Madone je už od samého počátku spojováno s rychlostí. Nyní jsou však kola i cyklistické závody rychlejší, a proto je k udržení náskoku před konkurencí potřeba zavádět lepší technologie.

První Madone spatřilo světlo světa v roce 2003. Od té doby se průměrná rychlost profesionálních jezdců v nejdůležitějších cyklistických závodech zvýšila přibližně o 1,5 km/h. To znamená, že jezdec, který závodil před 20 lety, by k dosažení dnešní rychlosti musel zvýšit svůj výkon o více než 35 wattů za předpokladu, že jeho vybavení zůstane na stejné úrovni. Při takovýchto rychlostech se aerodynamický odpor podílí téměř z 90 % na odporové síle. Proto je lepší aerodynamika zásadní pro ty, kdo chtějí vyhrávat.

Zbrusu nové Madone je dalším vývojovým stádiem možností závodního kola. Seznamte se s aerodynamikou našeho nejrychlejšího silničního závodního kola.

IsoFlow, celkový tlak a odpor rámu

Nejmarkantnější změnou u nového Madone je zbrusu nový prvek IsoFlow, který zlepšuje aerodynamiku, snižuje hmotnost a zvyšuje pohodlí jezdce. Jak ale ke snížení odporu dochází?

IsoFlow vznikl na základě určení oblastí s vyšším odporem na 6. generaci kola Madone a zkoumání proudění vzduchu v daných místech. V raných fázích designu využíváme software zabývající se výpočetní dynamikou tekutin (CFD), pomocí něhož dokážeme nasimulovat proudění vzduchu.

Většinou se v této fázi příliš nezabýváme modelováním menších dílů, jako jsou např. košíky na lahve nebo špice kol. Místo toho se soustředíme na zvýšení simulované rychlosti s cílem vyzkoušet více návrhů. Výsledkem je simulace, která relativně přesně znázorňuje hlavní proud vzduchu a jeho pohyb, a kterou naše superpočítače dokáží zpracovat v řádu hodin, ne dnů. Vždy ale bereme v úvahu i jezdce (přestože ho někdy ve vizualizaci skryjeme). Díky softwaru CFD pak vidíme, jak vzduch proudí během dynamického šlapání nebo při modelaci různých poloh nohou v cyklu šlapání. V CFD simulujeme tisíce podmínek a prototypů. Můžeme tak rychle prozkoumat větší množství designů, než by bylo možné při testování ve větrném tunelu nebo při jízdě.

Na obrázku níže vidíte srovnání CFD z rané fáze předchozí generace Madone s koncepčním kolem s IsoFlow. Oblasti velkého odporu jsou znázorněny jako mračna, v nichž červená barva představuje nejvyšší hodnotu odporu. Zde jsme skryli jezdce, abychom lépe viděli proudění vzduchu kolem rámu. Obrázek jasně dokládá, že použití nového prvku IsoFlow vedlo k eliminaci míst s vysokým odporem.

Červená mračna jsou přibližným znázorněním odporu. Ve skutečnosti vyjadřují „celkový tlak“. Nebudeme ale příliš zabředat do konceptů aerodynamiky. Celkový tlak si lze představit jako množství energie v proudu. Snažíme se vyhnout oblastem s celkově nízkým tlakem (nebo nízkou energií), neboť ty způsobují odpor. A pokud jste měli dobrého učitele fyziky, pak si možná vzpomenete na zákon zachování energie. Nyní ho totiž můžeme uplatnit. Pokud se v proudu nachází energie, kterou odstraňujeme, musí zde být i nějaký zdroj energie. V tomto případě jsou jím vaše nohy.

Díky prvku IsoFlow, jenž je součástí nového designu Madone SLR, dochází ke zvýšení energie proudění okolo sedlové vzpěry a skrze ni tím, že vzduch tudy může volně proudit. Jedná se o vylepšení tradičního designu, u něhož se vzduch musí protlačit kolem sedlovky a sedlové vzpěry, což působí na pohybující se nohy a vytváří odpor.

IsoFlow a odpor jezdce

IsoFlow nesnižuje jen odpor rámu. Rychle proudící vzduch, který prochází prvkem IsoFlow, zvyšuje energii v oblasti, kde dochází ke vzniku největšího odporu, tj. za jezdcem a pod ním. Při šlapání vznikají protiběžné víry způsobené prouděním vzduchu kolem všech záhybů a oblouků, které se tvoří na zádech a kolem nohou. Přítomnost tohoto efektu dokládá několik uznávaných univerzitních studií. Efekt byl patrný i v našem CFD. Protiběžné víry jsou v níže uvedeném videu zobrazeny barevně podle síly a směru otáčení, abychom je od sebe odlišili.

