких велосипедов, и в особенности лёгких колёс относительно кинетической энергии заключается в том, что кинетическая энергия начинает проявлять своё влияние только тогда, когда скорость движения велосипеда изменяется, поэтому есть два случая, когда лёгкие колеса дают преимущество: в спринте и при преодолении крутых поворотов в критериуме.

В спринте на дистанцию 250 м при движении со скоростью от 36 до 47 км/ч, при весе велосипеда и спортсмена 90 кг, плюс ещё 1,75 кг веса колёс (ободы, шины, спицы) кинетическая энергия увеличивается на 6360 джоулей (сжигаются 6,4 ккал). Если снизить общий вес ободов, шин и спиц на 500 г, то эта кинетическая энергия уменьшится на 35 Дж (1 ккал = 1,163 Ватт-час). Влияние этой экономии веса на скорость или пройденное расстояние довольно сложно вычислить, необходимо знать мощность, развиваемую спортсменом и длину спринтерской дистанции. Расчеты показывают , что снижение массы колёс на 500 грамм даст выигрыш для спринтера в во времени 0,16 секунд, и выигрыш в пройденном расстоянии 188 см. Если сделать колёса аэродинамическим, то выигрыш составит 0,05 км/ч при скорости 40 км/ч, польза от снижения веса будет пренебрежительна мала по сравнению с пользой, полученной от аэродинамической формы колёс. Для сравнения, лучшие велосипедные колёса аэродинамической формы дают выигрыш около 0,6 км/ч при скорости 40 км/ч, так что в спринте стоит применить комплект колёс аэродинамической формы весом 500 г и меньше.

В критериуме (групповая кольцевая гонка) гонщик часто начинает резко разгоняться после прохождения каждого поворота. Если велосипедист должен тормозить перед прохождением каждого поворота (а не катиться по инерции, что бы сбросить скорость), то кинетическая энергия, которая добавляется при каждом разгоне, теряется в виде тепла при торможении. При гонке критериум по равнинной местности со скоростью 40 км/ч, с длиной одного круга 1 км и каждый круг имеет 4 поворота, потеря скорости на каждом повороте составляет 10 км/ч. Продолжительность гонки составляет один час, вес гонщика — 80 кг, велосипеда — 6.5 кг, обода, диски и спицы весят 1.75 кг, в этой гонке придётся преодолеть 160 поворотов. На это потребуется дополнительные 387 ккал к 1100 килокалориям, требуемым для езды с постоянной скоростью на той же дистанции. Снижение веса колёс на 500 г снизит общее потребление энергии тела на 4,4 ккал. Если добавление дополнительных 500 г веса в колёса привело к снижению аэродинамического сопротивления на 0,3% (это даёт увеличение скорости на 0,03 км/ч при езде со скоростью 40 км/ч), то расход калорий на компенсацию дополнительного веса будет компенсирован снижением аэродинамического сопротивления.

Ещё одно место, где лёгкие колёса могут иметь большое преимущество, это езда в горку. Можно даже услышать такое выражение, как «эти колеса добавили 0,5-1 км/ч скорости» и т. д. Из формулы для расчёта мощности следует, что 450 грамм сэкономленной массы дадут прибавку 0,1 км/ч к скорости при езде в горку с подъёмом в 4°, и даже сэкономленные 1,8 кг веса дадут прибавку скорости только 0,4 км/ч для лёгкого спортсмена. Итак, из-за чего возникает значительный положительный эффект при снижения веса колёс? Одни предполагают, что нет никакой экономии нет, а действует «эффект плацебо». Так же было предположено, что изменение скорости при каждом нажатии на педали при езде в гору объясняет полученное преимущество. Однако энергия при изменениях скорости сохраняется — во время фазы нажатия педалей велосипед немного ускоряется, при этом кинетическая энергия накапливается, а в «мёртвых зонах» во время прохождения педалями верхней точки хода велосипед замедляется, так что кинетическая энергия восстанавливается. Таким образом, увеличение вращающейся массы может несколько снизить колебания изменений скорости велосипеда, но оно не увеличивает потребность в дополнительной энергии.

Более лёгкие велосипеды легче преодолевают подъёмы, но влияние «вращающейся массы» является проблемой лишь во время быстрого ускорения, но и даже тогда оно мало.

