Теоритические основы велосипедной физики и антропометрии

Тактика и стратегия управления велосипедом
Ответить
Аватара пользователя
kaminari
Гуру
Сообщения: 984
Зарегистрирован: 11 май 2012, 23:19
Велосипед: Argon 18 Ga Pro | Eastway Zener | Zaskar Expert
Откуда: Буревестник

Теоритические основы велосипедной физики и антропометрии

Сообщение kaminari » 31 май 2013, 22:20

Время велосипедного матана :) В целом, речь пойдет об элементарных вещах (с точки зрения опытного велосипедиста). Так что всякие корифеи могут и не читать :)

В этой теме я решила написать о некоторых физических основах велосипедного спорта и их связи с антропометрией человека. Написано все на основе этой статьи.

Поначалу, я думала попросту перевести её, как есть. Но вот какое дело. Статья написана, как и всякая другая публикация для научных журналов, по унылому и сухому шаблону. Лично мне (многие наверняка разделят мои сантименты) ужасно осточертели такие статьи при написании курсовых и дипломных работ. Так что просто возьмем самое интересное и информативное. Ну а кому будет интересно, прочитают оригинал полностью :)

Написала я это не из соображений какого-то практического применения, а скорее для общего развития. Вокруг этой темы у меня частенько возникали споры с моими друзьями, вот и захотелось для них расставить все точки над ё и отмахиваться потом коротким RTFM :D

Что касается широкой публики… Нижеизложенный материал поможет, например, любителям велоспорта лучше понимать тактику команд и динамику гонки. Да и людям, только начавшим кататься на велосипеде, будет полезно примерно представлять, с чем они имеют дело, когда крутят педали.

Итак, закончим с предисловием и приступим к делу.

При езде на велосипеде, нам приходится преодолевать три основные силы: сопротивление качению, сопротивление воздуха и силу тяжести. Физики-механики до нас уже занимались этим вопросом и вывели следующее уравнение:
W = krMs + kaAs(v^2) + giMs

W – мощность;
kr – сопротивление качению;
M – суммарная масса велосипедиста и велосипеда;
s – скорость велосипеда на дороге;
ka – коэффициент сопротивления воздуха;
A – суммарная площадь поверхности велосипедиста и велосипеда;
v – скорость велосипеда при ветре;
g – ускорение свободного падения;
i – уклон дороги.

Три составляющие правой части уравнения соответствуют перечисленным выше силам.
Для колес шоссейного велосипеда с узкими шинами и высоким давлением, сопротивление качению незначительно. Так что про него рассказывать не будем, сами там ищите про накат шин и всякое такое.

Сопротивление воздуха возрастает пропорционально скорости в кубе. То есть, чем быстрее едем, тем большую роль играет аэродинамическая составляющая. Для увеличения скорости требуется не равномерное, а экспоненциальное увеличение мощности.

При подъеме к нашим страданиям прибавляется преодоление силы тяжести. Поскольку силы у человека не безграничны, скорость передвижения будет падать с увеличением градиента.

При командной гонке гонщики идут в составе пелотона. В такой формации только те, кто впереди, в полной мере ощущают на себе силу сопротивления воздуха, тогда как гонщики за ними будут тратить гораздо меньше усилий на поддержание темпа. Для нубов, - это называется сидеть на колесе :)

На низких скоростях (около 16 км/ч), сопротивление воздуха перестает играть решающую роль, а значит и висеть на колесе уже не так выгодно. На подъемах, резкое снижение скорости вносит изменения в динамику гонки и приводит к разрыву пелотона. Гонщики с более высокой аэробной способностью вырываются вперед. Интересный факт, - маленькие велосипедисты обычно имеют преимущество на подъемах, тогда как более крупные спортсмены хороши в одиночных отрывах на равнине. Почему же так происходит?

