Aerodynamika

Battle Mountain w Nevadzie to takie miasto w Jueseju o którym powinien wiedzieć każdy miłośnik szybkiego rowerowania. Miasteczko to jest corocznie miejscem zawodów IHPVA Human Power Challenge. W tychże zaś trzeba, korzystając z najbardziej płaskiej autostrady w USA, rozpędzić się przez 5 mil i następnie przejechać o własnych siłach jak najszybciej 200 metrów.

Aktualnie ( gdzie aktualność określa 28 marca 2015 ) jest to 133,76 km/h.

Wynik ten wydaje się kosmicznie wysoki, jeżeli weźmiemy pod uwagę, że nawet peleton Tour de France wykręca prędkości przeciętne rzędu 45-50 km/h.

Kluczem tej porażającej różnicy jest istnienie powietrza.

Konkretnie zaś, głównym przeszkadzaczem w szybkim jeżdżeniu na rowerze ( jak i innymi rodzajami transportu ) jest opór powietrza. Jest to na tyle istotny czynnik oporu, iż po jego eliminacji możliwe jest osiąganie obscenicznie wysokich prędkości. Aktualny rekord prędkości w tunelu aerodynamicznym za samochodem ociera się już o 300km/h.

W każdym razie, przyjrzyjmy się co możemy z tym zrobić.

Opór aerodynamiczny wyraża się, w ogólnej postaci, za pomocą:

Fa = Cd * Sd * ( p*V^2 ) / 2

gdzie:

• – współczynnik oporu aerodynamicznego
• – powierzchnia czołowa
• – gęstość powietrza
• – prędkość z którą się poruszamy

Zależność tę przedstawiłem już tutaj: Model ruchu roweru . W skrócie zaś, siła oporu aerodynamicznego rośnie o kwadrat prędkości, zaś moc potrzebna do jej osiągnięcia rośnie do potęgi trzeciej.

Do czego zatem ta wiedza może się przydać? W szczególności, jak przekuć tę wiedzę na lepsze osiągi.

Mamy w sumie trzy współczynniki na które możemy mieć wpływ. Są to, gęstość ośrodka, współczynnik oporu aerodynamicznego oraz powierzchnia czołowa.

No dobra, na gęstość powietrza jest zmienną na jaką wpływ mamy raczej wirtualny. Oczywiście, możemy ograniczyć się do jeżdżenia tylko w Tybecie, gdzie jest w miarę płasko i wysoko, ale nie wydaje mi się to sensowne rozwiązanie.

To zostawia nam dwa parametry na które mamy całkiem konkretny wpływ. Czyli powierzchnia czołowa oraz współczynnik oporu aerodynamicznego.

Powierzchnia czołowa rowerzysty względem ośrodka jest zależna, oczywiście, od pozycji na rowerze. Generalna zasada:

• im bardziej wyprostowana pozycja, zbliżona do pozycji na rowerze miejskim, tym większa powierzchnia czołowa
• im bardziej pozycja zbliżona do pozycji na rowerze do jazdy na czas, tym mniejsza pozycja czołowa.

Ze względu na bardzo szybki wzrost oporów powietrza względem prędkości z którą rower jedzie, nawet niewielka stosunkowo zmiana powierzchni czołowej powoduje mierzalną różnicę w oporze aerodynamicznym.

Ten wpływ powierzchni czołowej miał istotny wpływ na pozycję rowerzysty na rowerze wyścigowym, i w efekcie także na stosowanie w rowerach szosowych rozwiązania techniczne.

Po pierwsze, dążenie do sensownie wysokiego pochylenia rowerzysty z czasem coraz bardziej obniżało poziom kokpitu. Klasyczny kształt mostka w „7” powstał dlatego, że kształt ten kompensował pochylenie główki ramy bez potrzeby podnoszenia kokpitu.

Kształt klasycznego szosowego „baranka” - tak i szerokość, rzędu 40-44cm, oraz fakt posiadania dwóch chwytów, górnego i dolnego, służą tylko aerodynamice. Stosunkowo wąska kierownica jest kompromisem pomiędzy aerodynamiką a stabilnością roweru. Dolny chwyt pozwala na osiągnięcie bardziej aerodynamicznej pozycji, która jednak na dłuższą metę ma swoje wady – ogranicza widoczność i bywa niewygodna. Górny chwyt „przy mostku” pozwala na chwilę oddechu od dolnej pozycji bez dramatycznego kosztu w oporze aerodynamicznym. Dzieje się tak dlatego, że w wąskim chwycie ograniczamy „rozstaw” ramion. Najszerszy zaś chwyt służy do manewrowania podczas wolniejszej jazdy.

Jeszcze ciekawiej robi się kiedy wejdziemy w świat rowerów czasowych.