Объяснения

Возможные технические объяснения широко заявленных преимуществ лёгких компонентов в целом, и лёгких колёс в частности, заключается в следующем:

  • 1. Лёгкий вес выигрывает в тех гонках, где имеются значительные подъёмы, потому что более тяжёлые велосипеды не могут компенсировать потерю энергии на спуске или при езде по равнине: гонщик на более лёгком велосипеде просто катится по инерции. Кроме того, если два одинаковых велосипедиста на тяжёлом и лёгком велосипедах одновременно достигают нижней точки после подъёма до финиша, то всё преимущество переходит лёгкому велосипеду. Это не тот случай при соревнованиях в холмистой местности на время (или одиночная езда), где преимущество более тяжелых, но более аэродинамические колёс легко компнсирует расстояние, потерянное на подъемах.
  • 2. Велосипеды с легким весом выигрывают в спринте потому что им легче придать ускорение. Но обратите внимание, что более тяжёлые аэродинамические колеса дают значительные преимущества при увеличении скорости, а на значительной части гонки спринтер немного ускоряется, но в основном тратит все усилия на преодоление аэродинамического сопротивления. Во многих ситуациях в спринте победе могут способствовать более тяжелые, но более аэродинамические колеса.
  • 3. Лёгкий вес даёт преимущество в критериуме в связи с постоянным ускорением после прохождения каждого поворота. Тяжёлые, но более аэродинамические колеса дают небольшое преимущество, так как гонщики находятся в группе большую часть времени. Экономия энергии от лёгких колес минимальна, но она может быть более существенной, так как мышцы ног должны делать дополнительное усилие каждый раз при нажатии на педали.

Есть два «нетехнических» объяснения эффекта легкого веса. Во-первых, это эффект плацебо. Так как велосипедист чувствует, что он находятся на лучшем (лёгком) велосипеде, то он крутит педали сильнее и, следовательно, быстрее едет. Второе, не техническое объяснение заключается в триумфе надежды над опытом велосипедиста — из-за меньшего веса велосипеда его скорость увеличивается несущественно, но велосипедист думает, что он едет быстрее. Иногда это связано с отсутствием реальных данных, например, когда велосипедисту потребовалось два часа, чтобы подняться на холм на своём старом велосипеде, а на новом велосипеде он сделал это за 01:50. Не учитываются такие факторы как соответствие велосипедиста велосипеду в течении этих двух подъёмов, была ли погода жаркая или ветренная, в какую сторону дул ветер, какое было самочувствие у гонщика и т.д.

Другим объяснением, конечно, может быть маркетинговые преимущества, связанные с продвижением идеи снижения веса.

В конце концов аргумент о «возростающем потреблении мускульной энергии» является единственным, который может поддержать заявленные преимущества лёгких колёс в тех ситуациях, где нужен быстрый разгон. Этот аргумент должен был бы утверждать, что если велосипедист находится уже на пределе усилий на каждом рывке или при каждом нажатии педалей, то небольшое количество дополнительной мощности, необходимре для компенсации лишнего веса, будет являться значительной физиологической нагрузкой. Не ясно, верно ли это утверждение, но это единственное объяснение заявленных преимуществ от снижения веса колёс (по сравнению со снижением веса остальной части велосипеда). Для этих ускорений, не имеет разницы, стали ли легче колёса на полкилограмма или на килограмм стал легче вес велосипеда и спортсмена. Чудодейственность лёгких колёс (по сравнению с уменьшением веса в любой другой части велосипеда) трудно увидеть.

 

Источник: http://the-mostly.ru/misc/effektivnost_velosipeda.html

xt.ht

К недавним разговорам о КПД 1 и 3х звезд спереди поднимаем архив twentysix.ru, а именно — юзера, сейчас отошедшего от публикаций на вело-тематику — norcoroman’a.
В одной из прошлых публикаций я как-то коснулся вопроса КПД велосипедной передачи — обычной и планетарной. Тогда я не мог точно назвать цифры и орудовал очень приблизительными значениями, но с подачи камрада Alex946 у меня появилась какая-то конкретная инфа.Итак, вот диаграмма КПД обычной 27-скоростной трансмиссии:
Кпд велосипеда
Как видно, график прыгает, что и неудивительно, ведь в прямом ряду «от самой низкой до самой высокой» звезды порой чередуют друг друга. Пунктиром изображена линия тренда, которая снижается от 0,933 до 0,925. Нагрузочный режим 200 Вт.А вот диаграмма КПД планетарки Rohloff Speedhub 500/14. Соответственно 14 передач.

