Аэродинамина системы гонщик — велосипед

Аэродинамические эффекты. Аэродинамика движу­щихся объектов всегда была в центре внимания изобрета­телей, конструкторов и эксплуатационников. Свидетель­ством этому, может быть огромное число исследователь­ских работ, направленных на улучшение аэродинамиче­ских качеств самолетов, автомобилей, поездов и других видов транспорта. Спорт, в частности велосипедный, дол­гое время игнорировал аэродинамические влияния, в большей мере полагаясь на потенциальные возможности человеческого организма.

Такому положению в велосипедном спорте способ­ствовал принятый УСИ в 1938 г. запрет на любые кон­структивные изменения традиционного гоночного вело­сипеда, направленные на достижение аэродинамического преимущества. Этот запрет, с одной стороны, значительно задержал развитие аэродинамики аппаратов, приводимых в движение мускульной силой человека, но, с другой стороны, позволил сохранить массовость и спортивный характер велосипедного спорта, устранив технические трудности, преодоление которых не под силу подавляющей массе спортсменов. Такое решение позволило вовлечь в занятие велосипедным спортом миллионы спортсменов, сделав нх практически равноценными в техническом отношении конкурентами.

Можно представить, к каким последствиям привело бы отсутствие подобного запрета со стороны УСИ. Так, уже в 1899 г. американский гонщик Ч. Мерфи получил мировую известность, проехав на велосипеде 1 милю (1,6 км) со скоростью 101,8 км/ч. Ч. Мерфи ехал за поез­дом по специальному деревянному настилу на железно­дорожной линии, используя аэродинамический экран последнего вагона. В 1973 г. А. Аббот развил скорость 223,168 км/ч в гонке за специальным автомобилем с аэро­динамическим колпаком. Или, например, рекорд аппа­рата А. Войгта «Вектор тандем» (101,26 км/ч), установлен­ный в 1980 г. На этом аппарате два гонщика, находясь в лежачем положении слипами друг к другу, были укрыты прочным высокоэффективным аэродинамическим обтека­телем. Во всех рассмотренных случаях спортивное пре­имущество было достигнуто за счет дорогостоящих тех­нических решений, недоступных массовому спорту.

Вместе с тем, в 1976 г. УСИ разрешил применение неко­торых технических средств, улучшающих аэродинамику системы гонщик — велосипед. Права «гражданства» полу­чили облегающие эластичные комбинезоны, обтекае­мые шлемы, рамы с каплевидными профилями труб, обте­каемые рукоятки тормозов, профилированные плоские спицы и другие элементы с улучшенной аэродинамикой.

Аэродинамическое сопротивление — Еажный фактор, определяющий энергозатраты на перемещение велоси­педа. Как показали исследования [51, при движении велосипеда со скоростью 30 км/ч аэродинамическое сопро­тивление составляет примерно 80 % полней силы сопро­тивления. При такой скорости движения вытесняется и приводится в возмущенное состояние около 450 кг воздуха в минуту. За движущимся велосипедом и гон­щиком образуется вихревой след, на формирование кото­рого затрачивается значительная часть энергии спорт­смена.

На скоростные качества системы гонщик — велосипед оказывают влияние три вида аэродинамического сопро­тивления. Первый вид обусловлен характером распреде­ления давления, определяемым обтекаемой формой. Поло­жение корпуса гонщика, особенности его телосложения в значительной степени определяют характеристику рас­пределения статического давления. Второй вид обусло­влен аэродинамическим треиием о поверхность обтека­ния. Здесь важную роль играют вязкость воздуха и пара­метры обтекаемой поверхности, в непосредственной бли­зости к которой формируется пограничный слой. Третий еид обусловлен аэродинамическим возбуждением вихре­вого следа, вызванного отрывом воздушного потока, сле­дующего по контуру обтекаемого тела. При отрыве потока за спиной гонщика и в тыловой части велосипеда обра­зуются области пониженного давления, что приводит к подсасыванию воздуха из окружающего объема и фор­мированию Еихревого следа (рис. 8.24), в котором можно выделить ядро и пограничный слой. В лобовой части системы возникает избыточное давление р, которое при­водит к некоторому снижению скорости воздушного потока v согласно уравнению Бернулли для несжимае­мого газа. Детали велосипеда в основном имеют цилин­дрическую форму и, как следствие, плохие аэродинами­ческие характеристики, поскольку на их поверхностях происходит отрыв воздушных потоков. Возникающие силы вихревого сопротивления во много раз превышают силы трения о воздух.

