Como se pode estimar o arrasto de uma bicicleta?

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Estou curioso para estimar o arrasto de uma bicicleta. Isso tem dois enquadramentos diferentes:

  • Encontre a quantidade de energia necessária para rodar a uma determinada velocidade. Ou seja, quando se está viajando a uma velocidade constante, a potência adicionada ao sistema (com meu esforço e / ou descendo) é igual à potência subtraída pelo arrasto aerodinâmico, resistência ao rolamento, ascensão e desvio de objetos lançados pelos espectadores, etc. .

  • Encontre a quantidade de força necessária para manter uma determinada velocidade (novamente, o empurrão para a frente é igual ao empurrão para trás em velocidade constante). O exemplo mais óbvio é o arrasto aerodinâmico, que pode-se sentir empurrando para trás quando se está dirigindo em alta velocidade.

Calculadoras e fórmulas on-line existem, mas elas assumem coeficientes de resistência ao rolamento ou resistência aerodinâmica, ou assumem que eu posso fornecer esses coeficientes. Como eles fazem essas suposições e / ou como eu mesmo posso fazer essas estimativas?

(O crédito é dado a R. Chung por me instar a perguntar, no comentário desta pergunta .)

Reid
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Respostas:

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Sua pergunta é simples, mas uma resposta completa é complexa. A resposta mais simples é apontar para a Parte 2 (especialmente o capítulo 4) de Wilson e Papadopoulos (2004) , ou a recente revisão de Debraux et al. (2011) , ou o artigo de Martin et al. (1998) . No entanto, mesmo esses documentos não cobrem abordagens que tiram melhor proveito dos dados disponíveis em computadores de bicicleta modernos e unidades de GPS. Alguns antecedentes da equação de arrasto de força o ajudarão a entender por que existem tantas maneiras diferentes (com níveis diferentes de precisão, precisão, dificuldade e custo) de estimar o arrasto.

A equação para converter velocidade em potência é bem compreendida. A energia total demandada tem quatro partes:

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)

Destes, a peça mais simples é a força necessária para superar as mudanças de altitude. O poder necessário para explicar a mudança na energia potencial e superar as mudanças na velocidade é direto:

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

Há uma pequena parte do componente KE devido ao momento de inércia nas rodas, mas para bicicletas que tendem a ser pequenas e geralmente o ignoramos. No entanto, as equações necessárias para descrever a resistência ao rolamento e a resistência aerodinâmica são um pouco mais complicadas. O artigo de Martin et al., Citado acima, fornece mais detalhes, mas se podemos ignorar o vento, o componente aerodinâmico simplifica a

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

onde rho é a densidade do ar em kg / m ^ 3 e CdA é a área de arrasto ("A" é a área frontal e "Cd" é o coeficiente de arrasto; CdA é o produto deles e pode ser considerado o "equivalente" área de um cubo mantida perpendicular à direção do vento com uma face da área A).

Finalmente, a potência necessária para superar a resistência ao rolamento (que inclui pneus, tubos e fricção dos rolamentos) é

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

Crr é o coeficiente de resistência ao rolamento.

Agora, se você for a uma calculadora on-line como a da Analyticcycling.com, verá que deve fornecer valores para rho, Crr, Cd e A; então, dado um valor específico de velocidade e inclinação, ele calculará a potência. É fácil encontrar cálculos on-line para a densidade do ar, rho, mas é muito mais difícil encontrar estimativas de Crr e CdA (ou separadamente, Cd e A).

A maneira mais fácil (mas mais cara) de estimar o CdA é em um túnel de vento. Lá, um objeto é montado em uma balança (basicamente, uma balança de banheiro muito precisa e exata), o vento a uma velocidade conhecida é aplicado, a densidade do ar é medida e a força total no objeto é medida pela balança. Watts são força (em Newtons) * velocidade (em metros / s), então força (em Newtons) = watts / velocidade do ar = 0,5 * rho * CdA * (velocidade do ar ^ 2). O operador do túnel conhece rho, conhece a velocidade do ar e a balança de banheiro cara mede a força para que você possa calcular o CdA. As estimativas de túnel de vento de CdA são consideradas o padrão ouro: quando realizadas em um bom túnel com operadores experientes, as medições são precisas e repetíveis. Na prática, se você quiser conhecer o CD separadamente, você d meça a área frontal A com uma câmera digital e compare-a com uma fotografia digital de um objeto (como um quadrado plano) da área conhecida. Como um aparte histórico, há quase 100 anos Dubois e Dubois mediram a área frontal tirando fotografias de uma pessoa e um objeto de referência, cortando as fotos ao longo dos contornos do objeto e depois pesando os recortes em escalas sensíveis.

No entanto, a resistência em pneus, tubos ou mancais não é afetada pela velocidade do ar; portanto, não é possível estimar a Crr a partir dos dados do túnel de vento. Os fabricantes de pneus mediram a resistência ao rolamento de seus pneus em grandes tambores rotativos, mas não podem medir o arrasto aerodinâmico. Para medir Crr e CdA, você precisa encontrar um método que meça ambos e permita diferenciar os dois. Esses métodos são métodos indiretos de estimativa de campo e variam bastante em sua exatidão e precisão.

Até os últimos 20 anos, o método de campo indireto mais comum era descer um morro de declive conhecido e medir a velocidade máxima (também conhecida como velocidade terminal) ou a velocidade ao passar por um ponto fixo no morro. A velocidade terminal não permite diferenciar entre Crr e CdA; no entanto, se alguém medisse a velocidade em um determinado ponto e conseguisse controlar a velocidade de "entrada" no topo da colina, você poderia testar em diferentes velocidades de entrada e obter equações suficientes para resolver as duas incógnitas, Crr e CdA. Como você poderia esperar, esse método era tedioso e passível de baixa precisão. No entanto, muitas alternativas engenhosas foram exploradas, incluindo deslizar por corredores sem vento ou dentro de grandes hangares de aviões e medir velocidade com precisão relativamente alta usando "olhos elétricos" ou faixas de tempo.

Com o advento dos medidores de energia em bicicleta, surgiram novas oportunidades para medir a resistência aerodinâmica e de rolamento. Em resumo, se você pudesse encontrar uma estrada plana e protegida pelo vento, andaria a uma velocidade ou potência constante na estrada; depois repita a uma velocidade ou potência diferentes. A exigência de "proteção plana e protegida contra o vento a velocidade constante" significava que você podia ignorar os componentes de potência PE e KE e só precisava lidar com a resistência ao rolamento e os componentes aerodinâmicos, para que a equação geral da potência simplificasse

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

onde g é a aceleração devida à gravidade, 9,8 m / s ^ 2.

A última fórmula pode ser facilmente estimada por re-regressão linear, onde a inclinação da equação está relacionada ao CdA e a interceptação está relacionada ao Crr. É isso que Martin et al. fez; eles usaram uma pista de avião, calcularam a média das pistas em ambas as direções e mediram a pressão barométrica, a temperatura e a umidade para calcular o rho e mediram e corrigiram a velocidade e a direção do vento. Eles descobriram que o CdA estimado por esse método concordava com 1% do CdA medido em túneis de vento.

No entanto, este método exige que a estrada seja plana e que a velocidade (ou potência) seja constante ao longo da duração do teste.

Um novo método para estimar CdA e Crr foi desenvolvido que explora a capacidade de gravação de muitos computadores e medidores de energia de bicicletas modernos. Se houver um registro momento a momento da velocidade (e, opcionalmente, potência), você poderá medir diretamente as mudanças na velocidade, para que o componente KE da energia possa ser estimado. Além disso, se você andar em um loop, a estrada não precisará ser plana, pois você sabe que, ao retornar ao ponto inicial do loop, a alteração da elevação líquida será zero e, portanto, o componente PE líquido será zero. Este método pode ser e foi aplicado para descer ladeiras com alterações conhecidas de elevação líquida (ou seja, você não precisa ter inclinação constante e, se estiver litorâneo, sabe que a potência é zero). Exemplos dessa abordagem podem ser encontrados aqui e aquie, quando realizado com cuidado, demonstrou concordar com as estimativas de túnel de vento de CdA para bem dentro de 1%. Uma breve apresentação em vídeo sobre o método pode ser encontrada a partir da marca das 28:00 aqui . Um pequeno vídeo do método em uso em um velódromo pode ser encontrado aqui

R. Chung
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Eu imaginei que essa fosse uma resposta de R.Chung pela linha 2 ....
Criggie
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Você acabou de ser mencionado em um programa da GCN youtube.com/watch?v=mJrzRDqQ5vQ em cerca de 14 minutos e 25 segundos.
Criggie
Aparentemente, essa menção foi suficiente para matar o resto do show.
R. Chung
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Se você puder encontrar várias colinas longas de declive diferente, mas relativamente constante (e não muito íngreme), determine a inclinação e a velocidade terminal em cada colina (supondo que a velocidade esteja abaixo de uma velocidade segura), você deve fazer as contas determinar o arrasto aerodinâmico (trabalhando na suposição razoavelmente válida de que a resistência ao rolamento é desprezível em velocidades mais altas).

Ou, com uma observação cuidadosa, você pode determinar com que rapidez desacelera em uma estrada nivelada.

Daniel R Hicks
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Pode-se também, usando uma corda longa (para evitar efeitos de "desenho"), rebocar a bicicleta e o ciclista a uma velocidade constante em terreno plano, com uma escala de mola entre a corda e o ciclo para medir a força aplicada (o que equivale a arrasto). Um pouco perigoso, mas provavelmente não incrivelmente inseguro, se forem tomadas precauções razoáveis ​​(incluindo uma maneira rápida / fácil para o ciclista soltar o cabo de reboque).
Daniel R Hicks
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O método do "cabo de reboque" é discutido em Debraux et al. artigo vinculado em outro lugar. Não tem boa precisão. O método de desaceleração funciona bem se você tiver uma maneira de registrar a velocidade momento a momento, como em um dos computadores de bicicleta Garmin cada vez mais populares. Um método para fazer isso é discutido em forum.slowtwitch.com/cgi-bin/gforum.cgi?post=3590389#3590389 e, quando feito em um dia calmo, sem passar carros ou outro tráfego, produziu resultados de acordo com o vento estimativas de túneis.
R. Chung
Sim, o método de desaceleração funcionaria bem com um GPS preciso ou outro registrador de tempo / posição. E pode-se combiná-lo com o reboque para atingir as velocidades mais altas que normalmente (com um ciclista não-sobre-humano) exigiriam uma descida. WRT, a técnica básica do cabo de reboque (com medidor de força) Suspeito que a parte mais difícil seja medir a força com precisão, e provavelmente algumas técnicas modernas de processamento de sinal eletrônico poderiam ser aplicadas para ajudar nisso.
Daniel R Hicks
Eu compro esta explicação! +1 (especialmente considerando que o arrasto é, na prática, independente do poder).
heltonbiker
Heltonbiker, o problema é que a velocidade terminal não apenas tem baixa precisão, mas também fornece uma classificação ordinal para comparações (ou seja, nas melhores condições, você pode dizer que A tem um arrasto menor que B, mas não em quanto), o que significa que você não obter uma estimativa de CdA. Da mesma forma, as pessoas tentaram a distância de lançamento. A modelagem momento a momento funciona muito melhor.
R. Chung
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Jan Heine e equipe da Bicycle Quarterly relataram recentemente os resultados de suas pesquisas em túneis de vento. Um resumo está disponível online , mas os resultados completos estão disponíveis apenas no diário impresso.

keithmo
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Infelizmente, esse artigo se concentra apenas em um componente de resistência que os ciclistas experimentam (a saber, resistência aerodinâmica) e responde à pergunta "como se pode estimar a resistência?" com "em um túnel de vento".
R. Chung
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Oh garoto. Aerodinâmica em uma bicicleta. Quero mostrar uma foto do fundo de um triatleta enquanto ele caminha ao lado de sua bicicleta. Exceto que não consigo encontrá-lo.

Ok, como é isso para uma analogia então. Encontre um tijolo. Encontre um lápis. Coloque o lápis na ponta e prenda com fita adesiva o tijolo. Coloque essa engenhoca em um túnel de vento. Meça o arrasto desta engenhoca.

Agora, tire o lápis. Meça o arrasto novamente.

Você é o tijolo. O lápis é sua bicicleta.

Na próxima vez em que for tentado a gastar dinheiro em peças de bicicleta para reduzir o atrito nessa operação, pense cuidadosamente nessa analogia. Especialmente considerando que se constatou que as rugas da sua camisa contribuem mais para a resistência aerodinâmica do que as barras aerodinâmicas e o capacete aerodinâmico combinados .

Em outras palavras, seu dinheiro é melhor gasto em uma roupa de pele ou protetor solar. E protetor solar tem menos resistência.

Ernie
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Na verdade, um skinsuit bem ajustado tem menos resistência do que protetor solar sobre a pele nua. Sabemos disso porque medimos o atrito dos ciclistas com os braços nus e os braços cobertos, e com shorts que cobrem cada vez menos a coxa. A pele acaba sendo mais rápida do que roupas folgadas, mas não tão rápida quanto o macacão certo.
R. Chung
Bem, eu vou ser amaldiçoado.
Ernie
Obviamente, isso requer que o skinsuit se encaixe exatamente . :)
Ernie
É meio surpreendente o que se aprende quando se pode realmente medir o arrasto. Acontece que o globo ocular é bom para detectar grandes mudanças no arrasto, mas não tão bom para distinguir entre pequenas mudanças - e se você correr, mesmo pequenas mudanças podem ser conseqüentes. Uma coisa semelhante foi encontrada para os trajes de banho olímpicos: eles são mais rápidos do que nadar nu.
R. Chung
Seja como for, o arrasto induzido pela pessoa na bicicleta é muitas vezes maior que o arrasto induzido pela própria bicicleta - mesmo nos piores exemplos possíveis de aerodinâmica da bicicleta. Qual foi o meu ponto. Faça o seu próprio auto-aerodinâmico antes de gastar muito dinheiro fazendo o mesmo com a bicicleta. Um setor inteiro prospera com essa falta de entendimento.
Ernie