自行车性能

黄色球衣中的布拉德利·威金斯(Bradley Wiggins)完成了2011年Critériumduauphiné

自行车的性能可测量的性能,例如影响自行车的有效性的能源效率。自行车是非常有效的机器。就一个人必须支出的能量数量而言,骑自行车是最有效的自动运输方式

自行车的运输性能在吨公里方面也很出色。就货物重量(有效载荷)的比率而言,自行车可以携带到总自行车重量,骑自行车(在此处骑自行车)也是货物运输的最有效手段。

机械效率

从机械的角度来看,骑手传递到踏板的机械能的99%被传输到车轮(干净,润滑的新链400 W),尽管使用齿轮机制将其降低了1-7%(清洁,润滑良好的拨链器和直链线),4-12%(带有3速轮毂的链)或10–20%(带3速轮毂的轴驱动器)。每个范围内的效率较高,以较高的功率水平和直接驱动(集线器齿轮)或大型驱动齿轮(Derailleurs)(Derailleurs)的形式达到。

能源效率

通常使用行走所需的动力的人骑自行车以16–24 km/h(10-15 mph)行驶,是人类运输的最节能手段。随着速度平方的增加,空气阻力需要相对于速度越来越高的功率输出。骑士位于仰卧位的自行车被称为卧式自行车,或者,如果用空气动力学整流罩覆盖以达到非常低的空气阻力,则以velomobile的形式达到非常低的空气阻力。

赛车自行车的重量轻,允许腿部自由运动,使骑手既相对舒适又空气动力,具有良好功率传递的刚度,并且具有高齿轮比和较低的滚动阻力。

根据一项研究,一个70千克(150磅)的人需要在牢固和平坦的地面上以5 km/h(3.1 mph)行走约60,而根据Kreuzotter的计算器,同一个人和功率输出在一辆普通的自行车将以15 km/h(9.3 mph)的速度行驶,因此在这些条件下,骑自行车的能量消耗约为行走相同距离的三分之一。上坡和下坡的速度会根据斜坡的斜率和骑手的努力而有所不同。上坡循环需要更多的能力来克服重力,因此速度较低,并且/或探测器高于在平坦的骑行条件下。通过中等努力,骑自行车的人可以踩踏8-10 km/h的倾斜度为8-10 km/h。骑在草地上,沙子,泥浆或雪也会减慢骑手的速度。在不下坡的情况下,自行车骑手可以轻松地达到20-40 km/h的速度,在陡峭的倾斜度上,较轻的5%坡度和超过50 km/h的速度。

能量输出

人类可以产生多少力量,并随着物理形式而变化多长时间。特定的功率可以以每公斤体重的瓦数表示。活跃的人可以产生1.5 W/kg(未经训练),3.0 W/kg(fit)和6.6 W/kg(顶级男运动员)。 5 W/kg大约是雄性业余层最高层的水平。一小时内的最大持续功率水平从约200 W( NASA实验组的“健康男性”)到500 W(男子世界小时的记录)。

能量输入

人体的能量输入是以粮食能量的形式,通常以千瓦(KCAL]或千焦(KJ)[KJ(KJ)定量,相当于KWS或KOLOWATT-SECONDS]。这可能与一定距离旅行和体重有关,提供了诸如 KJ / km·kg 。输入功率是食品消耗的速度,即在一定时间段内消耗的数量。这可以在kcal/day或j/s = w(1000 kcal/d≈48.5w)中进行测量。

可以通过测量氧气吸收或长期食物消耗来确定这种输入功率,假设体重没有变化。这包括仅用于生活所需的功率,称为基底代谢率BMR或大致静息代谢率

所需的食物也可以通过将输出功率除以肌肉效率来计算。这是18-26%。从上面的示例中,如果一个70公斤的人以15 km / h的速度骑自行车,则假定肌肉效率为20%,则大约需要1 kJ / km ·µkg额外的食物。为了计算旅行过程中所需的食物,必须首先将BMR添加到输入功率中。如果70公斤的人是一个老妇,那么她的BMR可能是60 W,在所有其他情况下,她的BMR可能会更高。以这种方式查看此示例中的效率有效减半,大约需要2 kJ / km·kg食物。

尽管这表明低功率骑自行车所需的食物相对增加,但实际上几乎没有注意到,因为一个小时的骑行的额外能量成本可以用50克坚果或巧克力覆盖。但是,长时来或艰苦的骑自行车,额外的食物需求变得显而易见。