Рис. 8.24. Схема вихреобразования системой гонщик — велосипед: / — ядро вихревого следа; 2 — пограничный слой вихревого следа

Учесть аэродинамические эффекты в полном объеме практически невозможно, однако можно дать прибли­женную количественную оценку увеличения мощности для наращивания скорости с учетом необходимости пре­одоления только сопротивления воздушного потока, вли­яние которого можно принять пропорциональным второй степени скорости.

Так, для гонщика уровня квалификации мастера спорта езда на скорости 30 км/ч не требует существенных усилий, и ес. ги условно при­нять уровень мощности, необходимой для поддержания этой скорости, за единицу, то для достижения скорости 40 км/ч потребуется увеличе­ние мощности в 2,4 раза, скорости 50 км/ч — в 4,6 раза, а для дости­жения рекордной скорости в часовой гонке на треке 51,15135 км, уста­новленной Ф. Мозером в январе 1984 г., каждому желающему повторить рекорд потребуется увеличить мощность энергоотдачи примерно в 4,9 раза.

Приведенные результаты расчета не учитывают многих факторов, в том числе плотности воздуха. Например, в Мехико на высоте 2240 м, где плотность воздуха составляет примерно 80 % плотности на уровне моря, рекордные скорости на 3—5 % больше, чем внизу. На Луне, к примеру, где нет атмосферы, а сила тяжести составляет лишь одну шестую часть земной, велосипед мог бы развить теоретическую ско­рость 383 км/ч при затрате мощности порядка 73,5 Вт.

Установлено, что из мощности, расходуемой гонщиком на преодоление аэродинамического сопротивления, при­мерно 70 % расходуется на преодоление сопротивления самого спортсмена, а 30 % — велосипеда. Поэтому гон­щику, согласно правилам УСИ, остается немного возмож­ностей улучшить аэродинамику системы гонщик — вело­сипед. В настоящее время скоростные рекорды прибли­жаются к пределу, который из расчета мощности 735,5 Вт составляет примерно 55 км/ч [5].

V,

Ш № S6 60

S’f

3Z is

0.10 0,19 0.28 0.37 0,^5 0,55 F, U

, і Вектор>

Велогонка всі лидером

Велогонка 8 низкой посадке —

Рис. 8.25. Влияние площади F мидель-сечения системы гон­щик — велосипед на скорост­ные показатели при различной затрачиваемой мощности

Дорожный велосипед

у k Мощность, дт 735.5 .5 51. В 357.7 т.2 220.5 1^7.1 13.5 35.7

км/ч

В табл. 8.3 и на рис. 8.25 приведены некоторые резуль­таты анализа влияния аэродинамики на скоростные воз­можности различных конструктивных решений велоси­педа, включая велосипеды с аэродинамическими обтека­телями типа «Зиппер», тандемы, велосипеды систем «Изи рейсер» и «Вектор сингл», рекордные велосипеды для гонок за лидером-мотоциклом и лидером-автомашиной, а также теоретические варианты велосипедов: с горизон­тальным расположением гонщика и «лунный», «предна­значенный» для испытаний на Луне — при отсутствии атмосферы. Эта таблица содержит экспериментальные и расчетные данные и позволяет получить общее предста­
вление о влиянии аэродинамических сопротивлений на скоростные показатели велосипедов различных кон­струкций.

Основные элементы велосипеда имеют форму цилин­дра. Аналогичную форму имеют нижние конечности гон­щика, а его туловище в посадке приближается к сфере. Особенностью обтекания подобных форм является отрыв пограничного слоя и создание циркуляционных течений на кормовой стороне. Представление о действительной картине течения воздушного потока, возникающего позади кругового цилиндра после отрыва пограничного слоя, дает серия рисунков с фотографий, полученных Д. Пр^ндт — лем (рис. 8.26). [261. При малых скоростях движения (рис. 8.26, а) линия тока полностью соответствует невяз­кому потенциальному течению. На рис. 8.26, б показан момент начала отрыва пограничного слоя. Увеличение скорости движения приводит к свертыванию течения в два концентрированных вихря (рис. 8.26, в, г). В даль­нейшем эта пара вихрей становится неустойчивой, внешнее течение отрывает их и увлекает за собой (рис. 8.26, д, е).

