如何克服風阻

  在國外,不只有自行車運動,以科學來探討,並輔助各式運動早已行之有年,其在製造運動器材或訓練運動員方面,皆有顯著之成效,如澳洲泳潭王子「飛魚」索暜就是一例。反觀台灣,由於現階段投入的人力、物力有限,這方面應還有很大的成長空間。

空氣阻力為何?

  在婆娑舞動的樹蔭下,輕快地踩著踏板,自在地欣賞週遭的美景,兩旁儘是蟲鳴鳥叫、百花爭艷、、群蝶飛舞、微風徐徐,實為人間一大享受!但是,這種景象指出現在幻想中,再真實的世界裡騎單車,夏天艷陽高照的時候,一絲涼風都沒有,只有滿身大汗與溼透的車衣;冬天凍的直發抖的時候,寒風大到不用踩車就能前進,手指動到連煞車都快要按不住,風似乎總是跟自行車騎士過不去。

  從某個角度來看,的確是如此!當自行車騎士在空氣中運動的時候,空氣會對騎士施加一股力量,稱為空氣阻力,又稱風阻。研究這種物體與氣體作相對運動情況下的受力特性,即為空氣動力學。科學家對此已有相當程度的研究,就像是研究騎單車的風阻以及研究飛機如何在空中飛行的道理是相同的!雖然一般人看不見他,對他的感受也只限於騎快的時候會有呼呼的風從臉龐吹過,但他對於騎士踩踏的能量損耗,可不亞於傳動系統的摩差阻力,所以千萬不要小看他。

  空氣阻力實際上與有效迎風面積、前進速度的平方以及阻力係數成正比。因此當有效迎風面積增加1倍時,阻力會增加1倍;而阻力係數增加倍,阻力也會增加倍;但是速度增加1倍時,阻力則會增加3倍,變成原先的4倍。

  換而言之,先不考慮車輛摩差等其他阻力,假設你以正姿騎乘,20KM/HR前進,所受的空氣大約為10牛頓(Nt,一種力量單位,提起一瓶1000礦泉水所需的力量大約等於9.8牛頓)。因此你的腿只要施力超過10牛頓,就可以維持這一個速度前進,但如果想要加速1倍到40KM/HR時,就需要面對40牛頓的空氣阻力,你的腿必須要提供4倍的力量才行。

  這也就是為什麼逆風與順風騎車時,感覺會差那麼多。如果車友想以20KM/HR前進,當無風的時候需要出10牛頓的力量,在順風10KM/HR(蒲福風級2級,為輕風,人面感覺有風,樹葉搖動,亦為普通風標轉動)的情況下,對於空氣的前進速度只有10KM/HR20-10=10),所以只要出2.5牛頓的力量就可以,但在逆風10KM/HR時,相對於空氣的前進速度是30KM/HR20+10=30),所需要的力量也由10牛頓增加到22.5牛頓。

  事實上,1020KM/HR都是平常騎單車時常會遇到的情形,不算很強的風,如果用風速討論可能比較難體會,舉個實際例子,號稱風城的新竹,冬季起風時多超過40KM/HR,而超過62KM/HR就算是颱風天了。

  因為空氣阻力影響如此之大,在19701980年代,科學家們進行廣泛而深入的研究,不論是從理論分析、數值模擬或利用風洞測試等,所獲得的結論都成為後來騎乘姿勢、比賽戰術與自行車設計等的重要參考依據。

騎乘姿勢V.S.風阻

  在騎乘姿勢方面,根據實驗結果,假設採正姿騎乘(一般騎淑女車的姿勢),以時速20KM/HR前進,所受的空氣阻力約為10牛頓。而如果將身體彎下來,像場地賽選手的騎乘姿勢,大約可以減少55%的空氣阻力,因此一般跑車選手會盡量壓低自己的身體。如果是採用輪車的方式,彎姿騎乘的領騎選手仍是減少55%,但在其後的選手可以較正姿騎乘減少86%的空氣阻力,等於只要花原先1/7的力量就可以克服空氣阻力。

  將身體壓低以減少風組的效果十分顯著,因此在90年代的自行車界發展出現各種不同的嘗試,許多方式亦沿用至今。最有名的當屬自行車傳奇人物Graeme Obree,他於1993年首創「Tuck」式,將手臂完全縮於胸部下方,以減少有效迎風面積與風阻係數,一舉打破世界紀錄。但這種方式起步速度較慢,加上UCI的限制,使得「Tuck」式成無絕響。因此95Obree更進一步發展出「Superman Poeition」,將手臂完全伸展,同樣能減少空氣阻力且速度更快,英國名將Chris Boardman即於96年以此姿勢將世界紀錄推至52.375km/hr(至今仍未被打破)。

  至於前幾年風行於歐洲(尤其是荷蘭),最近又再度引起潮流的斜躺車,除了騎乘時不用彎腰,背部有足夠的支撐,感覺較舒適外,其風組也較正姿騎乘減少40~60%上下。雖然減低風組的效果和彎姿騎乘差不多,但對於一般車友而言,斜躺車的姿勢顯然是舒服多了。

