Wpływ wagi roweru na jazdę

W naszej XXI rzeczywistości nie ma chyba tematu bardziej popularnego niż ta prosta fizyczna właściwość. Rowerowego światka ta obsesja niestety nie ominęła. Przeważający kult uprawiania 'sportu' powoduje, że producenci osprzętu prześcigają się w coraz lżejszej ofercie.

W tym całym ambarasie jednak nikt nie zapytał, jaki wpływ na jazdę ma waga. Postarajmy się więc odpowiedzieć na te pytanie.

Na samym początku należy sobie zdać sprawę, iż waga, a właściwie masa, powinna być rozpatrywana tylko jako całość – tzn jako masa roweru, rowerzysty oraz całego zestawu osprzętu, bidonów, ciuchów, plecaków i innych utensyliów tego typu. W każdym razie, masa, występuje w czterech komponentach w fizyce ruchu roweru. Są to:

• opory toczenia opon
• opory mechaniczne
• opory podczas podjeżdżania
• przyspieszenie.

Pierwszy czynnik, czyli opory toczenia opon, jest trudny w precyzyjnej analizie. Zależy on od ciśnienia w oponach, rodzaju nawierzchni czy bieżnika. Jednakże, w większości 'warunków drogowych' można założyć, iż opory toczenia są wprost proporcjonalne od masy spoczywającej na kołach. Czyli, jeżeli nie zmienimy żadnych parametrów ( średnica opony, ciśnienie, bieżnik itd ), to zmniejszenie masy roweru z rowerzystą o 5% zmniejszy opory toczenia o 5%.

Istotnym jest jednak zauważenie, że głównym źródłem oporów toczenia opon jest deformacja tychże ze względu na masę. Ta deformacja zależy od grubości opony ( im większa, tym mniejsze odkształcenie ) oraz ciśnienia. W praktyce różnice w oporze przy zmiennej masie da się skorygować podniesieniem ciśnienia w oponach lub zastosowaniem grubszej opony. Co więcej, wpływ na opory ma nie tylko kształt opony, ale także zastosowana mieszanka gumy – im twardsza, tym mniejszy opór toczenia ( i przyczepność, tak na marginesie ).

Opory toczenia są trzecie w kolejce w znaczeniu oporów ruchu na rowerze, ich udział mieści się typowo poniżej 20% całkowitych oporów ruchu.

Drugi czynnik, czyli opory mechaniczne, to opory związane z kręceniem się wszelakiej maści łożysk przenoszących masę roweru – czyli głównie łożysk kół. Opory mechaniczne są w miarę proste gdyż opisuje je proste równanie tarcia tocznego. Równanie te wprost zależy od masy, więc także i w tym przypadku zmniejszenie masy całkowitej o 5% zmniejszy opory toczne o 5%.

Ważnym dla analizy oporów mechanicznych jest fakt, że w typowym rowerze z dobrze wyregulowanymi piastami i napędem są one nikłe, poniżej 1% całych oporów ruchu licząc dla wszystkich mocno obciążonych łożysk w rowerze.

Moc wymagana do pokonania oporów toczenia i mechanicznych zależy liniowo od prędkości. Dla roweru szosowego z 80 kilogramami masy służbowej będzie to przy prędkości 10km/h pomiędzy 15W a 20W na płaskiej drodze. Oczywiście, przy prędkości 40km/h będzie to pomiędzy 60W a 80W. Zmniejszając wagę roweru o 1 kg uzyskujemy ok 1/80 tej mocy, czyli przy prędkości 10km/h ok 0.2W zaś przy prędkości 40km/h około 0.8W.

Trzeci czynnik to nachylenie terenu. Nie muszę chyba nikogo przekonywać, że jest to raczej ważne...

W każdym bądź razie jazdę pod górę możemy podzielić na dwa czynniki. Pierwszy to ruch poziomy, analogiczny do jazdy po płaskim terenie. Drugi komponent to ruch w pionie, który to odpowiada za opory związane z podjazdem. Za cały mechanizm jest oczywiście opisany ruchem po równi pochyłej :)

Czynnikiem który odpowiada za opory podjazdu jest energia potencjalna, czyli energia związana z wysokością, określona wzorem:

E = m * g * h

gdzie:

• E - energia potencjalna różnicy poziomów
• m – masa roweru i rowerzysty
• g – przyspieszenie ziemskie
• h – wysokość ponad / poniżej poziomu odniesienia

Instynktownie wiemy, iż podjazd ciężkim jest. Czy da się to wyrazić w liczbach?

Załóżmy, że podjeżdżamy na podjazd o nachyleniu 10%. Prędkość z którą jedziemy to 3m/s (10.6 km/h). Rowerzysta waży z rowerem 80kg. Jaką moc musi produkować rowerzysta, jeżeli wiemy, że na pokonanie wszystkich oporów nie związanych z podjazdem produkuje 40W?