Образование вихрей связано со значительными изме­нениями давления около цилиндра в процессе нараста­ния скоростей его движения. Для тел обтекаемой формы, например эллиптического профиля или профиля Жуков­ского, рассмотренные явления отрыва пограничного слоя наблюдаются в значительно меньшей степени. Именно поэтому для тонких хорошо обтекаемых тел распределе­ние давления по их контуру обычно довольно точно совпадает с теоретическим потенциальным распределе ни ем.

На рис. 8.27 показано распределение важнейших аэро­динамических характеристик типовых профилей вдоль 1— 5 (цилиндрических, эллиптических и плоских) таких кон­структивных элементов гоночного велосипеда, как спицы, трубы рамной конструкции, руль, ручки тормозов и т. д. В качестве аэродинамических характеристик набегаю­щего воздушного потока использованы:

v = v/vm — относительная скорость потока, где о — местная скорость воздушного потока; ого — скорость набе­гающего потока;

6 = — VVocl/v —толщина вытеснения пограничного слоя, где v — кинематическая вязкость воздуха;

Схема	Характеристика системы гонщи к — велосн пед	F, мг	«а. н	«к. н	с*	fK, м	"max’ км/ч	Wnp’ км/ч	Ртр. % *	vcn max* км/ч
	Г оночный велосипед (тв = 9 кг; тг = 72 кг; рв = 0,74 МПа)	0,36	14,8	2,4	0,83	0,0030	55,7	24,1	73	51,8
г®	Гоночный велосипед с об­текателем «Зиппер» ‘ (тв = = 9,5 кг; тг = 72 кг; рв — — 0,74 МПа)	0,38	13,5	2,4	0,70	0,0030	57,4	24,8	25	54,5
1	Гоночный тандем (тв = = 19 кг; тг = 72X2 = = 144 кг; рв — 0,63 МПа)	0,48	24,1	7,3	1,00	0,0045	58,4	24,5	66	56,6
	«Лежачий» велосипед «Изи рейсер» (тв = 12,2 кг; тг = 72 кг; рв = 0,63 МПа)	0,35	13,5	4,3	0,77	0,0050	56,6	23,2	75	54,2
ш	Велосипед для гонок за лидером (тв = 9 кг; тг = = 72 кг; рв = 0,74 МПа)	0,36	37,6	2,4	0,50	0,0030	66,0	28,5	47	67,1
	Трехколесный велосипед «Вектор сингл» (тв = = 30,8 кг; тг = 72 кг; Рп = 0,63 МПа)	0,42	2,3	4,6	0,11	0,0045	98,5	35,1	29	145

	Рекордный велосипед для гонок за автомашиной (т, = 19 кг; тТ — 72 кг; рв = 0,49 МПа)	0,40	0 **	5,5	0 * *	0,0060	—	47,3	23	—
‘ЄГ-©	Теоретический вариант (тв = 9 кг; тг = 72 кг)	0,07	2,3	0	0.6	0	:05.	48,9	10	105,1
	Т еоретический вариант с обтекателем (тв = 12 кг; тг = 72 кг)	0,13	0,3	0	0,05	0	202.6	93,8	1	202,6
©и.	Теоретический вариант «лунного» велосипеда (тв = = 11,3 кг; тг = 72 кг)	0,36	0	0,07	0	0,0030	—	383	—	—
Примечание. Принятые обозначения: тъ — масса велосипеда; mf — масса гонщика, условно принятая ван­ной 72 кг для возможности сраьнения результатов. рв — давление воздуха в однотрубке: F — площадь мидель-сечения; R. R — силы сопротивления прн скорости 32 км/ч: аэродинамическая и качения соответственно, С% — коэффициент аэродинамического сопротивления; J — коэффициент сопротивления качению; t>max — максимальная скорость при мощности 735,5 Вт; опр — прогулочная скорость при мощности 73,5 Вт; Ртр — требуемая мощность; t>cn max — макси­мальная скорость свободного спуска при 5 %-ном уклоне. * Мощность, необходимая для поддержания скорости 32 км/ч, указана в % от условной мощности, равной £3,5 Вт. ** Аэродинамическое сопротивление условно приравнено к нулю из-за отсутствия сведения об аэродинамическом обтекании лидирующего объекта.

