Велосипедна аеродинаміка: CdA, Обгони та Фізика Швидкості

Рівняння опору повіттю

Загальна потужність велосипедиста розподіляється на аеродинамічний опір, опір від роликів, гравітацію та втрати на тертя. При швидкостях приблизно вище 15 км/год, аеродинамічний опір домінує – він відповідає близько 80% від загального опору.

F_op = ½·ρ·CdA·v² P_аерод = F_op · v = ½·ρ·CdA·v³ ← кубічно залежить від швидкості CdA = Cd (форма) × A (поперечна площа), в м² Типові значення CdA: прямий велосипед 0.55-0.65 · гоночні велосипедисти 0.28-0.32 TT позиція 0.22-0.26 · оптимізовані гоночні велосипеди приблизно 0.18 Оскільки P_аерод залежить від v³, подвоєння швидкості потребує в 8 разів більше потужності. Зменшення CdA на 10% при швидкості 40 км/год дозволяє заощадити приблизно 23 Вт – що еквівалентно приблизному збільшенню швидкості на 3 км/год з тією ж потужністю.

F_drag = ½·ρ·CdA·v_air²
P_aero = F_drag · v = ½·ρ·CdA·v³        ← cubic in speed
CdA = Cd (shape) × A (frontal area), in m²

Typical CdA:  upright commuter 0.55-0.65 · road drops 0.28-0.32
              TT position 0.22-0.26 · elite optimised TT ≈ 0.18

Вимірювання CdA

У тестах у тоннелі безпосередньо вимірюється сила опору при заданій швидкості: CdA = 2F/(ρv²), що коштує від $500 до $2,000 за сесію. У польових тестах використовується датчик потужності та GPS на рівному маршруті – метод «віртуальної висоти» обчислює CdA з різниці між виміряною та очікуваною потужністю, використовуючи інструменти, такі як метод Чунга, які досягають точності ±3-5%.

Drafting та ефект пелотону

Їзда безпосередньо позаду іншого велосипедиста з відривом 0,5-1 м розміщує вас у менш тисковому вихлопі, що зазвичай зменшує аеродинамічний опір на 25–45%. У великому пелетоні (50+ велосипедистів) економія може досягати 40% навіть у середині масиву, а велосипедисти, які знаходяться на десять або більше позицій позаду, можуть заощаджувати до 60% своєї аеродинамічної потужності. При швидкості 40 км/год 1-метровий вихляд може заощадити 60–80 Вт. Ця перевага швидко зменшується за межами 3-метрового відриву, а під час сильного вітру велосипедисти утворюють ешелон, чергуючись по діагоналі, щоб залишатися в захисному вітрі одне одного – ширина дороги обмежує ширину, яку може мати ешелон, що призводить до розриву пелотонів у вітряні умови.

Висота, положення та обладнання

Щоденність повітря зменшується з висотою — від 1,225 кг/м³ на рівні моря до приблизно 1,007 кг/м³ на висоті 2000 м, що становить приблизно 18% менше — що пропорційно зменшує аеродинамічний опір, одна з причин, чому багато місць на великій висоті приймали гонки на час та встановлювали рекорди на годину. Положення тіла відповідає за 70-80% від загального аеродинамічного опору, значно більше, ніж сама велосипедна рама: підняття голови з положення, коли тіло зігнуте, може коштувати 10-15 Вт на швидкості 40 км/год, тоді як вузькі лікті на барах для гонок на час можуть зменшити CdA на 0,01–0,03 м². З точки зору обладнання, колеса з великою глибиною заощаджують 10-20 Вт, аерошолом для гонок на час – 20-50 Вт, а компресійний костюм (skinsuit) – 10-25 Вт на швидкостях гонок. Перехід від повноцінного велосипедного комплекта (CdA ≈ 0,35) до оптимізованого комплекту для гонок на час (CdA ≈ 0,20) на швидкості 50 км/год може заощадити близько 110 Вт загалом.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте the simulation і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.