你该换姿势了!专业分析风阻与骑行的关系

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发布时间:2018-06-06 00:49

你该换姿势了!专业分析风阻与骑行的关系

2018-06-06 21:00来源:骑行村自行车/骑士

原标题:你该换姿势了!专业分析风阻与骑行的关系

当自行车骑士在空气中运动的时候,空气支对骑士施加一股力量,称为空气阻力,又称风阻(Drag)。研究这种物体民气体作相对运动情况下的受力特性,即为空气动力学(Aerodynamics),科学家对此已有相当程度的研究。虽然一般人看不见它,对它的感受也只限于骑快的时候会有呼呼的风从脸旁吹过,但它对于骑士的踩踏能量损耗,可不亚于传动系统的摩擦阻力,所以千万别小看它!

空气阻力实际上与有效迎风面积(EffectiveFrontalArea)、前进速度(Veloity)的平方以及阻力系数(DragCoefficent)成正比。当有效迎风面积增加1倍时,阻力会增加一倍;而阻力系数增加一倍,阻力也会增加一倍;但是速度增加一倍时,阻力则会增加三倍,变成原先的四倍。因为空气阻力的影响如此之大,在1970、1980年代,科学家们进行广泛而深入的研究不论是从理论分析、数值仿真或利用风洞测试等,所获得的结论都成为后来骑乘姿势、比赛战术与自行车设计等的重要参考依据。

▶▶ 骑乘姿势V.S.风阻

在骑乘姿势方面,根据实验结果,假设采正姿骑乘(一般骑淑女车的姿势),以时速20km/h前进,所受的空气阻力约为10牛顿。而如果将身体弯下来,像场地赛选手那样地骑乘,大约可减少55%的空气阻力,因此一般跑车选手会尽量压低自己的身体。如果是采用轮车的方式,弯姿骑乘的领骑选手空气阻力仍是减少 55%,但在其后的选手可以较正姿骑乘减少86%的阻力,等于只要花原先1/7的力量就可以克服空气阻力。

各姿势对风阻的影响,你该换姿势了!

▶▶ 比赛战术V.S.风阻

在整个车队前进的情况下,领骑选手较其后选手约多3倍的空气阻力,因此允许自行车的团队比赛中(目前UCI多数的画队赛都允许),战术如何的运用就显得格外重要。

一般而言,各队都会有副将骑在主将前面,帮他挡风,让主将保留体力至最后冲刺,因此也衍生出各种战术应用,如领先集团、主集团、领骑、掩护、攻击、追赶等,都是各种战术中所用的专用名词。而自行车比赛战术之复杂技巧之细腻,也由此可见一斑。

而在整个自行车运动中,人体所占的有效迎风面积比例最高,风阻系数也较高,产生之空气阻力约 占整体阻力的60%,所以采用低风阻的骑乘姿势对于减小阻力非常有帮助。其次是轮组,因为轮组除了本身在空气中运动的阻力外,钢丝在旋转时亦会产生阻力, 整体轮组约占了整个阻力8%,因此采用低风阻的轮组亦会有相当助益,各家轮组厂也无不挖空心思进行改良,希望能有效减少风阻。至于车架的影响约与轮组相 当,也在8%左右,所以车架设计如何在轻量化、高刚性与低风阻间取得较佳平衡点,一直是各车厂不停努力研究的焦点。

▶▶ 轮组v.s风阻

改用低风阻轮组可以发现,前轮之影响后轮大,这是因为前轮为整辆车最先接触到空气的部分,所以在前轮下功夫是较具经济效应。至于后轮,由于空气经过人体,已产生扰流,如以同样的方式改进后轮,其效果没有前轮显著。

最先出现的低风阻设计是碟轮(Disc Wheel),因完全没有钢丝,正向风阻最小,结构刚性也最佳,并提供了最高的转动惯量,常见于场地赛或计时赛。不过侧风时,由于轮组所受的风力过大,会影响骑乘操控性与稳定性,使用上仍有其安全顾虑,不适合一般道路骑乘。

再来则是采用低风阻辐条取代钢丝,风阻的确降低了,不适由于辐条体积较钢线大,在重量上失去优势。为了轻量化,碳织维成为该型轮组的主流材料,但其价格与制 造难度偏高,使得这种低风阻轮组仍属于贵族产品。最后一种是现在市面上最常见到的方式,直接减少钢丝数量,利用高强度的钢丝(或钛丝)取代旧有钢丝,并搭 配高强度设计的多层轮圈,可同时达到降低风阻以及重量的双重理想目标。目前主要的轮组厂商都有推出这类轮组,钢丝数从传统的32条减少到24~16条,钢丝编法之设计理论各不相同,车友可作多方比较,选择适合自己的轮组。

▶▶ 车架&前叉v.s.风阻

至于车架以及前叉,由于各家设计差异极大,所能减少之风阻系数与有效迎风面积也相去甚远,对于侧风阻力减少的效果也各异。

自行车行进过程中,车架&前叉与风阻关系甚大▲

以1984年洛杉矶奥运美国队所采用的低风阻车架(Huffy制造)为例,无风时大约可减少5%的阻力,而10度侧风时竟能减少12%的阻力,让美国队在1984、1988两届奥运因而大放异彩,在场地赛共拿下两金、两银及一铜。

至于前叉方面,理论上目前常见的登山车圆柱型避震前叉,如果改为相同直径的流线型,空气阻力约可以减少90%,不过体积与重量也会相对增加(为了配合避震机 构)。当然,适当的低风阻设计可在减少阻力与增加重量寻找出平衡点,但其成本的增加则是无可避免,再加上一般的登山车骑乘速度较慢,强调的是Off- road的舒适性与操控性,所以低风阻设计仍不常见。至于公路车因为不需考虑避震机构,前叉直径较小,且时速较快(别忘了,阻力与速度的平方成正比),所 以现在的跑车前叉有越来越多各式低风阻设计的出现。

事实上,自行车风阻的问题相当复杂,但对于爱好骑车而非科学家的一般车友,能在选购低风阻设计零组件时,有概念知道该如何选择适合自己的产品就足够了。而车友们下次骑车的时候,除了享受追风的乐趣外,也可以亲身体验一下空气动力学奥妙!

来源:互联网(侵权请联系微信:2478970178)

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