Исходя из антропометрии человека, масса тела возрастает в кубической пропорции к росту, тогда как площадь поверхности - в квадратной. Это означает, что хотя у более крупных спортсменов бо́льшая фронтальная поверхность, которую надо протолкнуть сквозь воздух, чем у мелкого спортсмена, их преимущество в массе (а значит и способности выдавать мощность) гораздо больше. (Да, не забывайте, что говорим мы о спортсменах, а не жиробрасах. Ну, то есть о ребятах из одних мышц и костей, с минимальным жировым процентом.) Другими словами, у крупных спортсменов более высокое соотношение мощности к фронтальной площади, что дает им преимущество в преодолении сопротивления воздуха. Это преимущество мы хорошо можем наблюдать на гонках с раздельным стартом. Брэдли Виггинс, Мигель Индурайн и прочие мастера разделки в подавляющем своем большинстве довольно высокие ребята.

На крутых подъемах скорость падает драматически, силой сопротивления воздуха можно пренебречь. Всем гонщикам приходится тратить одинаковое количество усилий пропорциональных их весу. Небольшие спортсмены удачно справляются с восхождением, потому что в общем случае у них бо́льшая относительная аэробная способность (VO2 max, максимальное потребление кислорода, в мл/мин*кг), чем у крупных ребят. В целом, это тоже особенность, так скажем, пропорциональной геометрии. Относительно массы тела, менее крупные организмы имеют бо́льшую альвеолярную и капиллярную поверхности легких, бо́льшую капиллярную поверхность мышц и бо́льшую перекрестную область артерий для прокачки крови. Исследования среди спортсменов элитного уровня из разных видов циклического спорта, в том числе и велосипедного, показали, что, например, максимальное потребление кислорода у спортсмена 60 кг будет составлять 80 мл/мин*кг, тогда как у эквивалентно натренированного спортсмена 100 кг это значение будет всего 68 мл/мин*кг. Так что в забеге на марафонские дистанции или при педалировании в гору на элитном уровне преимущество оказывается на стороне небольших спортсменов. Тот же Марко Пантани, легендарный горняк, весил каких-то 55 кг. Поэтому сушка перед турами дело довольно обычное. Брэдли Виггинс во время своей трековой карьеры весил 85 кг, а придя в шоссейный велоспорт, значительно усох. Даже при таких феноменальных кардио-нагрузках, беднягам приходится сидеть на строгой диете, чтобы не хватануть лишка и не отставать потом в горах.

На спуске к собственной мощности спортсмена добавляется гравитационная составляющая. При пассивном спуске (без педалирования) скорость будет определяться балансом сопротивления воздуха и силы тяжести. С ускорением растет s(v^2). Как только kaAs(v^2) (плюс та незначительная часть, что связана с сопротивлением качения) сравняется с giMs, велосипедист достигнет конечной скорости. Дальнейшее наращивание скорости возможно только вращая педали. На крутых спусках конечная скорость может достигать 70 км/ч. Соответственно и сопротивление воздуха будет огромно. Так что, даже вкручивая на полную, мы получим небольшой прирост скорости.

Конечную скорость можно определить, приняв мощность за 0. Предположим, что у нас полный штиль (то есть s=v), тогда получается следующее равенство:
kaA(s^3) = -giMs
s=√(-giM)/(kaA)

Таким образом, конечная скорость, грубо говоря, пропорциональна квадратному корню соотношения M/A, то есть массы к площади поверхности. У крупных велосипедистов это соотношение будет гораздо значительней. Так что и на спуске они будут быстрее в силу чисто физических, а не физиологических, законов. За счет бо́льшей массы они получают бо́льшее преимущество от силы тяжести. (Есть такая распространенная ошибка думать, что раз у двух разных по форме объектов во время свободного падения равное ускорение, то и сила будет одинаковая. Однако, вспоминаем школьный курс физики: сила равна массе на ускорение.) Хотя у крупных спортсменов бо́льшая фронтальная площадь поверхности, чем у мелких гонщиков, их преимущество в массе еще больше (как было сказано выше). Крупный велосипедист достигнет бо́льшей s^3, прежде чем установится равновесие сил.