Ok.

Z prostej geometrii wiemy, że 3 metry drogi o nachyleniu 10% oznacza, że wznieśliśmy się o 30cm. To daje wzrost energii potencjalnej o 235J. Ponieważ zaś wznieśliśmy się w ciągu 1 sekundy, toteż wymagane jest 235W mocy aby utrzymać dane tempo wznoszenia.

Daje to oczywiście 275W mocy potrzebnej aby jechać daną 'górkę' oraz oznacza, że 85% wysiłku jest zużywane na nabieranie wysokości.

Dodajmy, iż dla przeciętnego amatora 275W to życiowa forma :)

Jeżeli nasz podjazd miałby 3km długości, to wznosiłby się na wysokość 300 metrów i przy mocy 275W podjazd podeń trwałby ok 1001 sekund.

Jeżeli jednak masa naszego rowerzysty i jego maszyny spadnie o 1kg to mamy interesujący wynik. Otóż zmniejszenie masy o 1kg spowodowało iż czas podjazdu spadł do 989 sekund.

Ergo czas podjazdu spadł prawie proporcjonalnie do spadku masy. Warto jednak zauważyć, iż udział oporu wynikającego z nachylenia zależy od, właśnie, nachylenia. Przy nachyleniu 1% i prędkości 3 m/s pokonanie podjazdu w naszym przykładzie wymaga tylko 23.5W mocy, zostawiając 251.5W na inne cele. Z drugiej strony przy 20% nachylenia utrzymanie prędkości 3m/s wymaga ponad 460W mocy, co jest … dużo.

Jaki z tego wniosek.

Masa roweru ma istotne znaczenie dla podjeżdżania. Im bardziej stromy jest podjazd tym większy jest wpływ masy. Przy nachyleniu rzędu 10% udział oporów związanych z wznoszeniem jest dominującym i pochłania, jak w naszym przykładzie, ponad 80% energii zużywanej na jazdę. Masa roweru ma zatem bezpośredni wpływ na prędkość maksymalną oraz na odczuwane opory jazdy.

Ostatnim elementem na który ma wpływ masa roweru i rowerzysty jest przyspieszenie. Przyspieszenie w rowerze następuje w momencie w którym suma mocy potrzebnej do pokonania oporów ruchu jest mniejsza niż moc produkowana przez kolarza.

P(przyspieszenie) = P(całkowite) – P(mechaniczne) – P(toczenia) – P(podjazdu) – P(aerodynamiczne)

Przyspieszenie oczywiście spada wraz ze wzrostem prędkości, gdyż moc zużywania na pokonanie oporów ruchu rośnie. W momencie w którym moc zużywana na pokonywanie oporów wyrówna się z mocą produkowaną przyspieszenie się skończy. Zaś w momencie w którym moc oporów wzrośnie ponad moc produkowaną, prędkość zmaleje.

Jak pamiętamy z artykułu o fizyce ruchu roweru prawdziwym jest ten wzór

P = F * V

• P – moc
• F – siła
• V – prędkość

Jako, iż z II prawa dynamiki wiemy, iż

F = m * a

toteż możemy wyliczyć iż

a = P / ( m * V )

Z czego jasno wynika, iż przyspieszenie jest wprost proporcjonalne do mocy, co jest oczywiste. Jest także odwrotnie proporcjonalne do masy roweru oraz prędkości z którą rower się porusza.

Dla naszych rozważań jest istotne, iż masa jest 'pod kreską' ułamkową. Co oznacza, że zmniejszenie masy o 5% spowoduje 5% wzrost przyspieszenia.

Znaczenie przyspieszenia jest oczywiście mocno zależne od sposobu użytkowania roweru. W wyścigu szosowym jest to prawie nieistotny parametr aż do samej mety, gdzie różnice masy mogą być jednym z czynników które wpływają na kolejność na mecie. W wyścigu pokroju ulicznego kryterium, gdzie często i gwałtownie zmienia się prędkość ze względu na ciasne zakręty, różnica masy o 1% może przesądzać o sekundach na rzecz wyniku końcowego. Jednakże poza wyścigami, moim zdaniem nie warto się przejmować.

Patrząc na wszystkie te zależności, można dojść do wniosku, iż masa jest ogromnie ważna. Trzeba sobie jednak uświadomić, iż aby uzyskać odczuwalne rezultaty trzeba nie tylko znaleźć odpowiednie warunki, ale również poczynić 'oszczędności' masy liczone w kilogramach. Wynika to z faktu, iż jedyna sytuacja gdzie masa ma naprawdę istotny i odczuwalny wpływ na osiągi jest podczas podjazdu na wzniesienia o dużym nachyleniu. Nawet jednak w takiej sytuacji zmiana masy roweru i rowerzysty o 1% ( czyli np. ubicie 1kg ) spowoduje mniej niż 1% poprawę osiągów.