Чому зменшення ваги велосипеда так сильно впливає на швидкість?
Я намагаюся зрозуміти фізику ваги велосипеда. Я щойно перейшов з гоночного мотоцикла на 11 кг на гоночний на 8 кг (очевидно, між цими двома велосипедами є набагато більше факторів та відмінностей, ніж вага), і я побачив перевагу зменшення ваги. Однак я не впевнений, що розумію.
Наприклад, припустимо, моя загальна вага 8 + 75 при загальній вазі 83 кг. Різниця між цим і 86 кг мінімальна, але, схоже, це робить різницю, більшу, ніж я очікував.
Припустимо, я міг збалансувати загальну вагу, несучи рюкзак або надважкий пакет бідон/сідло, щоб загальна вага могла бути однаковою. Чому легший велосипед завжди здається швидшим?
Я прочитав щось про обертальну масу, що, здається, свідчить про те, що це не так багато спільного з вашою спільною вагою, як сприймається силою тяжіння, а з еквівалентною силою підйому рухомих частин, а саме ваших коліс, і насправді є це вага колеса, що є головним фактором, тому що вам фактично потрібно підняти половину колеса, щоб створити імпульс вперед. Це свого роду ефект дзиги: чим легше повертати колесо, тим швидше воно рухається?
Дві основні проблеми з велосипедом на рівній місцевості - це опір коченню шин та опір вітру велосипеда та мотоцикліста.
Загалом, шина з вищим тиском матиме менший опір коченню до певного моменту, як і шина з більш плавним профілем. Ширина шини також відіграє певну роль, але в основному з точки зору того, як вона впливає на тиск і протектор.
На опір вітру впливають ширина шини, кількість спиць, розмір трубки та положення водія. Взагалі, коли велосипед стає більш «шаленим», ширина шини та кількість спиць зменшуються, а положення мотоцикліста стає більш крихким (і, отже, більш аеродинамічним). Розмір труби зазвичай сильно не змінюється (і насправді може збільшитися, якщо ви використовуєте сталь-> алюміній-> вуглець). Однак цей ефект невеликий, і незначні відмінності в дизайні рами можуть бути більш значними.
Також можуть бути ергономічні зміни - напр. Б. Більш схильне положення водіння, хоча і більш втомливе, часто трохи краще для досягнення пікових показників.
Якість зберігання навряд чи відіграє роль. Навіть дешеві підшипники мають дуже низькі втрати, і різниця в опорі між ними та найсучаснішими підшипниками навряд чи буде вимірюваною. (Більша різниця полягає в довговічності.)
Вага велосипеда входить у рівняння лише тоді, коли вам доводиться "підніматися" (і дуже мало для опору коченню), але, звичайно, рідко траса не йде вгору/вниз приблизно 0,5% більшу частину часу . Ці 0,5% збільшують потужність, необхідну для підтримання постійної швидкості на мертвій дорозі, приблизно на 10%. Однак різниця у 3 кг між двома вищезазначеними мотоциклами становила б приблизно 0,4% різниці у характеристиках на цьому 0,5% нахилі.
Частина фізики проста. Для переміщення предмета масою m вгору по схилу потрібно навантаження, пропорційне вазі. Це маса, помножена на гравітаційне прискорення, помножена на зміщення W = mgd. Тож для більш важкого велосипеда потрібно більше роботи. Також потрібно більше середньої потужності, щоб підняти його за той самий сплеск за встановлений проміжок часу.
Але якщо у вашому експерименті з однаковими вагами, то цього фізичного ефекту немає, це просто сприйняття чи якесь інше фізичне явище. Це також обмежується сходженням.
Кутове прискорення ваших коліс є фактором прискорення. При застосуванні крутного моменту для збільшення кутової швидкості колеса момент інерції є фактором. В основному це виставлення рахунків за те, скільки маси і як далеко від осі. Уявіть, як фігурист крутиться з розпростертими руками, а потім втягує вас, щоб швидше закрутитися. Сила тяжіння на колесах - це окреме питання, яке було описано вище.