Можно было бы предположить, что на трассах с равными по протяженности спусками и подъемами преимущества каждого типа спортсменов будут компенсироваться. Но это не так. Подъемы получаются затяжными, и горняки могут отыграть более значительное преимущество по времени, чем крупные спортсмены на спусках. Так что в общем случае, чистые горняки имеют больше шансов в генеральной классификации, нежели чистые спринтеры.

Tl;dr – мелким и легким хорошо идти в гору, но под гору спускаются они медленней, чем крупные и мускулистые. И на равнине с трассы выдувает только так. Крупные ребята потенциально хороши в спринтах, скоростных спусках, обладают приличным индивидуальным ходом. Но на затяжных подъемах чувствуют себя хуже. А толстым плохо быть всегда :lol:
Garmin Connect | Strava
苦痛は一瞬, 勝利は永遠.

Аватара пользователя
Павлов
Багио
Сообщения: 3937
Зарегистрирован: 22 янв 2007, 11:19
Велосипед: Карбонайнер, Marathon
Откуда: Томск,ТАКТ
Контактная информация:

Re: Теоритические основы велосипедной физики и антропометрии

Сообщение Павлов » 31 май 2013, 23:04

:shock:
Осилил, интересно. Пишите ещё!
и не лень же было расставлять ударения, ресайзить буквы и вставлять спецсимволы...
...жить километрами, а не квадратными метрами!..

Аватара пользователя
chas
Корифей
Сообщения: 492
Зарегистрирован: 17 май 2008, 18:13
Велосипед: в разработке!
Откуда: Томск конечно"же. 3микр.
Контактная информация:

Re: Теоритические основы велосипедной физики и антропометрии

Сообщение chas » 13 мар 2014, 14:05

Интересно, увидел и свое заблуждение!!
Изображение

Аватара пользователя
Timka
Заглянувший
Сообщения: 8
Зарегистрирован: 30 июн 2014, 18:34
Велосипед: мечтает о дальних веселых походах
Откуда: Шира, Хакасия

Re: Теоритические основы велосипедной физики и антропометрии

Сообщение Timka » 04 июл 2014, 16:56

А толстым плохо быть всегда...улыбнуло)) Спасибо за статью)

Mezeq
Заглянувший
Сообщения: 18
Зарегистрирован: 27 июн 2014, 12:08
Велосипед: на приколе, входу koloběžka. Еду на Yedoo.
Откуда: Северск

Re: Теоритические основы велосипедной физики и антропометрии

Сообщение Mezeq » 04 июл 2014, 17:30

Пока толстый сохнет, худой сдохнет!
(народная мудрость :lol: )

Аватара пользователя
arvik
Маленький добрый эльф
Сообщения: 1293
Зарегистрирован: 15 мар 2006, 19:48
Велосипед: On One MTB Tour custom '2013
Откуда: Томск
Контактная информация:

Re: Теоритические основы велосипедной физики и антропометрии

Сообщение arvik » 22 окт 2014, 17:33

Спасибо за пост, давно тут не был и прям приятно было почитать.

Как типичный представитель крупных ребят, могу уверенно сказать, что магия земли сильнее магии воздуха.
И в гору тащить тушу не только очень тяжело, но и критично для коленных суставов - как тут каденс ни подстраивай.
Зато на спусках я непобедим. Теоретически.
Это сон. Только сон...

Аватара пользователя
Blum
Понимающий
Сообщения: 141
Зарегистрирован: 05 окт 2009, 16:48
Велосипед: Rock Machine Thunder 2007
Откуда: Красноярский край

Re: Теоритические основы велосипедной физики и антропометрии

Сообщение Blum » 09 дек 2014, 21:40

Хорошая статья, понравилась. Сделал вывод, что при спуске с горы всё равно, кто ты- спортсмен или жиробас:)

Ответить

Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и 1 гость