Улучшение аэродинамической формы велосипеда

Ще одна цікава стаття з сайту diginfo.ru за авторством Вадима Нікітіна. 

  Улучшение аэродинамической формы велосипеда

Внешний вид велосипеда принципиально не изменился за 100 лет. В отличие от самолетов, автомобилей, мотоциклов. Может быть так и надо? 

Вопрос на самом деле без подвоха, я действительно не могу дать уверенный ответ. Первые велосипеды, автомобили, аэропланы, мотоциклы были чем-то похожи друг на друга, а еще больше на этажерку на колесах, или на карету. Довольно быстро аэропланы

приняли обтекаемую форму, с середины 20-го века тоже самое произошло автомобилями и мотоциклами.ancient_bikes Сейчас это происходит с вариантами велосипеда: лигерадами (лежачими велосипедами) и веломобилями. А на собственно велосипедах даже не появляется очевидного улучшения обтекаемости в виде «хвоста» сзади и экрана-обтекателя спереди.Ligerad_Aero Такие обтекатели не ухудшили бы боковую парусность, то есть, с точки зрения техники безопасности ничто не мешает ввести такие обтекатели в традиционный элемент велосипеда (как это имеет место во всяких вариантах мотоцикла). sockedsСсылки на запреты использовать обтекатели в гонках по шоссе вряд ли могут быть объяснением, поскольку есть целый класс велосипедов МТБ, который появился несмотря на всякие запреты. Может быть принципиально улучшать аэродинамику велосипеда просто не целесообразно?

Po_2Что-то в этом есть. Обтекаемые формы самолетов появились не сразу. Достаточно вспомнить легендарный У-2 («Небесный тихоход»). Чем-то похож на велосипед 🙂 Скорости полета чуть больше 100 км/ч. Обтекаемость у самолетов появилась, когда скорости стали в разы больше 100 км/ч. Old_carАвтомобили, когда ездили со скоростями менее 50 км/ч, тоже не особо блистали обязательными сейчас формами. Интересно отметить, что в середине 20 века была как бы мода на обтекаемость, видимо не на пустом месте, но потом она прошла. Видимо не оправдала ожиданий.Motocikl

Вернемся к скоростям велосипеда «обычного». Это крейсерская скорость 30 км/ч. Но сначала рассмотрим скорости еще ниже. Скорость идущего человека 5 км/ч. Нужна ли аэродинамика на таких скоростях?Dolphin Конечно нет, иначе бы природа позаботилась бы об обтекаемой форме человека. Как у дельфинов, например. Да и сам человек, как только погружается в воду, то быстро принимает обтекаемую форму, чуть ли не на уровне инстинктов. То есть, для идущего человека аэродинамикой можно пренебречь. Теперь рассмотрим бегущего человека, для начала с «неспринтерской» скоростью 10-12 км/ч. Что-то не заметно, чтобы бегун хоть как-то стремился принять обтекаемую форму, хотя бы нагнул корпус вперед.Bolt Теперь рассмотрим рекордсмена мира, У. Болта (Usain Bolt). На 100 метровке 37.6 км/ч (100 метров за 9.58 сек), вполне велосипедные скорости. И тоже, несмотря на рекорд, никакой попытки принять обтекаемую форму. Настораживает. В сети тиражируется статья от 2013 года, в которой ученые на основе скоростной видеосъемки определили расходы энергии и затраты на сопротивление воздуха. Цифры получили как и для велосипеда, Болт боролся с воздухом. Но при этом, мало того, что ему насчитали коэфф. аэросопротивления больше, чем у среднего человека, так еще борьбы этой все-таки не видно.