为了完成效率计算,消耗的食物类型决定了总体效率。为此,必须考虑生产,分发和烹饪所需的能量。

典型的速度

图显示了丘陵地形上可变的自行车速度。

公用事业骑自行车中,达到速度的变化很大。在直立跑车的老人可能会少于10 km/h(6.2 mph),而钳工或年轻人则可以轻松地在同一辆自行车上进行两倍。对于哥本哈根的骑自行车者,平均循环速度为15.5 km/h(9.6 mph)。骑手的健身和节奏,自行车轮胎压力和尺寸,齿轮比,地形的斜率会影响骑手的整体速度。为平坦的城市环境设计的自行车可能具有单身速度齿轮,或为丘陵地形,牵引重量或更快旅行的三种速度和自行车具有更多的齿轮。在竞争激烈的骑行中,使用更大的链条,较轻的材料,空气动力学设计和Peloton的空气动力效应,可以通过增加更多齿轮来增强可持续高速。由于各种骑自行车的人在风头转弯,然后落后于休息,因此该小组可以在延长距离上保持更高的速度。团队计时试验产生相同的效果。

现代骑自行车的人使用速度表或自动计算机来测量,记录和共享几个变量,包括速度,梯度,距离,时间,节奏,坡度,功率(瓦特),温度,GPS数据,路线,甚至心率。

自行车速度记录

在水平地面,平静的风中,没有外部辅助工具(例如运动起搏和风块,但包括定义的重力辅助量)的任何人供电的车辆(HPV)正式记录的最高速度均为144.18 km/h( 89.59 mph)于2016年由Todd Reichert在ETA Speedbike中设置,这是一辆简化的卧式自行车。在1989年在美国的比赛中,一组HPV在短短5天内越过美国。在完全盖好的条件下,在传统直立位置骑自行车骑自行车的最高速度在200 m上为82 km/h(51 mph)。该纪录是由吉姆·格洛弗(Jim Glover)在温哥华举行的Expo86世界博览会期间在人类动力速度锦标赛上的莫尔顿AM7上创下的。 Slipstream中最快的自行车速度为296 km/h(183.9 mph),由Denise Mueller-Korenek于2018年在Bonneville Salt Flats上设置。这涉及在牵引力后面滑动。

循环速度摇摆

危险的转向摇摆可能会以高速发生,在较低速度的手柄杆上没有手骑行,而前叉用pan刀加权时。

减轻体重和旋转质量

为了更快的上坡和加速,企业竞争降低了赛车自行车的重量。 UCI将用于批准种族的自行车的最小重量设定为6.8公斤。

减少质量的优势

为了以恒定的速度骑自行车,重量减轻仅节省了可忽略的功率,相反,以空气动力学改善的形式增加质量是有益的。但是,对于陡峭的攀爬,可以直接感觉到任何体重。例如,减少了总系统重量(自行车,骑手和行李的总和)的10%将节省近10%的功率。

加速时也直接感觉到质量减少。例如,在Wayback机器上存档的分析循环计算器存档的2022-01-15为带有500 g较轻轮的短跑式机提供了0.16 s/188 cm的时间/距离优势。在标准竞赛中,如果骑手必须刹车进入每个角落,那么这会浪费为热量。对于40 km/h,1 km电路的扁平标准,每圈4个角,每个角处10 km/h的速度损失,持续1小时,将有160个角落“跳跃”。对于90公斤的骑手和自行车,与以稳定的速度相比,这增加了大约三分之一的努力,而质量减少了总系统重量的10%(自行车,骑手和行李的组合)可能会给大约3 % 优势。

灯轮的优势

轮胎和轮辋的质量必须线性旋转加速。可以表明,典型发言轮的轮辋和轮胎质量的效果有效地翻了一番。因此,在标准中的冲刺和角落“跳跃”的情况下,减少质量尤其明显。

需要电源

关于减肥和轮胎优化和空气动力学优化的相对重要性的加热辩论在循环中很常见。通过计算移动自行车和骑手的功率要求,可以评估空气阻力,滚动阻力,斜率电阻和加速度的相对能量成本。

有一些众所周知的方程式赋予克服各种电阻所需的功能,主要是速度的函数:

电源曲线抵抗不同组件的速度:
- 空气阻力最初非常低,并且随速度的立方体增加。
- 起初滚动阻力功率更高,但仅温和地升高。
- 攀登5%的成绩几乎与持续加速度相同,持续加速度为0.5 m/s 2

