Bagaimana seseorang dapat memperkirakan hambatan untuk sepeda?

19

Saya ingin tahu bagaimana cara memperkirakan hambatan untuk sepeda. Ini memiliki dua bingkai yang berbeda:

  • Temukan jumlah daya yang dibutuhkan untuk berkendara pada kecepatan tertentu. Yaitu, ketika seseorang melakukan perjalanan dengan kecepatan konstan, daya ditambahkan ke sistem (dengan usaha saya dan / atau meluncur turun) sama dengan kekuatan yang dikurangi oleh hambatan aerodinamik, tahanan bergulir, naik, benda membelokkan benda yang dilemparkan oleh penonton, dll. .

  • Temukan jumlah gaya dorong yang diperlukan untuk mempertahankan kecepatan tertentu (sekali lagi, dorongan ke depan sama dengan mendorong ke belakang dengan kecepatan konstan). Contoh yang paling jelas adalah hambatan aerodinamik, yang dapat dirasakan "mendorong" kembali ketika seseorang mengendarai dengan kecepatan tinggi.

Ada kalkulator dan formula online, tetapi mereka mengasumsikan koefisien rolling resistance atau hambatan aerodinamis, atau mengasumsikan bahwa saya dapat memberikan koefisien ini. Bagaimana mereka membuat asumsi ini, dan / atau bagaimana saya bisa membuat estimasi itu sendiri?

( Penghargaan untuk R. Chung karena mendorong saya untuk bertanya, dalam komentar pertanyaan ini .)

Reid
sumber

Jawaban:

19

Pertanyaan Anda sederhana tetapi jawaban lengkapnya kompleks. Jawaban paling sederhana adalah menunjuk ke Bagian 2 (terutama bab 4) dari Wilson dan Papadopoulos (2004) , atau ulasan terakhir oleh Debraux et al. (2011) , atau makalah oleh Martin et al. (1998) . Namun, bahkan makalah ini tidak mencakup pendekatan yang memanfaatkan lebih baik data yang tersedia dari komputer sepeda modern dan unit GPS. Beberapa latar belakang pada persamaan daya-seret akan membantu Anda memahami mengapa ada begitu banyak cara yang berbeda (dengan tingkat akurasi, presisi, kesulitan, dan biaya yang berbeda-beda) untuk memperkirakan hambatan.

Persamaan untuk mengkonversi kecepatan ke kekuasaan dipahami dengan baik. Total daya yang diminta memiliki empat bagian:

Total power = power needed to overcome rolling resistance + 
              power needed to overcome aerodynamic resistance + 
              power needed to overcome changes in speed (kinetic energy) + 
              power needed to overcome changes in elevation (potential energy)

Dari jumlah tersebut, bagian paling sederhana adalah kekuatan yang dibutuhkan untuk mengatasi perubahan ketinggian. Kekuatan yang dibutuhkan untuk menjelaskan perubahan energi potensial, dan untuk mengatasi perubahan kecepatan sangat mudah:

watts(PE) = slope * speed in meters/sec * total mass * 9.8 m/sec^2
watts(KE) = total mass * speed in meters/sec * acceleration

Ada bagian kecil dari komponen KE karena momen inersia di roda tetapi untuk sepeda yang cenderung kecil dan kita sering mengabaikannya. Namun, persamaan yang diperlukan untuk menggambarkan rolling resistance dan aerodinamika sedikit lebih rumit. Artikel oleh Martin et al., Dikutip di atas, memberikan lebih banyak detail tetapi jika kita dapat mengabaikan angin maka komponen aerodinamis menyederhanakan untuk

watts(aero) = 0.5 * rho * CdA * (speed in m/s)^3

di mana rho adalah kerapatan udara dalam kg / m ^ 3 dan CdA adalah daerah seret ("A" adalah area depan dan "Cd" adalah koefisien seret; CdA adalah produk mereka dan dapat dianggap sebagai "setara") area kubus yang dipegang tegak lurus dengan arah angin dengan muka area A).

Akhirnya, tenaga yang dibutuhkan untuk mengatasi rolling resistance (yang meliputi ban, tabung, dan bantalan gesekan) adalah

watts(RR) = Crr * total mass * 9.8 m/sec^2 * speed in m/s

Crr adalah koefisien rolling resistance.