Po pierwsze, rowery czasowe ( i triathlonowe zresztą też ) są wyposażane w lemondki – które pozwalają na przyjęcie jeszcze bardziej aerodynamicznej pozycji podczas jazdy. Co więcej, rowery czasowe posiadają bardzo krótkie główki ramy, tak aby móc zamontować mostek bardzo nisko.

Jednakże, nie ma róży bez kolców. Niski kokpit pociąga za sobą potrzebę zgięcia się w krzyżu, co jest na dłuższą metę bardzo uciążliwe i niekoniecznie efektywne. Uciążliwe, bo boli w krzyżu i często gniecie bebechy. Nieefektywne, gdyż w optymalnym, z punktu widzenia kolarza – sportowca, kątem zgięcia tułowia jest ok 120 stopni. Dlatego, aby umożliwić utrzymanie świętego kąta i aerodynamicznej pozycji, rowery czasowe posiadają zwykle dużo bardziej stromy kąt rury podsiodłowej.

Drugim istotnym czynnikiem w matematyce walki z powietrzem jest współczynnik oporu aerodynamicznego. Czyli techniczno – magiczna cyfra określająca jak bardzo odpychający jest nasz rower i dosiadający go rowerzysta.

Niestety, walory estetyczne nie grają tutaj większej roli. Powietrze posiada całkowicie przedmiotowy stosunek do tego co w nim się znajduje, i zależy mu głównie na kształcie opływanego obiektu.

No dobra. Już serio.

Współczynnik oporu aerodynamicznego ukrywa złożoność kształtu obiektu który powietrze opływa. Im niższy, tym łatwiej powietrzu prześlizgiwać się po obiekcie.

Kształt klasycznego roweru ( i siedzącego na nim rowerzysty ) jest stosunkowo złożony, jednak można w nim wyróżnić kilka, nazwijmy to, głównych czynników wpływających na współczynnik oporu.

Pierwszym jest rowerzysta. Nie tyle ze względu na jakieś skomplikowane kształty, ale ze względu na fakt, że stanowi on większość powierzchni czołowej. Co więcej rowerzysta może być ubrany w rozchłestaną kurtkę tudzież może np. być posiadaczką biustu kalibru 65-FF, przez co stanowi większy opór aerodynamiczny.

W kwestii rowerzysty istotnym jest, że zmiana pozycji synergicznie wpływa również na współczynnik oporu aerodynamicznego. Wszystkie pozycje supermana, na lemondce czy w niskim chwycie poprawiają aerodynamikę roweru tak ze względu na zmianę powierzchni czołowej, jak i współczynnika oporu.

Drugim istotnym elementem są koła. Konkretnie zaś fakt, że są to koła szprychowe. Podczas jazdy koło szprychowe zachowuje się pi*drzwi jak wiatrak, gdzie każda szprycha stanowi jedną łopatkę. Oczywiście, kiedy podczas obrotu koła szprycha jest nad piastą, porusza się względem ośrodka ze znaczną prędkością. Jednocześnie, kiedy akurat jest pod piastą, to porusza się wolniej niż powietrze względem całego roweru.

W skrócie zaś, koło powoduje sporo turbulencji, a więc i strat mocy wynikłych z aerodynamiki, podczas jazdy. Fakt ten został szybko zauważony, więc i powstało kilka sposobów radzenia sobie z nim, tak aby wycisnąć te kilka km/h więcej.

Pierwsze co się narzuca, to zmniejszyć ilość szprych. Zwykle kosztem cięższej obręczy. Standardem w rowerach szosowych są już koła 28, 20, 16 i mniej szprychowe.

Okrągły przekrój standardowej szprychy nie stanowi jakoś specjalnie aerodynamicznego kształtu. Dlatego często w rowerach szosowych stosuje się szprychy spłaszczone, często o przekroju kropli.

„Druciane” szprychy są może popularne, ale na dobrą sprawę można koło uczynić jeszcze bardziej aerodynamicznym rezygnując z nich na rzecz trzech-pięciu kompozytowych szprych ( przymocowanych permanentnie do kompozytowej obręczy, a jakże ) których przekrój został precyzyjnie dobrany ze względu na aerodynamikę.

Swoją rolę aerodynamice kół mają także obręcze. Tradycyjne „kwadratowe” rawki z czasem zostały wyparte z szosowego kolarstwa przez coraz głębsze, aerodynamiczne obręcze, często karbonowe.

Ostatnim zaś krokiem na tej drodze są koła bezszprychowe, czyli pełne dyski, które minimalizują wpływ turbulentnego przepływu powietrza wokół szprych, niestety kosztem wrażliwości na boczny wiatr oraz sporej wagi.