Кпд велосипеда
График тоже прыгает. Линия тренда снижается от 0,9085 до 0,897. При тех же постоянных 200 Вт.Тут следует вспомнить, что в рекламных проскектах Rohloff фигурируют цифры от 0,95 до 0,99, что, как видим, серьезно не соответствует действительности. Есть предположение (озвученное тем же Alex946), что ролофовцы элементарно схитрили, обозначив в рекламном проспекте КПД самой втулки, без участия КПД цепного привода, а это, в общем-то, неправильно: сравнивать цепную передачу с одной только втулкой, без цепного к ней привода.Вот что говорит один из зарубежных фанатов рикамбентостроения относительно потери почти 5% эффективности:This gives 4.5% difference in efficiency. I can work with that!
4.5% of 200 watts is 9 watts, which still doesn»t seem like much, but…
According to the HPV speed simulator, the Cuda-W goes 39.942 MPH with 200 watts, and goes 40.77 MPH with 209 watts. That»s 0.828 MPH, which also doesn»t seem like much until you realize that during a 1 hour time trial on the Hawkeye downs track, that makes me 2 laps faster! That may be all I need!Не владеющих английским вкратце проинформирую: автор с цифрами в руках показывает, что потеря 4,5% КПД приводит к потере 9 Вт в режиме нагрузки в 200 Вт (вполне нормальная для спортсмена постоянная мощность). Максимальная скорость его рикамбента в этом случае может быть на 0,828 миль/ч (1,33 км/ч) больше, что при часовом заезде на треке может дать дополнительные 2 круга за 1 час гонки.Разумеется, для велосипеда, а тем более маунтинбайка, влияние КПД трансмиссии в общем сопротивлении намного ниже.И вот еще одна диаграмма, онасравнивает КПДпланетарных конструкций по сравнению с КПД цепных, на этот раз в зависимости от нагрузки.
Кпд велосипеда
Как видно из диаграммы, только 4-скоростной роботизированный комплект Browning имеет КПД больший, чем у классической трансмиссии 3х9. Вплотную к 27-скоростной цепной передаче подходит автоматизированная система переключения от Browning на 12 передач.
Кстати, очень важное наблюдение: вне зависимости от типа трансмиссии ее эффективность тем выше, чем больше передаваемая нагрузка. Так, на передаче 44/16 в классической 27-скоростной трансмиссии Shimano максимальный КПД = 98% достигается при мощности в 370 Вт. Постоянная мощность такой величины характерна для очень могучих райдеров.Вывод: хотите больше эффектвности — крутите сильнее! 🙂

twentysix.ru

Заново изобрела велосипед компания CeramicSpeed: в ее концепте энергию от вращения педалей на заднее колесо передает вращающийся вал, а не традиционная цепь.

Как защитить свои накопления с помощью технологий. Встречайте наш новый проект — рассылку Money+

Кпд велосипеда

Компания утверждает, что такой способ крутить колеса в полтора раза эффективнее, чем продвинутое традиционное решение для профессионалов — кассеты и переключатели уровня Shimano Dura Ace. Один из создателей системы Джейсон Смит в интервью Bikeradar объясняет это колоссальным сокращением точек трения. А также тщательным подбором подшипников и смазки — в этом компании помогла лаборатория из Колорадо Friction Facts.

Кпд велосипеда

«Каждый раз, когда цепь натягивается, возникает трение. Каждый раз, когда ослабляется — возникает трение. Когда вы педалируете со скоростью 95 оборотов, за минуту возникает 40 тысяч таких точек», — указывает Смит.

По его словам, вращающийся вал, с помощью которого передается энергия, — концепция весьма традиционная. Например, в автомобильном дифференциале скорость вращения колес компенсируют с помощью конических шестеренок. При таком подходе точек трения всего четыре. Но все попытки приспособить механизм для того, чтобы использовать его в велосипедах, терпели крах из-за огромного трения. Так что создатели новой трансмиссии отбросили конические шестеренки и стали изобретать иной способ «перпендикулярной» передачи усилия.

Кпд велосипеда

Решением стал круг из подшипников, который вращает одну «звездочку» — а не пять-семь, как на нынешних велосипедах, где цепь необходимо перебрасывать для того, чтобы варьировать усилия.

Новинку показали в действии на выставке Eurobike. По утверждению Смита, потери на трение удалось снизить всего до 2%. Правда, Bikeradar указывает, что система наиболее эффективна при средних уровнях мощности — до 300 ватт.

CeramicSpeed признает, что ее решению предстоит пройти длинный путь от прототипа до серийного производства. Во-первых, пока устройство не умеет переключать передачи. Для этого предстоит дополнить стержень механизмом, двигающим «солнышко» из подшипников по «звездочке». Но это, как утверждают создатели, несложно. Важнее то, что под новую систему необходимо выпустить специальную раму — а значит, для велосипедной революции необходимо привлечь внимание крупных производителей. Третий ключевой момент — защита прецизионных подшипников от дорожной пыли, грязи и влаги. В демонстрационном прототипе, где важно было показать, как система работает, ее внутренности открыты всем ветрам.

Если CeramicSpeed удастся преодолеть эти сложности, возможно, велосипеды для раздельного старта на одной из следующих веломногодневок Tour de France будут выглядеть примерно так:

Кпд велосипеда

В большом обзоре Хайтек+ писал о другом тренде в переосмыслении велосипедов — компактных электромоторах, которые позволяют проезжать гигантские расстояния или с легкостью обгонять конкурентов.

hightech.plus


Categories: Велоспорт

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.

Adblock
detector