 

Рассмотрю, казалось бы очевидный подход к улучшению аэродинамики велосипеда при помощи обтекателей. Берем данные по механизмам аэросопротивления. Основная причина — турбулентность, поскольку именно это описывается затратами сил в соответствии с квадратичной зависимостью от скорости (или кубической для мощности). В сети мне больше всего понравилось компьютерное моделирование потоков компанией Swiss Side  для модели реального гонщика.Swiss_side1Swiss_side2Обычным дымом в трубе так хорошо турбулентность не обозначить. Хорошо видно, что главный источник турбулентного торможения это сам велосипедист, не спасает даже комбез и шлем-капля. Вылизывание обтекаемости самого велосипеда при этом мало что дает.  Streamlined-shape-400Лучшей из аэродинамических форм считается капля с длиной равной 4-м поперечным диаметрам. То есть, нужно просто накрыть зону турбулентности такой каплей и проблема решена.Aero_bike Действительно, такие эксперименты были и даже дали результаты, первые рекорды скорости (пока они не перешли к лежачим велосипедам).Various_Aero_BikesЕсть даже упрощенные варианты, в виде довольно комичных «мешков», которые со временем могут стать вовсе не смешными, а наоборот смешно будет без такого мешка 🙂Meshok Появляется проблема бокового сноса от проезжающей фуры, но можно чего-нибудь придумать при желании. Но подчеркну еще раз, желания этого не видно 🙂  По каким-то причинам даже подседельную сумку не делают в виде «профиля», можно было бы взять в готовом виде из обтекателя велосипеда в соревнованиях, которые проводятся параллельно speed-ski.eric_baron

Попробую теперь с другой стороны, учитывая, что скорости велосипеда находятся между бегущим человеком и старинным автомобилем, определить, действительно ли нужны принципиальные аэродинамические улучшения. Начну с часто приводимых рисунков с иллюстрацией коэфф. обтекания тел различной формы с выделением в качестве лучшей формы капли.aero_formsСразу бросается к глаза, что основное отличие формы-капли это отсутствие турбулентности в обтекающем потоке. Даже больше, возможно, что столь резкое отличие коэфф. сопротивления обусловлено как раз отсутствием турбулентности (точнее она сводится к пограничному слою, но это мы пока не будем рассматривать, как и специальную «турбулизацию» типа шарика для гольфа). На самом деле эта картинка хороша только как сравнение формы тел в условиях, когда одни тела образуют турбулентность больше, чем другие. При медленной скорости потока турбулентности может и не быть. На картинке показано обтекание формы типа шар (цилиндр) при разных скоростях потока.Laminar_ReОбратим внимание на первый случай: ламинарное обтекание шара. Очевидно, что если рядом расположить форму типа «капля», то она не даст меньшее сопротивление. Скорее даже бОльшее, поскольку ее поверхность больше, соответственно суммарное поверхностное трение будет больше. Далее есть еще три стадии образования турбулентных потоков до случая такой же «чистой турбулентности» как с велосипедистом при моделировании. Эти случаи различаются скоростью, или т.н. числом Рейнольдса, которое определяет взаимосвязь скорости и характерного размера тела с плотностью и вязкостью среды. К сожалению, не настолько все «гладко»  с этим числом, на картинках из разных источников, иллюстрирующих аэродинамическое обтекание значения чисел могут довольно сильно различаться.Cylinder_Re

Тем не менее, отметим порядок величин числа Рейнольдса при переходе от ламинарного обтекания к турбулентному (10^2 — 10^4), а так же крайний случай турбулентности на рисунках (3*10^4 — 10^6), когда обтекание, как ни странно, не сильно отличается от ламинарного.

turbul11_12Перейдем теперь от загадочных чисел Рейнольдса (Re) к велосипедным скоростям. Как уже отмечалось, основной вклад в аэродинамику дает велосипедист. Его характерный размер можно взять за 0.5 м. Тогда скорость 10 км/ч соответствует числу Re = 10^5, а скорость 50 км/ч соответствует 5*10^5. Вклад в аэродинамику от элементов рамы велосипеда, с характерным размером 0.05 м (5 см), соответственно в 10 раз меньше, Re от 10^4 до 5*10^4, и от перьев и прочих мелочей размером 1 см, еще в 5 раз меньше, Re от 2 000 до 10 000. Re_Velo

По значению чисел Рейнольдса видно, что о ламинарном течении воздуха можно забыть. Воздух это не та среда. В принципе ничего странного в этом нет. Представим себе надувной шарик, по которому ударяем рукой, чтобы он отлетел как можно дальше. Довольно быстро шарик замедлится и начнет медленно опускаться на пол. Это и есть ламинарное движение. Скорости предельно низкие по сравнению даже с движением руки. У дельфинов и рыб на самом деле тоже не все «гладко» с ламинарностью, но сейчас не будем об этом 🙂