Warto zauważyć, że wiele z tych usprawnień odbywa się kosztem tak bardzo demonizowanej wagi roweru. Praktyka pokazuje dobitnie, że dodatkowe 100 gramów nie stanowi problemu, jeżeli zostało one zainwestowane w polepszenie właściwości aerodynamicznych.

Ostatnim elementem aerodynamicznej układanki jest szeroko pojęta „reszta roweru”. O ile rama posiada stosunkowo stosunkowo skomplikowany kształt, to jej sumaryczna powierzchnia czołowa jest bardzo niewielka, przez co i wpływ tegoż kształtu na opory aerodynamiczne jest stosunkowo niewielki.

Co zresztą uwidacznia najważniejszą dla nas rzecz.

Rowerzysta stanowi jakieś 70-90% powierzchni czołowej roweru. Jednocześnie, tenże rowerzysta jest również najbardziej elastycznym i zmiennym elementem w układance mającej na celu optymalizację oporów aerodynamicznych.

Dlatego, mając na celu polepszenie swoich wyników poprzez poprawę aerodynamiki należy zacząć od siebie :)

Na wstępie zacznijmy od truizmów. Wszelakie odzież do szybkiej jazdy jest obcisła. Nie ma rozsuniętych dżersejów czy ziejących kieszeni. Nie jeździmy w rozchłestanej kurtce, jazda w futrze czy też z husarskimi skrzydłami też raczej odpada. W skrócie – nie łapiemy wiatru. Truizmy za nami.

Najważniejszą sprawą jest pozycja – niski chwyt, lemondka czy chociażby „mikrolemondka” z rogów przymocowanych zaraz obok mostka. Każda z tych zmian poprawi aerodynamikę roweru.

Kiedy pozycja na rowerze zostanie już dopracowana do perfekcji – tzn jest już aerodynamiczna że bardziej się nie da, to...

...czas się zapytać ile środków płatniczych możemy poświęcić na kilka sekund korzyści aerodynamicznych. Wynika to z faktu, że po przyjęciu optymalnej pozycji jedyne więcej co możemy zrobić to wrzucać kolejne fury pieniędzy. Wynika to z prostego powodu – klasyczny rower na okrągłych rurkach, po odjęciu rowerzysty, nie stawia jakichś dramatycznie dużych oporów aerodynamicznych w zakresie rowerowych prędkości. Siłą rzeczy poprawianie „mało”, bez względu na poniesione koszta, przyniesie niewielkie korzyści.

Jeżeli jednak już się na to zdecydujemy, to oczywiście inwestycja w aerodynamiczne koła – z wysokim stożkiem, małą ilością płaskich szprych, przyniesie największe „korzyści za złotówkę”.

Cała reszta zaś, czyli skrzydlate sztyce, aero zębatki czy profilowane kierownice są trochę na wyrost jeżeli traktujemy rower jako narzędzie treningu ku krzepie i zdrowotności. To tylko dlatego, że korzyści z tych utensyliów są rzędu sekund na dystansie kilkudziesięciu kilometrów. Ścigając się na poziomie, dajmy na to, światowym, ma to oczywiście znaczenie. No ale właśnie – na poziomie światowym.

Aby to zobrazować – rekord w jeździe godzinnej Eddiego Mercxa z roku 1972 wynosi 49,7km. Po zastosowaniu karbą / tytą ulepszajek rekord rośnie do 52,5km Rohana Denissa z roku bodajże 2014. Do tej pory nie pobity rekord Chrisa Boardmanna z 1996, został osiągnięty na rowerze który dramatycznie różnił się od maszyn „seryjnych” - to właśnie ta odmienność była powodem rewizji przepisów UCI w kwestii rekordu godzinnego.

W każdym razie – rower Eddiego Mercxa to była prosta stalowa konstrukcja z okrągłych rurek z kołami na tradycyjnych szprychach i obręczach. Rower Matthiasa to karbonowe aero cacko niewiele różniące się od przeciętnego roweru czasowego. Jeżeli cała ta zmiana technologii budowy roweru, po zrzuceniu nań kilku tysięcy godzin pracy strapionych naukowców, pozwoliła na podbicie rekordu o ledwie ~6% to odpowiedzmy sobie sami ile korzyści przyniesie zmiana sztycy ze zwykłej na „aerodynamiczną”.

Reasumując zaś.

Bez zagłębiania się w skomplikowane rozważania matematyczno – fizyczne, heurystyka jest prosta. Pozycja na rowerze jest największą determinantą oporów aerodynamicznych, i szukając zysków przy ograniczonym budżecie najprościej przyjrzeć się czy możemy to poprawić. Jeżeli budżet zaś nie jest ograniczeniem, to szał zakupów zaczynamy od kół.

I oczywiście, nie poruszyłem tematu rowerów poziomych. To jednakże jest temat na osobny artykuł :)