Sekarang, jika Anda pergi ke kalkulator online seperti yang ada di Analyticcycling.com Anda akan melihat bahwa Anda harus memberikan nilai untuk rho, Crr, Cd, dan A; kemudian, diberi nilai kecepatan dan kemiringan tertentu, ia akan menghitung daya. Sangat mudah untuk menemukan perhitungan online untuk kepadatan udara, rho, tetapi jauh lebih sulit untuk menemukan perkiraan Crr dan CdA (atau secara terpisah, Cd dan A).

Cara termudah (tapi paling mahal) untuk memperkirakan CdA adalah di terowongan angin. Di sana, sebuah objek dipasang pada skala (pada dasarnya, skala kamar mandi yang sangat tepat dan akurat), angin dengan kecepatan yang diketahui diterapkan, kepadatan udara diukur, dan total gaya pada objek diukur dengan skala. Watt adalah gaya (dalam Newton) * kecepatan (dalam meter / detik) jadi gaya (dalam Newton) = watt / kecepatan udara = 0,5 * rho * CdA * (kecepatan udara ^ 2). Operator terowongan tahu rho, tahu kecepatan udara, dan skala kamar mandi mahal mengukur kekuatan sehingga Anda dapat menghitung CdA. Perkiraan terowongan angin CdA dianggap sebagai standar emas: ketika dilakukan dalam terowongan yang baik dengan operator berpengalaman, pengukurannya tepat dan dapat diulang. Dalam praktiknya, jika Anda ingin mengetahui Cd secara terpisah, Anda d ukur area bagian depan A dengan kamera digital dan bandingkan dengan foto digital suatu objek (seperti bidang datar) dari area yang diketahui. Di samping sejarah, hampir 100 tahun yang lalu Dubois dan Dubois mengukur area depan dengan mengambil foto seseorang dan objek referensi, memotong foto sepanjang garis objek, dan kemudian menimbang cut-out pada skala sensitif.

Namun, hambatan pada ban, tabung, atau bantalan tidak dipengaruhi oleh kecepatan udara, sehingga orang tidak dapat memperkirakan Crr dari data terowongan angin. Pabrikan ban telah mengukur tahanan gulir ban mereka pada drum berputar besar tetapi mereka tidak dapat mengukur hambatan aerodinamik. Untuk mengukur Crr dan CdA, Anda perlu menemukan metode yang mengukur keduanya dan memungkinkan Anda untuk membedakan keduanya. Metode-metode ini adalah metode estimasi lapangan tidak langsung dan sangat bervariasi dalam hal akurasi dan presisi.

Sampai sekitar 20 tahun terakhir, metode lapangan tidak langsung yang paling umum adalah meluncur menuruni bukit dengan kemiringan yang diketahui dan mengukur kecepatan maksimum (juga dikenal sebagai kecepatan terminal) atau kecepatan saat melewati titik tetap di atas bukit. Kecepatan terminal tidak memungkinkan Anda membedakan antara Crr dan CdA; namun, jika seseorang mengukur kecepatan pada titik tertentu dan mampu mengendalikan kecepatan "entri" di atas bukit, Anda dapat menguji pada kecepatan entri yang berbeda dan mendapatkan persamaan yang cukup untuk menyelesaikan dua yang tidak diketahui, Crr dan CdA. Seperti yang Anda duga, metode ini membosankan dan cenderung presisi rendah. Meskipun demikian, banyak alternatif cerdik dieksplorasi, termasuk menuruni koridor bebas angin atau di dalam hanggar pesawat besar, dan mengukur kecepatan hingga presisi yang relatif tinggi menggunakan "mata listrik" atau strip waktu.

Dengan munculnya meter listrik di sepeda, peluang baru muncul untuk mengukur aerodinamika dan hambatan geser. Singkatnya, jika Anda dapat menemukan jalan datar yang terlindung oleh angin, Anda akan mengendarai dengan kecepatan konstan atau daya di jalan; kemudian, ulangi dengan kecepatan atau kekuatan yang berbeda. Persyaratan "terlindung dari angin dan kencang pada kecepatan konstan" berarti bahwa Anda dapat mengabaikan komponen daya PE dan KE dan hanya harus berurusan dengan hambatan rolling dan komponen aerodinamis sehingga persamaan daya keseluruhan disederhanakan untuk

Watts = Crr * kg * g * v + 0.5 * rho * CdA * v^3; or 
Watts/v = Crr * kg * g + 0.5 * rho * CdA * v^2

di mana g adalah akselerasi karena gravitasi, 9,8 m / detik ^ 2.

