Debates acalorados sobre a importância relativa da redução de peso e da otimização dos pneus e da aerodinâmica são comuns no ciclismo. Ao calcular os requisitos de potência para mover uma bicicleta e um piloto, pode-se avaliar os custos relativos de energia da resistência do ar, resistência ao rolamento, resistência à inclinação e aceleração.
Existem equações bem conhecidas que fornecem a potência necessária para superar as várias resistências principalmente em função da velocidade:
Diagrama de componentes de potência parciais vs velocidade usando valores típicos
A força de resistência ao ar é inicialmente muito baixa e aumenta com o cubo da velocidade.
A força de resistência ao rolamento é maior no início, mas aumenta apenas suavemente.
Escalar um declive de 5% é visto como quase o mesmo que aceleração contínua com 0,5 m / s2.
Air dragEdit
A potência PD {\ displaystyle P_ {D}} necessária para superar a resistência ou arrasto do ar é:
PD = 1 2 ρ vr 3 CDA {\ displaystyle P_ {D} \, = {\ tfrac {1} {2}} \, \ rho \, v_ {r} ^ {3} \, C_ {D} \, A} no ar parado, ou PD = 1 2 ρ va 2 vr CDA {\ displaystyle P_ {D} \, = {\ tfrac {1} {2}} \, \ rho \ , v_ {a} ^ {2} \, v_ {r} \, C_ {D} \, A} em um vento contrário,
onde
ρ {\ displaystyle \ rho} é a densidade do ar, que é cerca de 1,225 kg / m ^ 3 ao nível do mar e 15 graus C. vr {\ displaystyle v_ {r}} é a velocidade em relação à estrada, va {\ displaystyle v_ {a}} é o vento contrário aparente e CDA {\ displaystyle C_ {D} \, A} é uma área característica vezes seu coeficiente de arrasto associado.
O conceito de vento aparente só é diretamente aplicável aqui se vier de um vento contrário ou de cauda. Então v a {\ displaystyle v_ {a}} é a soma escalar de v r {\ displaystyle v_ {r}} e o vento contrário ou a diferença entre v r {\ displaystyle v_ {r}} e o vento traseiro. Se esta diferença for negativa, P D {\ displaystyle P_ {D}} deve ser considerado como assistência ao invés de resistência. Se, entretanto, o vento tem um componente lateral, o vento aparente deve ser calculado com uma soma vetorial e, especialmente se a bicicleta for aerodinâmica, o cálculo das forças laterais e de arrasto torna-se mais complexo; um tratamento adequado envolve considerar as forças nas superfícies como as forças nas velas.
O coeficiente de arrasto depende da forma do objeto e do número de Reynolds, que por sua vez depende de va {\ displaystyle v_ {a }} No entanto, se A {\ displaystyle A} é a área da seção transversal, CD {\ displaystyle C_ {D}} pode ser aproximadamente igual a 1 para as velocidades normais de ciclismo de um ciclista em uma bicicleta vertical.
Rolling ResistenceEdit
A potência PR {\ displaystyle P_ {R}} para superar as resistências de rolamento dos pneus é dada por:
PR = vrmg cos (arctan s) C rr ≈ vrmg C rr {\ displaystyle P_ {R} = v_ {r} \, mg \ cos (\ arctan s) C_ {rr} \ approx v_ {r} mgC_ {rr}}
onde g é a gravidade, nominalmente 9,8 m / s ^ 2 e m é a massa (kg). A aproximação pode ser usada com todos os coeficientes normais de resistência ao rolamento C rr {\ displaystyle C_ {rr}}. Normalmente, assume-se que seja independente de vr {\ displaystyle v_ {r} } (velocidade da bicicleta na estrada), embora seja reconhecido que aumenta com a velocidade. As medições em um mecanismo de rolo fornecem coeficientes de baixa velocidade de 0,003 a 0,006 para uma variedade de pneus inflados em suas pressões máximas recomendadas, aumentando cerca de 50 % a 10 m / s.
PowerEdit de escalada
O poder de escalada vertical PS {\ displaystyle P_ {S}} na encosta s {\ displaystyle s} é dado por
PS = vrmg sin (arctan s) ≈ vrmgs {\ displaystyle P_ {S} = v_ {r} mg \ sin (\ arctan s) \ approx v_ {r} mgs}.
Esta aproximação se aproxima da solução real para notas pequenas, ou seja, notas normais. Para encostas extremamente íngremes, como 0,35, a aproximação dá uma superestimativa de cerca de 6%.
Como essa força é usada para aumentar a energia potencial da bicicleta e do piloto, ela é retornada como força motriz ao descer uma colina e não perdido a menos que o ciclista freie ou viaje mais rápido do que o desejado.
Potência para edição de aceleração
A potência PA {\ displaystyle P_ {A}} para acelerar a bicicleta e o ciclista tendo massa total m com aceleração ae rotacionalmente também as rodas com massa mw {\ displaystyle m_ {w}} é:
PA ≈ vr (m + mw) a {\ displaystyle P_ {A} \ approx v_ {r} (m + m_ {w}) a}
A aproximação é válida se mw {\ displaystyle m_ {w}} é assumido como concentrado nas jantes e pneus e estes não estão escorregando. A massa de tais rodas pode, portanto, ser contada duas vezes para este cálculo, independente dos tamanhos das rodas.
Como esta potência é usada para aumentar a energia cinética da bicicleta e do piloto, ela é retornada ao desacelerar e não perdido a menos que o piloto freie ou viaje mais rápido do que o desejado.
Potência total
P = (PD + PR + PS + PA) / η {\ displaystyle P \, = (P_ {D} \ , + P_ {R} \, + P_ {S} \, + P_ {A} \,) / \ eta \,}
onde η {\ displaystyle \ eta \,} é a eficiência mecânica do trem de força descrito no início deste artigo.
Dada esta equação simplificada, pode-se calcular alguns valores de interesse. Por exemplo, supondo que não haja vento, obtém-se os seguintes resultados para a potência fornecida aos pedais (watts):
Giro d “Italia
Tour de France
- Tourmalet = 7%
- Galibier = 7,5%
- Alpe D “Huez = 8,6%
- Mont Ventoux = 7,1%.