Рис. 8.26. Образование вихря при обтекании круглого цилиндра при нарастающих скоростях движения

т0 = тр — Y Vcol/y— касательные напряжения на Руоо

стенке профиля, где р — плотность воздуха; у — коор­дината нормали к профилю;

Л =———————— Ф°рмпараметр, характеризующий

отношение сил давления к силам трения, где р — давление на поверхности профиля; ц — коэффициент тре­ния воздуха о поверхность профиля.

Во всех рассмотренных случаях предпочтение по сово­купности показателей следует отдать профилю Жуков-

ского, который наряду с хорошими аэродинамическими качествами одновременно обладает достаточными и срав­нимыми с цилиндром конструкционными жесткостными свойствами во всех направлениях. Аэродинамические про­фили уже широко применяют в современном велостроении, в первую очередь при проектировании спиц и трубных конструкций рам.

Аэродинамика колеса. Колесо гоночного велосипеда с точки зрения аэродинамики представляет собой сложную систему, в состав которой входят втулка с фланцами, набор спиц, обод и однотрубка. Колесо вращается в по­токе воздуха, набегающего под различными углами. Пре­имущественное движение воздушного потока происходит в плоскости колсса. Рама велосипеда, ноги гонщика, совершающие циклические движения с частотой около 2 Гц, встречный или встречно-боковой ветер создают сложную аэродинамическую картину обтекания колес воздушным потоком, которая практически не поддается строгому анализу.

О попытках уменьшить аэродинамическое сопротивле­ние колес велосипеда свидетельствует достаточно долгая история развития и совершенствования конструкции го­ночного колеса, начиная с первых конструкций колес с деревянными спицами велосипедов Драйза, кончая со­временными колесами с профилированными спинами. Последней новинкой технической мысли в этом направле­нии явилась конструкция колес рекордного велосипеда, на котором Ф. Мозер установил ряд мировых рекордов в январе 1984 г. (рис. 8.28).

Натурные исследования аэродинамики колеса сопря­жены со значительными трудностями. Поэтому предла­гается методика стендовых испытаний. Подобные испы­тания могут охватывать ряд направлений. Например, аэродинамическое сопротивление колеса можно оценить по параметрам потребляемой мощности, по времени сво­бодного выбега колеса или по анализу частотных харак­теристик выбегающего колеса. Опыт показал, что первые два направления не дают эффективных результатов, так как аэродинамическое сопротивление колеса пропорцио­нально квадрату, а при высоких скоростях третьей сте­пени относительной скорости. Погрешности измерения времени выбега соизмеримы с темпом изменения скорости вращения колеса Попытки контроля потребляемой мощ­ности для стендового привода колеса сопряжены с тех­ническими трудностями точных измерений и стабилиза­ции величин технических параметров.

Достаточно эффективным методом оценки аэродинами­ческого сопротивления колеса в условиях стендовых испы­таний оказался метод комплексной оценки свободного выбега в заранее обусловленном диапазоне скоростей. Метод позволил оценить как аэродинамику самого колеса, так и влияние на ее изменение таких факторов, как смена

Рис. 8.28. Рекордный гоночный велосипед, на котором итальянец Ф. Мозер в январе 1984 г. установил мировой рекорд на бетонном треке В г. Мехико в часовой гонке, достигнув результата 51,15135 км. По­путно им были установлены мировые рекорды на 5 км (5 мнн 47,16 с) и на 20 км (23 мин 21,59 с)

одного типа однотрубки на другой, замена спицевого набора дисковым, уменьшение числа спиц в наборе и т. д.