Rumus terakhir dapat dengan mudah diperkirakan dengan reqresi linier di mana kemiringan persamaan terkait dengan CdA dan intersep terkait dengan Crr. Inilah yang Martin et al. melakukan; mereka menggunakan landasan pesawat terbang, rata-rata lintasan di kedua arah, dan mengukur tekanan, suhu, dan kelembaban udara untuk menghitung rho, dan mengukur serta mengoreksi kecepatan dan arah angin. Mereka menemukan bahwa CdA yang diperkirakan dengan metode ini setuju dalam 1% dari CdA yang diukur dalam terowongan angin.

Namun, metode ini mensyaratkan bahwa jalan harus rata dan kecepatan (atau daya) konstan selama jangka waktu uji coba.

Sebuah metode baru untuk memperkirakan CdA dan Crr telah dikembangkan yang mengeksploitasi kemampuan perekaman banyak komputer sepeda modern dan power meter sepeda. Jika seseorang memiliki perekaman kecepatan momen-demi-momen (dan opsional, daya) maka Anda dapat langsung mengukur perubahan kecepatan sehingga komponen KE daya dapat diperkirakan. Selain itu, jika Anda berkeliling dalam satu lingkaran, jalan tidak perlu rata karena Anda tahu bahwa setelah kembali ke titik awal dari loop perubahan ketinggian bersih akan menjadi nol sehingga komponen PE bersih akan menjadi nol. Metode ini dapat dan telah diterapkan pada meluncur menuruni bukit dari perubahan ketinggian bersih yang diketahui (yaitu, Anda tidak perlu memiliki kemiringan yang konstan, dan jika meluncur Anda tahu kekuatannya nol). Contoh dari pendekatan ini dapat ditemukan di sini dan di sinidan, ketika dilakukan dengan hati-hati, terbukti setuju dengan perkiraan terowongan angin CdA hingga 1%. Presentasi video singkat tentang metode ini dapat ditemukan mulai sekitar tanda 28:00 di sini . Video singkat dari metode yang digunakan pada velodrome dapat ditemukan di sini

R. Chung
sumber
Saya kira ini adalah jawaban R.Chung oleh baris 2 ....
Criggie
1
Anda baru saja disebutkan di acara GCN youtube.com/watch?v=mJrzRDqQ5vQ sekitar 14 menit 25 detik.
Criggie
Penyebutan itu tampaknya cukup untuk membunuh sisa pertunjukan.
R. Chung
6

Jika Anda dapat menemukan beberapa bukit panjang dengan kemiringan berbeda tetapi relatif konstan (dan tidak terlalu curam), maka tentukan kemiringan dan kecepatan terminal Anda di setiap bukit (dengan asumsi bahwa kecepatan di bawah beberapa kecepatan aman), Anda harus dapat melakukan perhitungan untuk menentukan hambatan aerodinamis (bekerja berdasarkan asumsi yang cukup valid bahwa rolling resistance diabaikan kecepatan yang lebih tinggi).

Atau, dengan pengamatan yang sangat hati-hati, Anda dapat menentukan seberapa cepat Anda melambat di jalan yang rata.

Daniel R Hicks
sumber
1
Seseorang juga bisa, menggunakan tali panjang (untuk menghindari efek "peregangan"), menderek sepeda dan pengendara sepeda dengan kecepatan konstan di permukaan tanah, dengan skala pegas antara tali dan siklus untuk mengukur kekuatan yang diterapkan (yang akan sama dengan hambatan). Agak berbahaya, tetapi mungkin tidak terlalu tidak aman jika dilakukan tindakan pencegahan yang wajar (termasuk memiliki cara cepat / mudah bagi pengendara sepeda untuk melepaskan tali derek).
Daniel R Hicks
1
Metode "tali derek" dibahas dalam Debraux et al. artikel yang ditautkan di tempat lain. Tidak memiliki presisi yang baik. Metode perlambatan bekerja dengan baik jika Anda memiliki cara untuk merekam kecepatan momen-demi-momen, seperti dengan salah satu komputer sepeda Garmin yang semakin populer. Metode untuk melakukan ini dibahas di forum.slowtwitch.com/cgi-bin/gforum.cgi?post=3590389#3590389 dan, ketika dilakukan pada hari yang tenang tanpa melewati mobil atau lalu lintas lainnya, telah menghasilkan hasil yang sesuai dengan angin perkiraan terowongan.
R. Chung
Ya, metode perlambatan akan bekerja dengan baik dengan GPS yang akurat atau pencatat waktu / posisi lainnya. Dan seseorang dapat menggabungkannya dengan derek untuk mencapai kecepatan yang lebih tinggi yang biasanya (dengan pengendara sepeda non-manusia super) membutuhkan jalan menurun untuk mencapai. WRT teknik derek tali dasar (dengan pengukur gaya) Saya menduga bagian yang paling sulit adalah mengukur gaya secara akurat, dan mungkin beberapa teknik pemrosesan sinyal elektronik modern dapat diterapkan untuk membantu itu.
Daniel R Hicks
Saya membeli penjelasan ini! +1 (secara khusus mengingat bahwa hambatan dalam praktiknya tidak tergantung pada daya).
heltonbiker
Heltonbiker, masalahnya adalah bahwa kecepatan terminal tidak hanya memiliki presisi rendah tetapi juga hanya memberi Anda peringkat ordinal untuk perbandingan (yaitu, di bawah kondisi terbaik Anda dapat mengatakan bahwa A memiliki hambatan yang lebih rendah daripada B tetapi tidak dengan seberapa banyak) yang berarti Anda tidak tidak bisa mendapatkan perkiraan CdA. Demikian pula, orang telah mencoba jarak peluncuran. Pemodelan momen-demi-saat bekerja jauh lebih baik.
R. Chung
4

