Сопротивление движению велосипеда и диаметр колеса

[Yaryk]

При увлечении велосипедом, как и при любом другом серьезном увлечении, важна идеология процесса.

Многих велосипедистов, обремененных деньгами и/или мыслительным центром волнуют вопросы энергетической эффективности передвижения на велосипеде.

Рассуждения ниже касаются передвижения системы велосипед-наездник по грунту умеренного рельефа, в умеренном темпе и на значительные расстояния (марафон, 250-500км). Предполагается, что наездник физически и психологически подготовлен провести в седле 20-30 часов, правильно одет и обут, правильно посажен на велосипед, у него хватило везения и ума выбрать правильное седло.

Суммарное сопротивление складывается из пяти основных составляющих (Рис.1):

1. аэродинамическое сопротивление,

2. сопротивление качению шин,

3. потери в трансмиссии,

4. сила инерции.

5. потери на деформацию велосипеда (рама, вилка, колеса)

Рис. 1. Силы сопротивления движению велосипеда (по Швальбе )

Важно минимизировать энергетические затраты на преодоление сопротивления движению, сделав это с умом и минимально необходимыми затратами.

Сопротивление воздуха возрастает пропорционально квадрату увеличения скорости. Поэтому на прямой при скорости выше 20км/ч сопротивление воздуха является основной противодействующей силой. Оптимальные затраты энергии получаются при скорости движения до 25 км.ч.

Когда едете на подъем основной силой сопротивления будет преодоление уклона.

За пределы обсуждения (пока) выносится вопрос потерь на деформацию рамы и вилки.

Вопрос не так прост, как кажется и требует дополнительного исследования: О жесткости рам (с таблицами). Как она влияет на скорость?

Предполагается, что рама - правильная и потери в ней невелики. При медленном равномерном движении на велосипеде потери в раме - малы. Смысла в покупке дорогой сверхжесткой гоночной рамы для повседневного катания и длительных выездов - нет. Поведение одной и той же рамы при мощности гонщика 150-200ватт и 400-500ватт кардинально различается, и преимущества гоночной рамы, ее характер проявляются именно на большой мощности педалирования. Не рассчитывайте, что купив гоночную раму, вы поедете быстрее. Для этого придуманы тренировки и уколы!

Многим начинающим велосипедистам стоит осознать, что Самая Правильная Рама для длительных поездок - подходящего Вам размера, а не титановая (стальная, карбоновая, алюминиевая, магниевая).

Сила инерции появляется всегда, когда изменяется скорость движения. И ее величина тем больше, чем больше общая масса системы наездник-велосипед. Увеличивается скорость движения, увеличивается и сила инерции, препятствуя развитию скорости, т. е. становится силой сопротивления. Для преодоления ее расходуется часть тяговой силы. Следовательно, необходимо двигаться с равномерной скоростью.

Вес колес играет не такую большую роль, как это принято считать. Поднимаясь в гору на велосипеде с колесами, вес которых на четыреста грамм превышает вес вашего стандартного комплекта, вы потратите энергии больше всего на 0,5-0,9 процента. То, что это вращающаяся масса, в данном случае не имеет значения. При езде по прямой с постоянной скоростью вы вообще ничего не потеряете (вспомните законы механики).

Вес колес важен только при езде с чередующимися разгонами и торможениями. Таким образом, если вы не гонщик, вес колес не должен вас очень сильно интересовать, а должна интересовать прочность, угол атаки, проходимость колеса и сопротивление качению.

Есть еще сила трения цепи и других движущихся частей. В хорошо настроеном и смазанном велосипеде их влияние будет минимальным в общей составляющей сил сопротивления. Наименьшие потери достигаются в синглспиде, особенно в грязи и при низких температурах.

Наибольшее влияние оказывает вес наездника. Нужно меньше жрать и больше тренироваться.

Фанатичное облегчение велосипеда - худшее решение из возможных. При равномерном движении практически нет разницы, как скидывать вес - взять поясную сумку вместо рюкзака, похудеть на 3 кг или потратить 2000 USD на облегчение велосипеда.

Особенной бессмысленностью отличается апгрейд трансмиссии до Х0-ХТЯ, ибо потери в трансмиссии в десятки раз меньше потерь на сопротивление качению. Если и тратить деньги - то на правильные колеса (естественно, 700С) и покрышки.

Сопротивление качению

Сопротивление качению складывается из таких составляющих:

1. Наездник часто и без необходимости тормозит. Нужно ехать, а не тормозить.