Аэродинамический стенд (рис. 8.29) предназначен для определения динамических параметров колеса, момента трения в подшипниках качения и аэродинамического сопротивления. Стенд представляет собой сварную кон­струкцию, позволяющую установить колесо 1 осью в спе­циальные гнезда подобно креплению колеса на велоси­педе. На втулке 7 колеса смонтирован шкив 2 радиусом г.

Шкив 2 предназначен для разгона колеса с помощью электродвигателя 6 и плоскоременной передачи 5. Этот же шкив используют для определения динамических пара­
метров колеса. Гибкая нить 3, закрепленная на поверх­ности шкива 2, проходит через эмалированный напра­вляющий глазок 10, вмонтированный в отверстие стойки. На нитн прикреплен груз 12 массой т.

В

Метод измерения момента инерцни колеса Jl и мо­мента трения МТр состоит в том, что груз массой m под действием собственного веса опускается из точки А в точку Д, т. е. иа расстояние Л, и раскручивает колесо 1

Рис. 8.29. Схема стенда для исследования аэроди­намики колес гоночного велосипеда

с помощью гибкой нити 3. При достижении грузом ниж­ней точки В нить 3 начинает наматываться на шкив 2. С этого момента колесо 1 движется по инерции и подни­мает груз из точки В в точку С, т. е. на высоту А,.

Для более точного определения момента инерции ко­леса Уг н момента трения в подшипниках качения Л1тр предназначена специальная система отсчета времени, со­стоящая из двух фокусирующих источников света 11 и 14, а также двух фотодатчиков 13 и 15, расположенных соответственно так, чтобы фиксировать момент прохожде­ния груза 12 в положениях А и D. Сигналы фотодатчи­ков 13 и 15 усиливаются системой 16 на базе триггеров Шмидта до требуемого уровня, запускают и выключают счетчик импульсов частотомера 18. Эталонная частота задается генератором импульсов 17.

■ Для определения кинематики выбегающего колеса предназначена вторая часть стенда. Сигнал, подаваемый источником света 4, проходит через отверстия 8 фланце­вой втулки 7 и поступает в фотодатчик 9: Дискретная регистрация частоты сигналов производится частотоме­ром 18. Учитывая, что реальная рабочая скорость колеса находится на уровне 6—7 Гц, а разрешающая способ­ность частотомера соизмерима с этой частотой, целесооб­разно использовать возможно большее число отверстий втулки для получения более устойчивого счета.

При измерении сделаны следующие допущения:

1. Момент сил трения, а значит, и коэффициент тре­ния в подшипниках качения принят постоянным.

2. Трение в направляющем глазке и масса нитй не учитываются.

3. Угол у определяется из условия sin у jw г//.

В таком случае момент сил трения равен

Мтр = т (к,. — h^g/fa + аг). (8.27)

Здесь g = 9,81 м/с* — ускорение свободного падения;

®i> а2 — величины, определяемые по формулам:

Л, — Л0 . / л . А, — Ад./я

(8.28)

где }ц = г — / (1 — cos у) — перемещение груза массой т за время перехода точки закрепления нз положения N в положение К-

Момент инерции колеса

h = (mgr — MIP) rP}(2h3), (8.29)

где t — время опускания груза массой т из точки А

в точку D.

Задача поставленного эксперимента сводится к оценке эффективности аэродинамики дисковых колес гоночного велосипеда, подобных колесам, установленным на вело­сипеде Ф. Мозера, а также к оценке аэродинамики колес с другими конструктивными особенностями.

В порядке эксперимента обычное колесо гоночного велосипеда было обтянуто с двух сторон тонким полотном бязи и покрыто слоем спиртового лака. Все остальные элементы колеса остались без изменения. В процессе исследований сравнивали такое «дисковое» колесо с обыч­ным. С помощью описанного выше стенда изучались про­
цессы выбега колес и оценивались кинематические откло­нения выбега «дискового» колеса по сравнению с выбегом обычного колеса Первый эксперимент [«> = Wj [t) 1 был проведен на колесе, оснащенном трековой однотрубкой; второй [о = <о2 (/) I — на том же колесе, оснащенном дополнительным тканевым покрытием без лака, третий [о = (о3 (/) ] — на колесе с лаковым покрытием.