Jan Heine & kru di Bicycle Quarterly baru-baru ini melaporkan hasil penelitian terowongan angin mereka. Ringkasan tersedia online , tetapi hasil lengkap hanya tersedia di jurnal cetak.

keithmo
sumber
1
Sayangnya, artikel itu hanya berfokus pada satu komponen hambatan yang dialami pengendara sepeda (yaitu, hambatan aerodinamis) dan menjawab pertanyaan "bagaimana seseorang dapat memperkirakan hambatan?" dengan "di terowongan angin."
R. Chung
2

Oh Boy. Aerodinamika dengan sepeda. Saya ingin menunjukkan kepada Anda gambar bagian belakang triathlete saat ia berjalan di samping sepedanya. Kecuali saya tidak dapat menemukannya.

Oke, bagaimana ini untuk analogi kalau begitu. Temukan bata. Temukan pensil. Berdiri pensil di ujungnya dan rekatkan bata di atasnya. Letakkan alat ini di terowongan angin. Ukur hambatan alat ini.

Sekarang, ambil pensilnya. Ukur drag lagi.

Kamu adalah batunya. Pensil adalah sepedamu.

Lain kali Anda tergoda untuk menghabiskan uang pada bagian-bagian sepeda untuk mengurangi hambatan dalam operasi ini, Anda harus berpikir dengan sangat hati-hati tentang analogi ini. Terutama mengingat bahwa telah ditemukan bahwa kerutan di kaus Anda berkontribusi lebih banyak pada hambatan bentuk aerodinamis Anda daripada gabungan kedua bar aero dan helm aero .

Dengan kata lain, uang Anda lebih baik dihabiskan untuk pakaian kulit, atau tabir surya. Dan tabir surya memiliki sedikit hambatan.

Ernie
sumber
Sebenarnya, setelan pakaian yang pas memiliki sedikit hambatan daripada tabir surya pada kulit telanjang. Kami tahu ini karena kami telah mengukur hambatan pengendara dengan tangan kosong dan lengan tertutup, dan dengan celana pendek yang menutupi paha semakin banyak. Kulit ternyata lebih cepat dari pakaian longgar tetapi tidak secepat pakaian kulit yang tepat.
R. Chung
Yah aku akan terkutuk.
Ernie
Tentu saja, yang mengharuskan bahwa skinsuit cocok persis benar. :)
Ernie
Agak mengherankan apa yang dipelajari ketika seseorang benar-benar dapat mengukur hambatan. Ternyata bola mata tidak apa-apa untuk melihat perubahan besar pada drag tetapi tidak terlalu bagus untuk membedakan antara perubahan kecil - dan jika Anda berlomba, bahkan perubahan kecil dapat menjadi konsekuensi. Hal serupa telah ditemukan untuk pakaian renang Olimpiade: mereka lebih cepat daripada berenang telanjang.
R. Chung
Namun, hambatan yang disebabkan oleh orang di sepeda jauh lebih tinggi daripada hambatan yang disebabkan oleh sepeda itu sendiri - bahkan dalam contoh terburuk aerodinamika sepeda. Itu poin saya. Jadikan diri Anda aerodinamis terlebih dahulu, sebelum menghabiskan banyak uang untuk melakukan hal yang sama dengan sepeda. Seluruh industri berkembang karena kurangnya pemahaman ini.
Ernie