2. Деформация грунта (асфальт практически не деформируется)

3. Деформация шины (в шине с хорошим гибким каркасом и низкогистерезисным нано компаундом потери минимальны)

4. Деформация колеса (обод, спицы - колесо на 32 спицы лучше катит. не забывайте, что втулка - стоит на нижних спицах)

5. Потери во втулках (я выбрал промы).

6. Потери на преодоление микрорельефа (неровности дороги).

Величина сопротивления качению зависит главным образом от веса системы наездник-велосипед. Нужно меньше жрать и больше тренироваться.

При качении колеса по мягкому грунту происходит деформация не только шины, но грунта, в результате чего сила сопротивления качения увеличивается – добавляется бесполезная работа по перемещению и уплотнению грунта.

Движение по грунту сопровождается образованием колеи, глубина которой оказывает не­посредственное влияние на сопротивле­ние качению. Глубина колеи зависит от диа­метра колеса, ширины профиля и нагрузки на колесо. Этими парамет­рами определяется среднее давление колеса на грунт. Если бы шина была абсолютно эластичной, давление коле­са на грунт определялось бы давлением воздуха в шине. Поскольку часть нагрузки передается через каркас шины, давление на грунт зависит от соотно­шения жесткости шины и грунта.

Если жесткость шины больше, чем жесткость грунта, она будет погружать­ся в грунт не деформируясь, т. е. пнев­матическая шина будет работать как жесткое колесо. Если же жесткость шины меньше жесткости грунта, шина деформируется. Это приведет к увели­чению поверхности контакта шины с грунтом, уменьшению на него давления и сопротивления качению. На дефор­мируемых грунтах площадь опорной поверхности может быть увеличена за счет увеличения ширины шины и ее диаметра и уменьшения давления воз­духа в ней.

Наиболее предпочтитель­ным является увеличение диаметра ко­леса и снижение внутреннего давления в шине, так как с увеличением ее ши­рины растет объем деформируемого грунта и тем самым увеличивается сопротивление качению. При уменьшении давления воздуха в шине площадь контакта растет в большей степени по длине.

Ко­эффициент сопротивления качению по деформируемым грунтам определяется гистерезисными потерями энергии в шине и затратами ее на перемещение и деформацию грунта. Минимальное сопро­тивление качению соответствует опре­деленному давлению воздуха в шине. При увеличении давления воздуха в шине свыше этого значения сопротив­ление качению возрастает из-за увеличения глубины следа (колеи), а при уменьшении — из-за большой деформа­ции шины.

Очевидно, что для каждого типа и состояния грунта может быть найдено оптимальное давление воздуха в шине, при котором сопротивление качению будет минимальным.

Увеличение диаметра колеса приводит к уменьшению коэффициента сопротивления качению. На ровных дорогах с твердым покрытием уменьшение небольшое. Чем больше размеры и число неровностей на дороге и чем больше на таких дорогах скорость движения, тем значительнее влияние диаметра колеса на коэффициент сопротивления качению. Особенно сильно снижает­ся коэффициент сопротивления качению на деформируемых опор­ных поверхностях (песок).

Формула для силы сопротивления деформации грунта недеформируемого колеса, так тревожащая пытливые умы:

Эмпирические зависимости коеффициента сопротивления качения колеса автомобиля от: в - давления воздуха в шине на твердой поверхности, г - диаметра шины (1 - при контакте с бетонным покрытием, 2 - грунтом средней плотности, 3 - песчаным).

Источник всего этого богатства: Гришкевич А.И. Автомобили: Теория: Учебник для вузов, 1986г.

Велосипед создает значительно большее удельное давление на грунт, поэтому зависимость будет ярче.

Schwalbe и Rolling resistance (почему широкие покрышки катят лучше, чем узкие?)

Апологеты широких покрышек обычно приводят в качестве примера "исследования" Швальбе:

http://www.schwalbe.com.ua/tech/

Ответ на этот вопрос кроется в прогибании покрышки. Каждая шина расплющивается немного под нагрузкой, это создает плоскость контакта.

При одинаковом давлении широкая и узкая покрышки будут иметь одинаковую площадь контакта.

При этом широкая покрышка сплющивается больше по ширине, чем по длине, и по этому легче катится.

Узкая шина будет иметь более вытянутое пятно контакта. Поэтому, во время вращения узкие шины больше деформируются по окружности, чем широкие.

У широкой шины радиальная длина пятна контакта короче, что делает такую шину более "округлой" и накатистой.

Чем меньше шина деформируется по окружности, тем легче она катится.