Заключительный этап эксперимента сводится к расче­там эмпирической функции выбега путем аппроксимации зависимости о = о (/). Многочисленные поиски наилуч­ших приближений показали, что практически ни одна из известных элементарных функций не пригодна для ап­проксимации функции выбега в силу низкой точности. Поэтому применяют кусочную аппроксимацию, разбивая выбег на три временных интервала, в каждом из которых используют следующие зависимости: в интервале t < 9,4 с:

(8.30)

в интервале 9,4 <С / 18,8 с:

(8.31)

щ(і) = 37,200-0,945/ ю2 (0 = 37,074 — 0,929/ ю3 (0 = 39,875 — 0,838/

в интервале /> 18,8 с:

(8.32)

Точность эксперимента оценивалась относительным отклонением результата бг, коэффициентом корреляции Rt между расчетными и фактическими значениями, средней суммой квадратов отклонений SSt:

где (оі — экспериментальное значение со в і-м варианте; a>i — расчетное значение о по аппроксимирующей функ» ции,

Графическая интерпретация экспериментальных дан­ных в реальном масштабе времени представлена на рис. 8.30, а. При переходе к единому приведенному мас­штабу времени? характер графиков несколько меняется (рис. 8.30, б). Приведенное время для каждого из рас­сматриваемых случаев определяется с учетом постоянных приведения Сг:

i= t—Ch (8.33)

где Сг = 0,228 с (для кривой /); С2 = 0,329 с (для кри­вой 2) С3 = 0,530 с (для кривой 3). Рис. 8.30. Схемы расчета выбега колеса: а — в реальном масштабе времени; б — в приведенном масштабе времени: І — колесо обычной конструкции со спицевым набором; 2 — колесо, обтяну­тое тканью; 3 — колесо, дополнительно покрытое лаком

Уравнение, описывающее динамику выбега колеса с учетом только механических сопротивлений, при мо­менте сил трения Мтр = 1,776-10_3 Н-м и его линейной

зависимости от скорости примет вид

(8.34)

Уравнения динамики для случая только аэродинами­ческого сопротивления примут вид:

|-1,436|?+ 0,228<9,4 —0,916 |g,4<f+0,228^18,8 -0,0286 — 0,486е-0’0179 (Н-о-228> |?+0>228>18,8

= МА (8.35)

—1,482 |f+0,329<9.4

—0,905 І9,4<?+0,329<18,8 =

-0,0237 — 0,34le-о-»131 <г+°-32!» ІГ+0.329>І8.8

= МА1 (8.36)

— 1,105 |(+0,53Г<9,4

— 0,814 І9,4СН-0,530« 18,8

-0,0234 — 0,343е—°-0115 «+°-530> ІГ+0.88ОІ8.8

= Л1Д. (8.37)

На основании приведенных уравнений получены гра­фические зависимости момента аэродинамического сопро­тивления от скорости вращения колеса и вида его набора (рис. 8.31). Кривая 3 характеризует выигрыш в моменте аэродинамического сопротивления при обтягивании обыч­ного спицевого колеса лакированной тканью.

Рис. 8.31. Зависимость момента аэродинамического сопротивле — ния Мд от скорости вращения колеса при неподвижной оси:

1 — колесо со спицевым набором:

2 — колесо, обтянутое лакирован­ной тканью; 3 — функция момента, характеризующая снижени аэроди­намического сопротивления

0 10 20 30ю, с~’

Описанный метод удобен для проведения сравнитель­ных испытаний в лабораторных условиях, но он преду­сматривает исследования при неподвижной оси колеса, что не соответствует реальной картине обтекания колеса, катящегося по поверхности дороги. Такой эксперимент возможен, например, в аэродинамической трубе. Колесо с помощью специального электродвигателя вращается с такой скоростью, чтобы его окружная скорость и2 на максимальном радиусе была равна скорости выходного воздушного потока аэродинамической трубы. В таком случае имитируется качение колеса по поверхности дороги со скоростью В процессе эксперимента измерялись

следующие параметры: скорость выходного воздушного потока »!, угловая скорость вращения колеса со, мощ­ность, потребляемая электродвигателем, лобовое аэроди­намическое сопротивление колеса.

