При любом использовании данного материала ссылка на первоисточник обязательна!

ВОПРОСЫ АЭРОДИНАМИКИ ДИСКОВЫХ КОЛЕС ГОНОЧНОГО ВЕЛОСИПЕДА

Влияние аэродинамического фактора на спортивные результаты в велосипедном спорте весьма велико. Вопрос аэродинамики велосипеда довольно долгое время отступал на второй план. Предпочтение отдавалось физической и тактической подготовке велосипедистов.

В 1938 г. Международный союз велосипедистов (УСИ) принял закон о запрете любых конструктивных изменений, производимых в традиционном гоночном велосипеде, направленных на достижение аэродинамического преимущества. Этот запрет, с одной стороны, значительно задержал развитие аэродинамики аппаратов, приводимых в движение мускульной силой человека, а с другой — позволил сохранить массовость и спортивный характер велосипедного спорта.

Можно представить, к каким последствиям могло бы привести отсутствие запрета со стороны УСИ. Так, еще в 1899 г. американский гонщик Ч. Мерфи получил мировую известность, проехав на велосипеде 1 милю (1,6 км) со скоростью 101,8 км/ч за поездом по специальному деревянному настилу на железнодорожной линии, используя аэродинамический экран последнего вагона.

В 1973 г. А. Аббот развил скорость 223,168 км/ч в гонке за специальным автомобилем в аэродинамическом «тоннеле», в котором он ехал. В октябре 1985 г. Д. Говард (США) в аналогичных условиях развил более высокую скорость, подняв мировое достижение до 245 км/ч. Или, например, рекорд аппарата А. Войгта «Вектор-тандем», установленный в 1980 г. и равный 101,26 км/ч. На этом аппарате два гонщика, находясь в лежачем положении спинами друг к другу, были укрыты прочным высокоэффективным аэродинамическим обтекателем. Во всех рассмотренных случаях спортивное преимущество было достигнуто в первую очередь за счет дорогостоящих технических решений, недоступных массовому спорту.

В 1976 г. УСИ разрешил применение некоторых технических средств, улучшающих аэродинамику системы «гонщик — велосипед». Права гражданства получили облегчающие эластичные комбинезоны, обтекаемые шлемы, рамы с каплевидными профилями труб, обтекаемые рукоятки тормозов, профилированные плоские спицы и другие элементы.

Аэродинамическое сопротивление — важный фактор, определяющий энерготраты, затрачиваемые на перемещение велосипеда. Как показали исследования, при движении велосипеда со скоростью 30 км/ч аэродинамическое сопротивление составляет примерно 80% полной силы сопротивления. При такой скорости движения вытесняется и приводится в возмущенное состояние около 450 кг воздуха в минуту. За движущимся велосипедом и спортсменом образуется вихревой след, на формирование которого затрачивается значительная часть энергии спортсмена.

На скоростные качества системы «гонщик — велосипед» оказывают влияние три вида аэродинамического сопротивления. Первый обусловлен характером распределения движения и определяется обтекаемой формой этой системы. Положение туловища велосипедиста, особенности его телосложения в значительной степени определяют характеристику распределения статического давления.

Второй вид обусловлен аэродинамическим трением о поверхность обтекания. Здесь важную роль играют вязкость воздуха и параметры обтекаемой поверхности, в непосредственной близости которой формируется пограничный слой.

Третий вид обусловлен аэродинамическим возбуждением вихревого следа, вызванного отрывом воздушного потока, следующего по контуру обтекаемого тела. При отрыве потока в тыловой части туловища спортсмена и частей велосипеда образуются области пониженного давления, что приводит к подсасыванию

воздуха из окружающего объема и формированию вихревого следа, в котором можно выделить ядро и пограничный слой. В лобовой части системы возникает избыточное давление, которое приводит к некоторому снижению скорости воздушного потока согласно уравнению Бернулли для несжимаемого газа. Поверхности деталей велосипеда в основном имеют цилиндрическую форму и как следствие плохие аэродинамические характеристики, поскольку на них происходит отрыв воздушных потоков. Возникающие силы вихревого сопротивления во много раз превышают силы трения о воздух. Учесть аэродинамические эффекты в полном объеме практически невозможно, однако можно дать приближенную количественную оценку увеличению мощности для наращивания скорости с учетом необходимости преодоления только сопротивления воздушного потока, влияние которого можно принять пропорциональным второй степени скорости.

Так, для велосипедиста на уровне квалификации мастера спорта езда со скоростью 30 км/ч не требует существенных усилий и, если условно принять уровень мощности, необходимой для поддержания скорости, за единицу, то для достижения скорости в 40 км/ч потребуется увеличение мощности в 2,4 раза, для достижения 50 км/ч — в 4,6 раза, а для достижения рекордной скорости в часовой гонке на треке — 51 151,35 м (рекорд установлен Ф. Мозером в январе 1984 г.). Каждый, кто пожелает повторить этот рекорд, должен будет увеличить полезную мощность энергоотдачи примерно в 5 раз по сравнению с мощностью при езде со скоростью 30 км/ч.

Приведенные расчеты не учитывают многих факторов, в том числе плотность воздуха. Например, на высоте Мехико 2240 м над уровнем моря плотность воздуха составляет примерно 80% плотности воздуха на уровне моря и поэтому рекордные скорости там на 3 — 5% выше, чем внизу. На Луне, к примеру, где нет атмосферы, а сила тяжести составляет лишь ¹/₆ часть земной, велосипедист мог бы теоретически развивать скорость 383 км/ч.