 

Интересно другое. Диапазон чисел Рейнольдса для велосипедных скоростей и размеров показывает, что поток находится в переходном виде от «обычной» турбулентности до «плотносжатой», которая, если смотреть чуть издали на поток не особо отличается от ламинарного обтекания (внимание!) тела формы капли вместо шара. turbul12_air

Придется рассмотреть этот диапазон подробнее. Drag_sphere_nasa

При достижении Re = 10^3 (в случае велосипедиста с характерным размером 0.5 м это скорость 0.1 км/ч) коэфф. аэродинамического сопротивления не изменяется, а само сопротивление зависит от квадрата скорости. Завихрения за велосипедистом разлетаются во все стороны, возможно даже и вперед. При подходе к скорости 10 км/ч (на рисунке этот диапазон, соответствующий верхней строчке таблицы отмечен красным), зона турбулентности сжимается потоком и все больше похожа на каплевидный хвост. Далее турбулентность распространяется навстречу движению и в конце концов охватывает велосипедиста целиком, как бы отделяя его от потока «воздушной подушкой». Это соответствует резкому (в пять раз) уменьшению коэфф. сопротивления. Шероховатость поверхности  (на графике это красная пунктирная линия) способствует достижению этого эффекта на меньших скоростях движения, но потом сила сопротивления чуть больше, чем при гладкой поверхности. В рунете есть ссылка на пособие по аэродинамике с еще более наглядной картинкой, причем почти соответствующей нашему случаю, то есть уже в виде силы сопротивления для тела в воздухе (правда размером 0.25 м).

Rus_aero
Отмечу, что скорость «кризиса» в км/ч, как рассматривалась выше, будет в диапазоне 65-83 км/ч. Это слегка не совпадает с верхним графиком в «рейнольдсах», но тем не менее качественное совпадение есть, в верхнем графике шар диаметром 0.25 м тоже будет на велосипедных скоростях «слева от кризиса»

Думаю, что именно после такого падения сопротивления имеет смысл говорить о принципиальной пользе тела каплевидной формы. Насколько понимаю, с этого диапазона начинается аэродинамика самолетов, когда можно просчитывать профили крыла, подъемную силу, управление рулями оперения и элеронами. Но если скорость самолета вдруг резко снизится, все это перестает работать и он сваливается в штопор из которого сложно выйти, поскольку управление не работает, как и вся остальная аэродинамическая система. Как рассматривал выше, при таких скоростях, не зависимо от действительной формы тела, обтекание его происходит как каплевидного. Поэтому и падает  коэфф. сопротивления. Казалось бы все хорошо. Но это состояние не стабильно. При поворотах, изменении потока и т.п. «турбулентый хвостик» может оторваться от тела и его нужно будет нарабатывать снова. Если закрепить форму потока реальным каплевидным телом, обязательно сохраняя «турбулизацию», то есть «воздушную подушку» вокруг тела, то такая система будет стабильна к поворотам и всяким флуктуациям потока.

Вот еще картинка чуть более громоздкая, но тут есть сравнение с добавлением реального хвостика к сфере (то есть как бы переход к телу каплевидной формы). 9780071594547-f147-01

Зеленым отметил «перья» велосипеда (нижняя строчка таблицы), синим трубы рамы. Из рассуждений следует, что каплевидная форма на перьях не нужна (разве что для красоты), на раме в общем-то тоже, но не повредит. А для более крупных форм (отмечено красным), капля желательна. Первое, что приходит в голову — это шлем-капля. Это самое простое 🙂Причем обрабатывать он будет не всю форму велосипедиста, а только голову. А вот подседельная сумка в виде аэро-хвостика получается совсем не нужна.