比賽戰術V.S風阻

  在整個車前進的情況下,領騎的選手較其後選手多3倍的空氣阻力,因此允許自行車的團隊比賽中(目前UCI多數的團隊賽都允許),戰術如何的應用就顯的格外重要。

  一般而言,各隊都會有副將騎在主將前面,幫他擋風,讓主將保留體力至最後衝刺,因此也衍生出各種戰術應用,如領先集團、主集團、領騎、掩護、攻擊、追趕等,都是各種戰術中所用的專用名詞。而自行車比賽戰術之複雜、技巧之細膩,也由此可見一斑。

自行車設計V.S.風阻

  至於自行車本身,也出現許多低風阻係數的設計。1984年洛杉磯奧運,美國隊利用新設計無鋼絲碳纖維碟輪以及低風阻設計的車架,取得大幅度的優勢。而再1988年奧運時,許多國家也跟進改用各式低風阻設計的零配件,從輪組、車架、前叉、把手、車鞋、車衣與安全帽等,能夠換的全都換了。

  而在整個自行車運動中,人體所占的有效迎風阻面積比例最高,風阻係數也較高,產生之空氣阻力約佔整體阻力得60%,所以採用低風組的騎乘姿勢對於減小阻力非常有幫助。其次是輪組,因為輪組除了本身在空氣中運動的阻力外,鋼絲在旋轉時亦會產生阻力,整個輪組約佔了整體阻力的8%,因此採用低風阻的輪組亦會有相當助益。各家輪組廠也無不挖空心思進行改良,希望能有效減低風阻。至於車架的影響約與輪阻相當,也在8%左右,所以車架設計如何在輕量化、高剛性與低風阻間取得較佳平衡點,一直是各車廠不停努力的研究焦點。

輪組V.S.風阻

  改風低風阻輪組可以發現,前輪之影響較後輪大,這市因為前輪為整輛車最先接觸到空氣的部分,所以再前輪下工夫是較具經濟效應。至於後輪,由於空氣經過人體,以產生擾流,如以相同的方式改進後輪,其效果沒有前輪顯著。

  最先出現的低風組設計是碟輪,因完全沒有鋼絲,正向風阻最小,結構剛性也最佳,並提供最高的轉動慣量,常見於場地賽或計時賽。不過側風時,會影響騎乘操控性與穩定性,使用上仍有其安全顧慮,不適合一般道路騎乘。

  再來則是採用低風阻輻條取代鋼絲,風阻的確降低了,不過由於輻條體積較鋼絲大,在重量上失去了優勢。為了輕量化,碳纖維為該型輪組的主流材料,但其價格與製造難度偏高,史的這種低風阻輪組仍屬於貴族產品。最後一種是現在市面上最常見的方式,直接減少鋼絲數量,並搭配高強度設計的多層輪圈,可同時達到降低風阻以及重量的雙重理想目標。目前主要的輪組廠商都有推出這類的輪組,鋼絲數從傳統的32條減少到24~16條,鋼絲編法之設計理念各不相同,車友可做多方比較,選擇適合自己的輪組。

車架&前差V.S.風阻

  至於車架以及前叉,由於各家設計差異極大,所能減少之風阻係數與有效迎風面積也相去甚遠,對於側風阻力減少的效果也各異。

  以1984年洛杉磯奧運美國隊所用的低風阻車架(Huffy製造)為例,無風時大約可以減少5%的阻力,而10度側風時竟能減少12%的阻力,讓美國隊在19841988年兩屆奧運因而大放異彩,在場地賽共拿下兩金、兩銀及一銅。

  至於前叉方面,理論上目前常見的登山車圓柱型避震前叉,如果改為相同直徑的流線型,空氣阻力約可減少90%,不過體積與重量也會相對增加(為了配合避震機構)。當然,適當的低風阻設計可在減少阻力與增加重量找出平衡點,淡騎成本的增加卻是無可避免的,再加上一般的登山車騎乘速度較慢,強調的是off-rad的舒適性與操控性,所以低風組的設計仍不常見。至於公路車因為不需考慮避震機構,前叉直徑較小,且速度較快(別忘了,阻力與速度的平方成正比),所以現在的跑車前叉有越來越多各式低風組的設計的出現。

  事實上,自行車風組的問題相當複雜,但對於愛好騎車而飛科學家的一般車友,能在選購低風阻設計的零組件時,有概念該如何選擇適合自己的產品就足夠了。而車友們下次騎車時,除了享受追風的樂趣外,也可以親身體驗一下空氣阻力學的奧妙。

 

 

 

資料來源:單車誌

文章轉載自 天下一家鐵馬家族

http://tw.myblog.yahoo.com/jw!N0.58VqLEwM86GZi5QZM/article?mid=1881&prev=1960&next=1773&l=f&fid=19

創作者介紹

騎不累單車

電動自行車達人 發表在 痞客邦 PIXNET 留言(0) 人氣()