На рис. 8.32 представлена зависимость мощности, потребляемой колесом велосипеда, от скорости движения велосипеда в диапазоне v = 11ч-19 м/с при спиневом и дисковом наборах колес. Во всех случаях преимущество колеса с дисковым набором очевидно, и выигрыш в мощ­ности составляет около 22 % в первом и около 16 % во втором случаях, что соответствует примерно 45 Вт на два колеса велосипеда при скорости движения 50 км/ч.

Аэродинамика системы в целом. Общее уравнение движения системы гонщик — велосипед с учетом механи­ческих и аэродинамических сил сопротивления имеет вид

v*bt + х? Ьг + о»Ь, + vb4 — Р = 0, (8.38)

где v — скорость движения системы, м/с; Р — мощность, необходимая для поддержания скорости движения си­стемы с учетом механиче­ских сил сопротивления качению шарикоподшип — )впо ников в колесах и ка-

то

ности дороги, Вт; bt — коэффициенты, учитывающие механические и аэродинамические сопротивления: =

= 3,71 • 10-3; b2 = 6,5810’2; Ь3 = 1,308; Ь4 =—1,351 для колес со спицевым набором и Ь4 — —4,135 для колес с дисковым набором.

Аэродинамическое сопротивление системы гонщик — велосипед учтено в коэффициентах bt уравнения (8.38)

с помощью усредненного коэффициента Сх = 0,83, а аэро­динамическое сопротивление одного гонщика без учета аэродинамического сопротивления колес — с помощью коэффициента Сх = 0,2778 + 0,0168 v, определенных экс­периментально. Мидель-сечение всех рассмотренных гон­щиков взято усредненным (0,36 м2).

Общая картина энергозатрат на привод велосипеда со скоростями, соответствующими мировым рекордам на треке в отдельных видах велосипедных гонок (табл. 8.4) представлена на рис. 8.33, где видно соотно­шение между мощностями, затрачиваемыми на преодоле­ние аэродинамических сопротивлений спицевых и диско­вых колес.

В табл. 8.4 приведены результаты теоретического пере­счета мировых рекордов применительно к тем и другим колесам для условного гонщика, стартующего и прохо­дящего дистанцию при тех же мощностях педалирования. Из таблицы видно, что применение дисковых колес дает не­оспоримое техническое преимущество при прочих равных условиях.

Особый интерес представляет анализ условий устано­вления Ф. Мозером (Италия) в январе 1984 г. феноменаль­ного рекорда. в часовой гонке— 51 151,350 м. Этот вид велосип дных гонок (табл. 8.5) является старейшим в исто­рии спортивных соревнований вообще. Датой его «рожде­ния» считается 25 марта 1876 г., когда англичанин Доддж в течение 1 ч гонки прошел дистанцию 25 508 м. С тех пор ведущие гонщики мира, в первую очередь профессио­налы, постоянно пытаются побить существующий рекорд. Среди рекордсменов мира в этом виде спорта за четыре последних десятилетия были выдающиеся гонщики совре­менности: Ф. Коппи, Р. Ривьер, Э. Бальдини, Ж. Анке- тиль, Э. Меркс, Ф. Мозер.

Анализ рекордных результатов в часовой гонке наибо­лее интересен с точки зрения оценки энергозатрат: они имеют тенденцию приближаться к некоторому пределу человеческих возможностей, которые, по-видимому, ни­когда не будут исчерпаны полностью. Кривая аппрокси­мации (рис. 8.34) этого процесса, показанная штриховой линией, позволяет предсказать рекордный результат бли­жайшего будущего. Так, в начале 1972 г. на 1984 г. ожи­дался рекорд на уровне 49 900 м. Фактический результат Ф. Мозера (51 151,350 м) значительно превзошел ожи­даемое. Но если учесть, что этот рекорд достигнут на диско — 296