 

Поскольку велосипед (да и бегун спринтер) работает в диапазоне скоростей где важна турбулизация (охват всей поверхности тонким турбулентным слоем), то нужно рассмотреть подробнее шероховатость поверхности. Наиболее ярко это применяется в мячиках для гольфа. И это единственный успех, который приходит в голову. В виде моды и экспериментов такое тиснение поверхности время от времени появляется в самых разных областях (например, в горных лыжах), но по-моему нигде пока не закрепилось. Как видно из графиков, шероховатость позволяет сдвинуть резкое падение аэросопротивления в сторону меньших скоростей. Golf_ball

Это — плюс. Но во всех остальных диапазонах — минус. При больших скоростях, когда турбулизация и так имеет место, шероховатость не нужна, даже вредит, поскольку не дает турбулентому слою стать тоньше. В общем, выступает как обычная шероховатая поверхность. Да и при низких скоростях, когда есть так же «обычная турбулентность», плохая поверхность тоже хуже. Тем не менее, поскольку скорости 10-50 км/ч соответствуют переходным режимам, сложно сказать наверняка, какая поверхность лучше, поэтому эксперименты идут вовсю. Вот, например шлем-капля для велосипеда. И аэроколеса. И даже фляга. For_TT_golf

В беге тоже есть попытки уделить внимание «тиснению». Видимо сложно принять, то, что У. Болт так быстро пробежал в обычной одежде, не будучи одет как инопланетянин или конькобежец 🙂Nike_Golf2

 

Собственно, вот и все вводные данные. Теперь остается рассмотреть, что с этой информацией можно сделать. Итак, с точки зрения аэродинамики велосипедист и велосипед сводятся к набору цилиндрических и шарообразных форм различной величины. Очевидно, что если можно без существенного увеличения поверхности и веса изменить часть форм на каплевидные, то это не вредно сделать. Не зависимо от того, какое это даст преимущество. Разумеется, если есть возможность снизить площадь лобового сопротивления, это тоже нужно делать, но в этой заметке речь не об этом, а об улучшении аэродинамической формы за счет дополнительных обтекателей или о специальном увеличении шероховатости поверхности. Для этого нужно понять, в каком диапазоне турбулентного обтекания мы находимся. И вот здесь, несмотря на подкрепленные цифрами рассуждения, приведенные выше, есть сильно настораживающие моменты, которые никак не согласуются с реальным опытом 🙁  Их всего два. Первый момент это резкое падение аэросопротивления при достижении некоторой скорости, которая к тому же является «водоразделом», при скоростях выше нужно уделять повышенное внимание каплевидным формам, а «тиснение» поверхности может сдвинуть этот водораздел в сторону низких скоростей. Второй момент это насколько все-таки существенна каплевидная форма при скоростях существенно ниже этой «водораздельной». По этим двум моментам у меня нет ясности, поэтому четких выводов даже для себя сделать не могу.

Начну с первого момента. Понижение аэросопротивления в виде скачка должно ощущаться как «пробивание стены» при достижении пороговой скорости. Break_wallИспытываю иногда похожие ощущения при педалировании в гору, когда увеличение мощности/скорости через «не могу» приводит к тому, что подключается инерция, которой так не хватает при движении в гору. Эта инерция помогает сглаживать неровности дороги и неровности выдаваемой мощности при педалировании. В результате «пиковые» усилия на педалях уменьшаются и педалировать становится легче.  В аэродинамике такого «пробивания стены» не испытывал ни разу, хотя когда едешь с горки, то набрать скорость выше 50 км/ч довольно легко. В горных лыжах легко набираю скорости гораздо выше велосипедных и тоже никаких скачков уменьшения сопротивления воздуха не ощущаю. И пока ни разу не слышал, чтобы ощущал кто-то другой. Может быть все дело в том, что нельзя сумму туловища, рук, ног и деталей конструкции велосипеда сводить к сумме цилиндров и сфер? Происходит усреднение, поэтому скачка нет. Ann_skiНо уменьшение аэросопротивления не ощущается и без скачков, и не вычисляется из замеров скорости в зависимости от наклона. Коэфф. аэродинамического сопротивления остается постоянным вплоть до… допустим 120 км/ч («обычные» горнолыжные скорости на супергиганте и спуске). Это действительно странно, поскольку в сети, помимо приведенных выше графиков, которые могут быть иллюстрацией лишь качественных рассуждений, есть и экспериментальные данные. img14