Установлено, что из мощности, расходуемой спортсменом на преодоление аэродинамического сопротивления, примерно 70% затрачивается на преодоление сопротивления, приходящегося на спортсмена, а 30% — на велосипед.

Колесо гоночного велосипеда с точки зрения аэродинамики представляет собой сложную систему, в состав которой входят втулка с фланцами, набор

спиц, обод и однотрубка. Колесо вращается в потоке воздуха, набегающего под различными углами. Преимущественное движение воздушного потока происходит в плоскости колеса. Рама велосипеда, ноги спортсмена, совершающие циклические движения с частотой 60 — 120 оборотов в минуту, встречный или встречно-боковой ветер создают сложную аэродинамическую картину обтекания колес воздушным потоком, которая практически не поддается строгому анализу.

Тем не менее факт аэродинамического сопротивления колес велосипеда существует. Об этом свидетельствует достаточно долгая история развития и совершенствования конструкции колеса гоночного велосипеда, начиная с первых конструкций колес с деревянными спицами велосипедов К. Драйзера и кончая современными колесами гоночных велосипедов с профилированными спицами. Одна из новинок технической мысли в этом направлении — конструкция колес велосипеда, на котором Ф. Мозер установил ряд мировых рекордов в январе 1984 г. на треке в Мехико.

Задача эксперимента, поставленного нами, сводилась к оценке эффективности аэродинамики дисковых колес гоночного велосипеда, подобных колесам, установленным на велосипеде Ф. Мозера.

Эксперимент проводился на обычном колесе гоночного велосипеда. Спицевый набор колес заменялся обтяжкой колеса с двух сторон тонкой бязью с последующим покрытием его слоем спиртового лака.

В процессе эксперимента измерялись следующие параметры: скорость выходного воздушного потока V₁ , скорость вращения колеса , мощность, потребляемая электродвигателем, лобовое аэродинамическое сопротивление колеса методом аэродинамических весов.

На рис. 1 приводятся зависимости потребляемой мощности колесом велосипеда при скоростях движения велосипеда в диапазоне 11 — 19 м/с при спицевом и дисковом наборе колес. Кривые 1 и 3 иллюстрируют затраты мощности только при вращении колес соответственно с дисковым и спицевым наборами. Кривые 2 и 4 — затраты мощности с учетом дополнительного лобового аэродинамического сопротивления. Во всех случаях выигрыш колеса с дисковым набором очевиден и составляет около 22% в первом случае и около 16% — во втором, что равно примерно 45 Вт на два колеса велосипеда при скорости движения 50 км/ч. Общая картина энерготрат на привод

Рис. 1. График зависимости мощности аэродинамического сопротивления колеса;

1 и 3 — мощность, расходуемая на вращение колеса без учета и с учетом силы аэродинамического сопротивления при дисковом колесе; 2 и 4 — то же при спицевом выборе

Рис. 2. График изменения сил сопротивления и мощности в зависимости от скорости движения велосипеда:

1 — полная сила сопротивления качению колеса; 2 — полная сила сопротивления движению велосипеда; 3 — полезная мощность, необходимая для поддержания скорости движения велосипеда

велосипеда со скоростями, соответствующими мировым рекордам в отдельных видах велосипедных гонок на треке, приводятся на рис. 2.

Теоретический расчет применительно к тем и другим колесам позволяет получить следующие приведенные в таблице

данные по результатам на уровне мировых рекордов в некоторых видах гонок для спортсмена, стартующего и проходящего дистанцию при тех же мощностях педалирования. Мировые рекорды в таблице даны курсивом.

Из таблицы видно, каким образом техническое преимущество, достигнутое за счет применения дисковых колес, может быть при прочих равных условиях реализовано в спортивном результате.

Особый интерес представляет анализ условий установления Ф. Мозером рекорда мира в часовой гонке на треке в Мехико. Авторы весьма далеки от мысли оспаривать правомерность признания этого выдающегося достижения, однако с позиций возможных теоретических оценок приводим некоторые данные анализа этого спортивного результата.

Прежде всего необходимо подчеркнуть отличительные особенности условий, характерных для Мехико, расположенного на высоте 2240 м над уровнем моря. В этих условиях плотность воздуха составляет в среднем = 1,0007 кг/м³ (в Москве = 1,167 кг/м³), ускорение свободного падения q = 9,8005 м/с² (в Москве q = 9,8156 м/с²). Учет этих условий, а также использование дисковых колес позволили получить результаты для условного гонщика, педалирующего с мощностью Ф. Мозера во время рекордного заезда, но выступающего на колесах со спицевым набором. Однотрубки и жесткостные параметры колес в обоих случаях остаются неизменными, так как авторы не располагают достоверными данными. Таким образом, Ф. Мозер, выступая на велосипеде с колесами со спицевым набором, по данным теоретического расчета, мог бы показать результат 49 906,8 м вместо феноменального рекорда 51 151,35 м, установленного им в действительности.

Вывод, сделанный из проведенного исследования, достаточно определенный — дисковые колеса дают велосипедисту вполне ощутимое спортивное преимущество. Однако стоимость дисковых колес весьма высока и поэтому недоступна для большинства спортсменов и даже некоторых национальных команд.

Трудно предрекать будущее дисковых колес, поскольку они являются продуктом современного технического прогресса. Вполне возможно ожидать их массовый выпуск и снижение стоимости до приемлемого уровня. Тогда велосипедисты, выступающие на соревнованиях на велосипедах с дисковыми колесами, будут находиться в равных условиях со всеми.

Таблица

Влияние аэродинамики на результаты велосипедных гонок