Т а б л и ц а 8.5. Рекорды мира в часовой гонке среди профессионалов Год Число, месяи Гонщик Страна Результат и 1876 25.03 Доддж Англия 25 508 1877 25.05 Чэпп Англия 26 960 1878 10.05 Вуэй Англия 28 542 1879 09.06 Кристи Англия 30 374 1884 11.09 Инглиш Англия 32 707 1887 16.09 Форниволь Англия 32 797 1893 11.05 Н. Дегранж Франция 35 225 1894 31.10 Ж. Дюбуа Франция 38 220 1897 30.07 М. Ван Деи Эндеи Бельгия 39 240 1898 09.07 В. Гамильтон США 40 781 1905 24.08 Л. Пти-Бретон Франция 41 110 1907 20.06 М. Берте Франция 41 520 1912 22.08 О. Эгг Швейцария 42 360 1913 07.08 М. Берте Франция 42 741 1913 21.08 О. Эгг Швейцария 43 525 1913 20.09 М. Берте Франция 43 775 1914 18.06 О. Эгг Швейцария 44 247 1933 29.08 М. Ришар Франция 44 777 1935 31.10 Дж. Ольмо Италия 45 090 1936 14.10 М. Ришар Франция 45 325 1937 29.09 Ф. Слаатс Голландия 45 485 1937 03.11 М. Аршамбо Франция 45 767 1942 07.11 Ф. Коппи Италия 45 848 1956 29.06 Ж. Анкетиль Франция 46 159 1956 09.09 Э. Бальдини Италия 46 396 1957 18.09 Р. Ривьер Франция 46 923 1958 23.09 Р. Ривьер Франция 47 346 1967 30.10 Ф. Браске Бельгия 48 093 1968 10.10 О. Риттер Дания 48 653 1972 25.10 Э. Меркс Бельгия 49 431 1984* Январь Ф. Мозер Италия 51 151 * УСИ прниял решение раздельно фиксировать мировые ре- корды, устаиовленные иа равнинных н высокогорных треках. Поэтому рекорд Ф. Мозера, равный 51 151.350 м и установленный в Мехико иа высоте 2200 м над уровнем моря, является первым в таблице ре­ кордов. установленных на высокогорных треках.

вых колесах, и пересчитать его с учетом аэродинамики на колеса со спицевым набором, то результат пересчета, равный 49 906,800 м (см. табл. 8.4), будет весьма близок к результатам графической экстраполяции.

На основании изложенного может быть сделан доста­точно определенный вывод: дисковые колеса — техниче­ская и в настоящий момент недоступная подавляющему числу спортсменов разработка, дающая ее пользователю вполне ощутимое спортивное преимущество. Применение

дисковых колес формально не противоречит регламенту УСИ на конструкцию велосипеда, допускаемого к сорев* нованиям, так как, например, в Правилах соревнований по велосипедному спорту, утвержденных Комитетом по физической культуре и спорту при Совете Министров СССР 16 ноября 1976 г., сказано: «Запрещается также применение защитных щитов, фюзеляжей, ветрорезов или других средств, уменьшающих сопротивление воздуха

Рис. 8.34. Эволюция мирового рекорда в часовой гонке среди профес­сионалов: 1 — полигон рекордных результатов (О—данные табл. 8.5); 2 — кривая еп« прокеимации; 3 — экстраполяционный участок графика

при движении вперед». В редакции правил соревнований по велосипедному спорту, утвержденных Государствен­ным комитетом СССР по физической культуре и спорту издания 1987 г. [2], перечень указанных выше ограниче­ний отсутствует. Спорным в этом вопросе может быть лишь тот факт, что дисковый набор не является дополне­нием к стандартному велосипеду, а является органиче­ской и неотъемлемой частью колеса, которая, тем не менее, позволяет достичь технического преимущества.

Трудно предрекать будущее дисковых колес, которые являются естественным продуктом современного техни­ческого прогресса. Вполне возможно ожидать их массо­вый выпуск и снижение стоимости до приемлемого уровня. Но сегодня стало ясно, что меры, принятые УСИ (газета «Правда» № 7 от 07.01.85) по отдельной регистрации рекор­дов, установленных на высокогорных треках, недоста­точны. Очевидно, отдельно должны регистрироваться рекорды, установленные на велосипедах, имеющих такое техническое преимущество, как дисковые колеса.

В заключение необходимо отметить целесообразность проведения научно-технических экспертиз всех новых разработок, внедряемых в велосипедный спорт с целью контроля точности выполнения регламента УСИ.