空气阻力

动力克服空气阻力或阻力所需的是:

在静止的空气中,或
在逆风中,

在哪里

是空气密度,海平面约为1.225 kg / m 3和15度。 C。
是相对于道路的速度,
是明显的逆风,
是一个特征区域,其相关的阻力系数

明显的风的概念只有在真正的逆风或逆风下才能直接适用。然后是标量总和以及逆风或和尾风。如果这种差异为负必须被视为援助而不是抵抗。但是,如果风具有侧向分量,则必须用矢量和矢量总和计算出明显的风,尤其是在简化自行车的情况下,横向和阻力的计算变得更加复杂。适当的治疗涉及考虑在帆上诸如部队之类的表面上的力。

阻力系数取决于对象的形状和雷诺数,这本身取决于 。但是,如果横截面区域对于骑手在直立的自行车上的通常的骑自行车速度,可以大致近似为1。

滚动阻力

动力为了克服轮胎的滚动阻力

其中G是重力,名义上是9.8 m/s^2,M为质量(kg)。近似可以与滚动电阻的所有正常系数一起使用 。通常认为这是独立的 (道路上自行车的速度)尽管它认识到它会随速度的增加。对滚筒机制的测量值可为各种轮胎膨胀至最大推荐压力的低速系数为0.003至0.006,在10 m/s时增加了约50%。

攀登力量

垂直攀爬力量斜坡是(谁)给的

.

这种近似接近小,即正常等级的真实解决方案。对于极陡峭的斜率,例如0.35,近似值的高估约为6%。

由于这种功率用于增加自行车和骑手的势能,因此,除非骑手制动器或行驶速度比所需的速度快,否则它在下坡时会作为动力返回,并且不会损失。

加速的功率

动力为了加速具有加速A的总质量m的自行车和骑手,也旋转了质量的车轮是:

近似是有效的假定会集中在轮辋和轮胎上,并且这些都不滑。因此,对于此计算,可以对此类车轮的质量进行两次计数,而与车轮尺寸无关。

由于这种功率用于增加自行车和骑手的动能,因此除非骑手制动器或行驶速度比所需的速度快,否则它会在减速时返回并且不会丢失。

总功率

总功率可以概括为:

在哪里是本文开头描述的驱动序列的机械效率。

鉴于这个简化的方程式,可以计算一些感兴趣的值。例如,假设没有风,就会获得以下功率输送到踏板(瓦特)的结果:

  • 175 w对于90 kg自行车 +骑手,在平面上乘坐9 m/s(32 km/h或20 mph)(克服空气动力阻力的76%)或2.6 m/s(9.4 km/h或5.8) MPH)在7%级(克服空气动力阻力的努力的2.1%)上。
  • 在平面上以11 m/s(40 km/h或25 mph)为90 kg自行车 +骑手300 W(克服空气动力阻力的83%)或4.3 m/s(15 km/h或9.5 mph)在7 %的级别上(克服空气动力阻力的努力的4.2%)。
  • 165 w对于65 kg自行车+骑手,在平面上速度为9 m/s(32 km/h或20 mph)(克服空气动力阻力的82%)或3.3 m/s(12 km/h或7.4 h或7.4 MPH)在7%级(克服空气动力阻力的努力的3.7%)上。
  • 在平面上以11 m/s(40 km/h或25 mph)为65 kg自行车 +骑手的285 W(克服空气动力阻力的87%)或5.3 m/s(19 km/h或12 mph)在7%的级别上(克服空气动力阻力的努力的6.1%)。

将自行车 +骑手的重量降低1千克,将在平坦时以9 m/s的速度提高0.01 m/s(在32 km/h(20 mph)( 20 mph), 40公里(25英里)的时间试验中5秒)。 7%级的相同降低价值为0.04 m/s(90千克自行车 +骑手)至0.07 m/s(65千克自行车 +骑手)。如果一个人爬了1小时,节省453克(1磅)将增加69至107米(225和350 ft) - 对较重的自行车 +骑手组合的影响较小(例如, 0.06 km/h(0.04 mph ) 1)。 HÅ1,600 m(5,200 ft) /mi = 69 m(226 ft))。作为参考,环法自行车赛和意大利的Giro d'Italia的巨大攀登具有以下平均成绩:

giro d'Italia梯度

环法自行车赛梯度

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