你該換姿勢了!專業分析風阻與騎行的關係!

運動大聯盟     2017年12月06日

摘要 :當自行車騎士在空氣中運動的時候,空氣支對騎士施加一股力量,稱為空氣阻力,又稱風阻(Drag)。研究這種物體民氣體作相對運動情況下的受力特性,即為空氣動力學(Aerodynamics),科學家對此已有相當程度的研究。

  當自行車騎士在空氣中運動的時候,空氣支對騎士施加一股力量,稱為空氣阻力,又稱風阻(Drag)。研究這種物體民氣體作相對運動情況下的受力特性,即為空氣動力學(Aerodynamics),科學家對此已有相當程度的研究。雖然一般人看不見它,對它的感受也只限於騎快的時候會有呼呼的風從臉旁吹過,但它對於騎士的踩踏能量損耗,可不亞於傳動系統的摩擦阻力,所以千萬別小看它!

  

  空氣阻力實際上與有效迎風面積(EffectiveFrontalArea)、前進速度(Veloity)的平方以及阻力係數(DragCoefficent)成正比。當有效迎風面積增加1倍時,阻力會增加一倍;而阻力係數增加一倍,阻力也會增加一倍;但是速度增加一倍時,阻力則會增加三倍,變成原先的四倍。因為空氣阻力的影響如此之大,在1970、1980年代,科學家們進行廣泛而深入的研究不論是從理論分析、數值仿真或利用風洞測試等,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VS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/h前進,所受的空氣阻力約為10牛頓。而如果將身體彎下來,像場地賽選手那樣地騎乘,大約可減少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空氣阻力仍是減少55%,但在其後的選手可以較正姿騎乘減少86%的阻力,等於只要花原先1/7的力量就可以克服空氣阻力。

  各姿勢對風阻的影響,你該換姿勢了!

  

  

   比賽戰術VS風阻

  在整個車隊前進的情況下,領騎選手較其後選手約多3倍的空氣阻力,因此允許自行車的團隊比賽中(目前UCI多數的畫隊賽都允許),戰術如何的運用就顯得格外重要。

  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。

  

  而在整個自行車運動中,人體所佔的有效迎風面積比例最高,風阻係數也較高,產生之空氣阻力約佔整體阻力的60%,所以採用低風阻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, 整體輪組約佔了整個阻力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,希望能有效減少風阻。至於車架的影響約與輪組相當,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研究的焦點。

  輪組vs風阻

  改用低風阻輪組可以發現,前輪之影響後輪大,這是因為前輪為整輛車最先接觸到空氣的部分,所以在前輪下功夫是較具經濟效應。至於後輪,由於空氣經過人體,已產生擾流,如以同樣的方式改進後輪,其效果沒有前輪顯著。

  

  最先出現的低風阻設計是碟輪(DiscWheel),因完全沒有鋼絲,正向風阻最小,結構剛性也最佳,並提供了最高的轉動慣量,常見於場地賽或計時賽。不過側風時,由於輪組所受的風力過大,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,不適由於輻條體積較鋼線大,在重量上失去優勢。為了輕量化,碳織維成為該型輪組的主流材料,但其價格與製造難度偏高,使得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到的方式,直接減少鋼絲數量,利用高強度的鋼絲(或鈦絲)取代舊有鋼絲,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,鋼絲編法之設計理論各不相同,車友可作多方比較,選擇適合自己的輪組。

  車架&前叉vs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。

  

  自行車行進過程中,車架&前叉與風阻關係甚大

  以1984年洛杉磯奧運美國隊所採用的低風阻車架(Huffy製造)為例,無風時大約可減少5%的阻力,而10度側風時竟能減少12%的阻力,讓美國隊在1984、1988兩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,空氣阻力約可以減少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尋找出平衡點,但其成本的增加則是無可避免,再加上一般的登山車騎乘速度較慢,強調的是Off- road的舒適性與操控性,所以低風阻設計仍不常見。至於公路車因為不需考慮避震機構,前叉直徑較小,且時速較快(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阻設計的出現。

  

  事實上,自行車風阻的問題相當複雜,但對於愛好騎車而非科學家的一般車友,能在選購低風阻設計零組件時,有概念知道該如何選擇適合自己的產品就足夠了。而車友們下次騎車的時候,除了享受追風的樂趣外,也可以親身體驗一下空氣動力學奧妙!

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