Іншим фізичним явищем може бути опір повітря. У найпростіших моделях це пропорційно площі перерізу, квадрату швидкості та коефіцієнту опору. Деякі кажуть, що більш важкий велосипед з кращими аеродинамічними характеристиками буде працювати ефективніше в цілому. Враховуючи спільну вагу з водієм, це може бути правдою при достатній швидкості.
Нарешті, легший велосипед може мати ряд факторів регулювання, які роблять його простішим та ефективнішим для вас. Посадка може навіть поставити вас у більш аеродинамічно вигідне положення. Але ви почуватиметеся краще на правильно встановленому велосипеді.
Спробуйте новий велосипед зі старими колесами та завантаженою сумкою. Якщо це все одно відчуває себе швидше, це повинно бути, тому що це вам більше підходить.
Далі йде мова про сміття:
Динамічне тертя про рухомі поверхні вступає у дію - я б сказав, що 8-кілограмовий компонент має кращу якість і, отже, підшипники, ніж 11-кілограмовий велосипед. Нічого спільного з вагою, але у велосипеді вага і якість нерозривно пов’язані
Механічні втрати в приводі для велосипеда невеликі - і коли ви швидко біжите по рівню, більша частина роботи проти опору, тобто ви отримуєте лише квадратний корінь виграшу як зміну швидкості. Тож різниця між досить хорошим велосипедом та відмінним велосипедом у цій області буде приблизно такою, як квадратний метр 1,01 .
Шини - ще один фактор - я напевно швидший на своєму легкому вуглецевому дорожньому велосипеді, ніж мій важкий сталевий приміський велосипед, але дорожній велосипед має легкі 23-міліметрові шини при 110 фунтів/кв. при 80 psi на шляху до роботи, тому я підозрюю, що найбільша різниця в колесах (і в більш аеродинамічному положенні на дорожньому велосипеді). - Джонні, 21 жовтня '13 о 19:51
Напівбарах. Приміський велосипед може мати вищі шини RR, оскільки гонщик завантажується з міркувань швидкості, а приміський для захисту від проколів та довговічності шин. Однак, якщо конструкція шин однакова, опір коченню менший!
Жорсткість також грає роль. Чим жорсткіше зона ВВ, тим менше втрачається потужності завдяки гнучкості рами. Скільки я не міг сказати. Але зменшення маси під час підйому, підвищена жорсткість та зменшення тертя для кращої роботи колес разом, ймовірно, роблять щось помітним
Так, велосипедні журнали кажуть вам, що це одна з причин купувати дорожчі велосипеди CF для своїх рекламодавців. Але лабораторні дослідження цього не показали. Насправді, більш гнучкі рами можуть бути швидшими, особливо під час підйому - адже рама діє як пружинна згладжуюча передача потужності через гнучку
. Надзвичайно жорсткі мотоцикли чудово підходять для елітних спринтерів, але дорога і незграбна трата грошей для всіх інших.
Кутове прискорення ваших коліс є фактором прискорення.
Це фактор, але неймовірно малий. З усіх дурних речей, які велосипедисти вважають щодо продуктивності, думка, що вага велосипеда має величезний вплив, мабуть, найдурша, оскільки всі бачили докази протилежного. Коли ви працюєте на своїх дерайлерах і крутите педалі, чи є великий опір колесу, що набирає швидкість? Ні, це миттєво. А якщо ви одягнете пару шкіряних рукавичок, ви можете зупинити колесо ручною щіткою на швидкості 20 миль/год. І те, і інше тому, що енергія, необхідна для обертання колеса, є незначною. (Для цього є формула - ви повинні були навчитися в школі!)
Найгірший сценарій для колеса полягає в тому, що йому потрібно вдвічі більше енергії маси, що не обертається, для кінетичної енергії. Для велосипедів 2 кг, рами 10 кг та вершника 50 кг це від 4 до 10 до 50. Ефекти маси колеса стають ще меншими, якщо розглянути реалістичний випадок із силами опору.