Красным, как и выше отмечена область для цилиндра диаметром 0.5 м на воздухе при скоростях от 10 км/ч до 50 км/ч. Постоянный коэфф. аэродинамического сопротивление (область левее отмеченной красным цветом на графике) соответствует при «горнолыжной» скорости 120 км/ч характерному диаметру цилиндра всего навсего 4 см. Согласиться с тем, что характерные размеры человека не больше 4 см, я не могу. Это все-таки не мячик для гольфа 🙂 Поэтому пока вынужден считать, что аэродинамическая модель к спортсмену не применима, будь то велосипедист, спринтер или горнолыжник. Поэтому ни о каких «улучшайзингах» в виде тисненой поверхности, плавников на спине, хвостов, «засидельных» сумок с аэропрофилем, обтекателей на руле, с точки зрения теории говорить не приходится. Хотя интересно было бы добраться до аэродинамической трубы и попытаться «пробить стену». Многое бы прояснилось 🙂

 

Теперь чуть рассуждений о втором моменте. Насколько может уменьшить сопротивление каплевидная аэроформа при низких скоростях? Низкие скорости подразумевают, что есть турбулентность, но нет «турбулизации» — хорошего, похожего на ламинарное обтекания формы. То есть происходит существенный отрыв линий обтекания от поверхности. 30

В пользу «капли» обычно приводят рисунок подобный этому. Первые четыре фигуры показаны при одинаковой скорости потока, равной, если диаметр 0.5 м, 10 км/ч, нижняя сфера при скорости 100 км/ч. Этот рисунок призван иллюстрировать, что сопротивление определяется поперечным размером зоны турбулентности. На капле «отрыв» линий потока происходит на «хвосте», поэтому турбулентность такая же как у цилиндра размером в 10 раз меньше. У меня есть некоторые сомнения в такой разнице  «медленного» обтекания капли и цилиндра, поскольку есть и другие рисунки, отдельно про каплю.profile-of-a-tear-dropЗдесь показано, что носовая часть фигуры разрезает поток ламинарным образом, а хвостовая часть никак не может заставить поток «схлопнуться», поэтому возникает зона турбулентности, в том же месте, где у цилиндра, когда фигура начинает сужаться. Или (еще один) рисунок отдельно про цилиндр. Fig4_3

Здесь показано, что при довольно низких скоростях начинает образовываться турбулентный хвостик, который, как и в случае рассмотренных в начале заметки потом не сильно отличается от такового у капли.

Так что, к сожалению по низким скоростям тоже ничего сказать нельзя. Невозможно заявить наверняка, что каплевидная (аэродинамическая) форма элементов и аксессуаров велосипеда что-то даст, но и отрицать этого тоже не нужно. Для себя отмечу эстетическую составляющую аэродинамических форм. Это — красиво. sorcererivНаверное потому, что сразу кажется, что этот аппарат поедет быстро, а гонщик, точнее пилот просто герой 🙂Наиболее заметно это в веломобилях. Приходится одергивать себя и напоминать, что мощность «мотора» такого болида всего около 1/4 лошадиной силы.

Подводя итоги, можно сказать следующее. При скоростях до 20 км/ч особенно беспокоиться об ародинамике не нужно. Не из-за того, что с аэродинамикой все в порядке, а из-за того, что затраты сил на преодоление сопротивления воздуха не столь существенны. Далее от 20 до 30 км/ч как бы первая зона вопросов, которые совсем не решены. С точки зрения выдаваемой мощности это как раз скорости, когда можно ехать долго и комфортно. При скоростях выше 30 км/ч при борьбе за уменьшение аэродинамического сопротивления на первом месте не улучшение аэродинамических качеств, а уменьшение лобовой площади, которое определяется возможностью все еще выдавать мощность на педалях. Аэродинамика здесь может помочь и помогает.r27633_68603 В настоящее время стараются сделать как можно более обтекаемым велосипед, колеса, форму, шлем. Можно ли принципиально улучшить аэродинамику при помощи запрещенных ныне обтекателей спереди, сзади, в зоне ног — выяснить пока не получилось.

 

 

Поиски продолжаются 🙂

Lig_Meshok

 

 

Улучшение аэродинамической формы велосипеда: 3 комментария

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *