Ako vplýva aerodynamika a váha na náš výkon

Ďalšou témou, ktorou sa budeme zaoberať nesúvisí priamo s tréningom ale má k výkonnostnej aj hobby cyklistike veľmi blízko. Veď koho z nás nezaujíma, či keď schudnem 5kg alebo kúpim časovku budem na kopci rýchlejší? Ono to však neni tak jednoduché ako sa na prvý pohľad zdá. Pozrime sa teda na fyzikálne modely pre rôzne podmienky výkonu a lepšie pochopme závislosti medzi nimi.

Kým sa však pustíme do nejakých analýz skúsme si vysvetliť všeobecne, čo všetko vplýva na náš výkon alebo rýchlosť čisto z pohľadu externých závislostí.

Celková sila odporu, ktorá nás spomaľuje je v jednoduchosti ovplyvnená:

  • Gravitáciou

  • Valivým odporom

  • Aerodynamickým odporom

Pod gravitáciou si predstavme najmä našu celkovú váhu (kg), sklon (%) a gravitačnú silu.


Pod valivým odporom si predstavme najmä trenie medzi naším plášťom kolesa a povrchom po ktorom jazdíme. Na tento odpor má vplyv najmä: celková váha (kg), kvalita povrchu a kvalita plášťa (Crr).


Pod aerodynamický odporom si predstavme ako veľmi nás odpor vzduchu brzdí pri pohybe vpred. Generovanie veľkosti tohto odporu môžeme zvaliť najmä na: rýchlosť pohybu (m/s), koeficient odporu vzduchu (CdA) a hustoty vzduchu (kg/m3). Samotná hustota vzduchu je závislá najmä na teplote a tlaku vzduchu.



Ako vidíme tak výpočet výkonu potrebného na pohyb vpred je komplexný. Ak by si mal niekto záujem vypočítať konkrétne čísla pre svoje potreby uvádzam vzorec, ale dnes už sú na webe dostupné všelijaké malé apky, ktoré vám nasimulujú výkon podľa vašich parametrov – napr. bikecalculator.com

Váha verzus kopec

Začnime jednoduchším modelom dopadu našej váhy na výkon potrebný k pohybu pre vybraný sklon (%) v danej rýchlosti. V grafe uvedenom nižšie nájdeme rôzne typy kopcov a jazdcov s váhou 60 až 90kg + váhou biku 8kg. V realite je predpoklad, že vyšší a ťažší jazdec má aj vyšší aero odpor (Cda). Pre tento model sme si však zvolili rovnaký koeficient CdA=0,34 , t.j. taký lepší štandard na cestom bicykli.



Z grafu vieme vyčítať, že:

  • Rozdiel vo výkone na rovine, je minimálny – medzi 60kg a 90kg jazdcom je len 15W. S prihliadnutím nato, že ťažší jazdci majú štandardne vyšší čistý výkon (W) to bude jednoznačne ľahšia intenzita pre 90kg jazdca.

Ako príklad si uveďme jazdca 60kg s FTP 5W/kg (300W) a 90kg s FTP 4W/kg (360W). Je medzi nimi celkom zjavný rozdiel v metrike W/kg. Ak by títo dvaja stáli vedľa seba asi by veľa ľudí predpokladalo (aj podľa W/kg), že ten 60kg jazdec bude aj na rovinkách viac konkurencie schopný. Pozrime sa ale na ich čisté FTP W. Pre rýchlosť uvedenú v grafe 33km/h sa bude 60kg jazdec pohybovať už v zóne Z3 (tempo), naopak 90kg jazdec si pôjde pohodovejšie Z2 zónu (základná vytrvalosť). Ak to jednoducho zhrnieme, môžeme povedať, že pre rovinky treba jednoznačne sledovať čisté W a nie W/kg. Takmer môžeme povedať, že potrebný výkon W pre zvolenú rýchlosť na rovine je minimálne závislý na váhe jazdca. Pozor – toto tvrdenie neplatí pre lepší aero odpor! K tomuto sa ešte vrátime nižšie.

  • Rozdiel výkonu W v kopci ja priamo závislý na váhe za predpokladu rovnakého CdA. Toto je nám zjavné asi všetkým, ale keď sa začneme hrať s optimalizáciou CdA, je to už iná báseň.

Pozrime sa opäť na tých 2 jazdcov, ktorých sme spomínali vyššie. Zaujímavé môže byť pri akom sklone začne 60kg jazdec ťažiť zo svojej nižšej váhy? Ich rozdiel v thresholde (resp. FTP) je 60W. Keď sa pozrieme do grafu, tak to bude niekde tesne nad 2%.

Možno zaujímavejší pohľad bude na menší váhový rozdiel. Klasické hobby teórie na zvýšenie rýchlosti do kopca sa často opierajú o teórie typu: „Veď počkajte, keď dám dole moje zimnú váhu!“ Vo väčšine prípadov hovoríme 2 až 5kg.

Vezmime si teda jazdca s thresholdom 300W – zimná váha 80kg vs. letná váha 77kg. Predpokladajme, že schudnutím nestratí na thresholde ani 1W.

Pre sklon 2% je rozdiel 6W; 4% 8W; 8% 10W; 12% 10W. Ten rozdiel naozaj nie je veľký akoby sme si možno mysleli. Zaujímavé je najmä, že sa ten rast W spomaluje. Na toto nadviažeme viac do hĺbky hneď v nasledujúcom bode.

  • Rast rozdielu výkonu W (60 vs. 90kg) medzi jednotlivými sklonmi sa spomaľuje. Najvačší rozdiel je pre prechod z roviny do kopca. Je to najmä spôsobené tým, že pre jednotlivé sklony sme si vybrali rôzne rýchlosti jazdy pre ľahšie porovnanie s realitou. Tzn. strmší kopec ideme naozaj pomalšie keďže sme všetci limitovaní nejakým max výkonom.

Uveďme si pre lepšiu predstavu tento rozdiel aj v čase na konkrétnu vzdialenosť. Kopec 5km pôjdeme rovnakým výkonom ale o 3kg ľahší.

Pre sklon 4% ušetríme 18sec; 8% 36sec; 12% 1min. Ak sa teda pozrieme na čas, ten rozdiel rastie rýchlejše a pre tvrdšie sklony začína byť zaujímavý. 1min na 5km 12% už nie je málo. Na druhej strane sme šli kopec 30min a asi sme niektorí čakali viac - schudnúť tie 3kg nebola vôbec brnkačka.

Na záver si týmto pokusom môžeme potvrdiť známe tvrdenie, že na rovine schudnutím získame takmer zanedbateľnú výhodu – t.j. na 5km rovine (rozdiel 3kg) sa bavíme len o 1 sec z celkového času 8,5min pri 33km/h!


Aerodynamika verzus kopec

Nadviažeme na predošlí odstavec a do kotla prihodíme ďalšiu premennú – CdA, aero odpor. Veci sa začínajú výrazne komplikovať. Otvárame ďalšiu otázku či teda ísť smerom aero? Pre jednoduchšiu predstavu sa z váhou už nebudeme toľko hrať a budeme porovnávať tú istú osobu voči rôznym CdA a sklonom terénu. Samozrejme pre najlepšie CdA musíme použiť TT bike, t.j. prihodíme 1 kilečko.

Nižšie budeme pracovať v rozmedzí CdA od 0,2 po 0,4, t.j. časkovkársky špeciál vs. non aero bike vrátane posedu jazdca. Pre lepšiu predstavu, taký lepší štandard pre posed na cestnom biku s aero prvkami je okolo 0,3 až 0,35.

Ďalšími dôležitými veličinami ovplyvňujúcich potrebný výkon pre danú rýchlosť sú aj samotná teplota ,tlak vzduchu a rýchlosť vetra. Čím vyššia teplota tým je menší odpor vzduchu, tzn. vyššia rýchlosť. Pre náš model sme si zvolili bezvetrie, 15C a tlak 1018hPa.



Z grafu vieme vyčítať, že:

  • TT bike/posed dominuje jednoznačne na rovine

V extrémoch hodnôt CdA sa dostávame na neuveriteľný rozdiel 147W medzi aero a non-aero CdA. Niet pochýb o tom, aký ma vplyv aerodynamika na jazdu na rovine. Treba však myslieť na to, že rozdiel vo výkone W je tak isto závislý aj na rýchlosti jazdy. Čím pojdeme rýchlejšie tým viac W ušetríme. Konkrétny príklad v grafe je uvedený v rýchlosti 38km/h, ktorú by sme mali aj my hobby cyklisti zvládnuť, na TT špeciály.

Rozdiel medzi lepším štandardom CdA na klasickom cestnom bike a horšom TT je stále okolo 40W. Tzn. jazdec, ktorý dokáže podať o 40W lepší výkon ako jeho konkurent na TT by sa mu mal na rovine vyrovnať. Samozrejme za predpokladu, že mierne popracoval no svojom aero posede.

  • TT bike/posed dominuje aj na miernych sklonoch, kde jazdec ešte dokáže jazdiť v náročnejšom aero posede

Koeficient odporu vzduchu CdA je závislý jednak na odpore, ktorý generujeme telom a zvyšok komponentov – bike, riadítka, kolesa, atd. Nebudeme sa venovať do podrobna, ktorý komponent má aký vplyv na konečné CdA ale povedzme si fakt, že jednoznačne najväčším prispievateľom na CdA je človek a jeho posed. Zo skúsenosti môžeme povedať, že v kopci je produkcia výkonu v aero posede veľmi náročná. Od určitých sklonov túto pozíciu opúšťame, čím sa dostaneme s CdA blízko úrovne cestného biku.

Graf nám poukazuje na skutočnosť, že akonáhle prestaneme byť schopný držať aero pozíciu strácame výhodu, ktorú nám TT bike umožnil.

Z modelu je zaujímavé vidieť, že ešte na kopci typu Pezinská Baba (5km 4%), je stále TT bike rýchlejší za predpokladu, že vieme produkovať výkon v aero pozícii na sklonoch okolo 4%.

  • Výkon W v strmších kopcoch prestáva byť závislý na CdA

Niekde za úrovňou 5-6% prestáva byť efektívejšia aj aero pozícia s TT bikom, ktorý má o 1kg väčšiu váhu. Táto skutočnosť vyplýva s fyzických zákonov, ktoré sú aplikované vo vzorzi vyžšie a vieme si z neho zjednodušene odvodiť nasledovné tvrdenia

  • čím väčší sklon, tým viac vplýva na výkon celková váha

  • väčší sklon znamená nižšia rýchlosť a tým je výkon menej závislí na hodnote CdA


Na záver asi vieme povedať, že rýchlosť pre daný výkon môže byť pre rôzne situácie diametrálne odlišná. Predikcia potrebného výkonu je komplexná a malý detail v množstve premenných môže byť rozhodujúci.

Ak budete mať záujem pomôcť s namodelovaním konkrétnych situácií neváhajte sa mi ozvať, rád vám pomôžem.


Nezabudnite ma sledovať aj na twitteri @WattBazooka.

0 comments

Recent Posts

See All

Potočná 1645/9C - 900 41

Rovinka / Bratislava

​IČO: 50 646 168

©2019 by Tri 2 Fly team