Что говорит классик?

http://www.sheldonbrown.com/tires.html

Шелдон Браун утверждает, что сравнение покрышек разной ширины при одинаковом давлении не имеет практической ценности. Покрышка большего диаметра будет работать с оптимальным давлением, а меньшего - недокачана, соответсвенно покажет худший результат. Нужно сравнивать покрышки с оптимальным давлением.

Беда также в том, что Швальбе, насколько мне известно, никогда не публиковала результатов такого "исследования", хотя имеет все технические возможности.

Вы не поверите, но десятилетия опыта (компания основана в 1922 году) Швальбе вылились в подозрительный график, на котором сравнивают непонятно что непонятно с чем при непонятных условиях:

1. Вот покрышка 60-622 Big Apple, покрышка-баллун гигантского размера.

Рекомендуемый диапазон давления - 1,5-4,0 bar.

2. Вот покрышка 37-622 Road Cruiser, наиболее популярная, стандартная покрышка Швальбе.

Рекомендуемый диапазон давления - 2,5-4,5 bar.

Есть мнение, что при одинаковом давлении, каркас, компаунд и рисунок протектора имеют значительно большее влияние на сопротивление качения покрышки, чем ее ширина.

В примере выше - применяется различный компаунд, различная технология защиты от проколов (Race Guard и Kevlar Guard), различная плотность плетения каркаса - 24 tpi против 67 tpi и различный рисунок протектора. Плюс испытуемые покрышки - различного диаметра, та, которая катит легче - больше.

На основании этого подозрительного испытания делается вывод, который неокрепшие умы воспринимают как экспериментально подтвержденный факт.

Разработка инженеров Швальбе извращена маркетологами. Техническая идея, заложенная при создании Apple - при покупке современной, качественной покрышки 60х622, сделанной на основе супер-мега каркаса 67 tpi, компаунда с низкими гистерезисными потерями, упоительно дорогой гибкой и легкой защитой от проколов, при меньшем рабочем давлении 2 bar можно обеспечить сопротивление качению не хуже, чем у стандартной покрышки 37х622 при давлении вдвое выше (4 bar, внимательно смотрим на пунктирную линию на графике).

Это удивительный факт, за что им честь и хвала.

А вот за что Швальбе категорический низачот: за отказ выпускать столь ожидаемый Рейсинг Ральф 42-47х622.

Пример (сопротивление качению покрышек, стальной барабан):

Посмотрите на сопротивление качению одинаковых покрышек различного диаметра 25, 28мм S Turbo/R - результат прямо противоположен "исследованиям" Швальбе.

Т.е. в теории, широкая покрышка имеет меньшее сопротивление качению при одинаковом давлении по сравнению с узкой, но в реальности из-за увеличенного размера и любительского назначения применяют чуть другой каркас и она катит хуже.

Важно понять, что вклад в общие энергозатраты разницы деформаций 29'' и 26'' современных racing покрышек незначителен. Важнее угол атаки колеса при деформации грунта и способность колеса сглаживать неровности дороги без существенного перемещения центра тяжести.

© tourist.kharkov.ua

і ще:

математическая модель взаимодействия единичного колеса с грунтом, система уравнений, численный метод:

...

Если серьезно, то задача выглядит приблизительно так:

Что лучше, и почему:

1. Racing Ralph, 559x54

2. Racing Ralph, 622x47 (Предположим, что такая покрышка существует. Ее сделают, рынок неумолим. Иначе ее сделают другие, и Швальбе окажется за бортом.)?

Каков оптимальный диаметр и ширина покрышки велосипеда?

Почему я должен платить за колеса 800 USD, диаметр которых определяется тем, что в 50-х годах колеса такого же размера использовали для мопедов и какие-то дебилы в округе Марин нацепили их на велосипед?

Почему за 600 грн для меня не могут сделать покрышку нужного мне размера, а опять же ориентируются на размер колес мопеда? :evil:

(ответ на вопрос очень прост. Швальбе знает, что мы купим Рейсинг Ральф 622х57, ибо лучше все равно ничего нет, покатаемся и купим еще 622х42-47, когда он выйдет. Это такой хитрожопый маркетинг.)

[TreNeR]

Многабукафф, но асилил

ЗЫ 622 рулят

[D@ve]

Головна думка - Нужно меньше жрать и больше тренироваться.

[b0rg]

угу. і не дивитись в сторону дорогих рам

[Yaryk]

Ні , головна думка:

Почему я должен платить за колеса 800 USD, диаметр которых определяется тем, что в 50-х годах колеса такого же размера использовали для мопедов и какие-то дебилы в округе Марин нацепили их на велосипед?

А на рахунок рам, раджу покурити топік: О жесткости рам (с таблицами). Как она влияет на скорость?