Většinu odporu na kole vytváří jezdec. Velkou měrou se na tom podílí právě zmíněný efekt. IsoFlow pomáhá směrovat vzduch do této nízkotlaké oblasti a minimalizuje odpor vytvářený jezdcem. Jde o nepatrný výsledek. Nicméně jakákoli malá změna ve velkém odporu generovaném jezdcem mívá obvykle mnohem větší dopad než snížení odporu rámu. Níže uvedené video opět znázorňuje víry způsobené jezdcem. Tentokrát jsou zabarveny podle celkového tlaku a zdůrazňují aerodynamické linie proudící skrze IsoFlow, které stoupají a tím zvyšují energii za jezdcem.

Účinky šlapání a turbulenci lze podrobněji studovat ve větrném tunelu, kde zkoušíme prototypy vzešlé z nejslibnějších konceptů navržených za použití výpočetní dynamiky tekutin. Používáme stejné tunely, jaké se využívají v předních leteckých a kosmických společnostech pro design a výzkum, neboť v nich lze měřit nepatrné změny odporu a zdokonalit kvalitní proudění vzduchu.

A stejně jako v případě CFD vždy testujeme aerodynamiku s jezdcem v sedle. Kolo bez něj přece nejezdí. Navíc má jezdec obrovský dopad na aerodynamické vlastnosti rámu. Zahrnutí jezdce však představuje problém. Mezi jednotlivými designy často měníme povrch o pouhé milimetry. Naše výsledky ve větrném tunelu musí být vysoce opakovatelné, aby bylo možné odhalit rozdíly v odporu mezi jednotlivými modely. Ani nejzkušenější profesionální jezdci však nedokáží přesně zopakovat svůj pohyb a je tedy obtížné určit nepatrný rozdíl, k němuž dojde v důsledku jediné minimální změny designu. Jak tedy postupujeme?

Seznamte se s Mannym, naší figurínou schopnou šlapání.

Manny přináší výhody testování s jezdcem (včetně realistické aerodynamiky a možnosti studia účinků turbulence vzniklé přítomností těla a šlapáním) a zároveň odstraňuje negativní následky zapojení člověka, pro kterého je těžké udržet ideální pozici (a který si může po dlouhém dni testování ve větrném tunelu začít stěžovat). Díky Mannymu můžeme studovat designové změny s opakovatelností asi ±1 wattu při rychlosti 45 km/h. Nadále si výsledky ověřujeme při testech ve větrném tunelu s živými jezdci a studujeme dopad vybavení na konkrétní závodníky týmu Trek-Segafredo. S Mannym to ale všechno začíná.

Z těchto dat vyplývá, že odhad zlepšení odporu v CFD byl ověřen ve větrném tunelu. Při přechodu na nejnovější sedmou generaci Madone z té předchozí dochází k podstatnému snížení odporu, když jezdec vjede i jen do mírného bočního větru. V této situaci je jezdec ve stejné pozici při srovnání předchozí generace s novým kolem.

Pokud však jezdec používá novou kombinaci řídítek a představce Madone a stejnou velikost řídítek jako u předchozích generací, pak dochází k posunu řadicích páček o 3 cm směrem dovnitř. Výsledná aerodynamická pozice dále snižuje odpor téměř ve všech úhlech vybočení, zejména pak za malého bočního větru.

Pokud jezdci nevyhovuje užší poloha paží, může zvolit větší velikost nové kombinace řídítek a představce Madone nebo použít řídítka jiná. Přesto zaznamená vylepšení vycházející z kola, ne ze změny pozice.

Co to znamená pro jezdce?

Pro jednodušší srovnání kol lze použít průměr odporu ve všech úhlech vybočení, abychom získali jednu hodnotu odporu pro každé kolo. Aritmetický průměr však neodpovídá hodnotám z reálného prostředí, protože při skutečné jízdě netrávíme v každém úhlu vybočení stejně dlouhou dobu. Proto je nutné použít vážený průměr, který zohledňuje, jak často se jede v každém úhlu nebo bočním větru.

Toho jsme dosáhli výpočtem teoretického procenta času, které jezdec stráví v každém úhlu vybočení při mnohých jízdách a různých podmínkách větru, pomocí Rayleighova rozdělení, jež přibližuje běžné podmínky větru na Zemi. Dané výpočty jsme pak ověřili na základě dat získaných při jízdě v terénu pomocí větrného čidla umístěného na kole. Nejběžnější je malý boční vítr nebo nízký úhel vybočení (nejčastější je 0°). Žádná jízda nebude přesně odpovídat udanému vybočení. Čím déle ale budete jezdit, tím víc se k této hodnotě postupem času přiblížíte.

Smysluplnost získaných dat jsme dále zvýšili převodem váženého odporu vybočení na úsporu energie a času u nového kola. Např. kolo a změna polohy dohromady ušetří 60 sekund za hodinu jezdci, který by na předchozí generaci Madone vyvíjel stejné úsilí.

Madone bylo vyvinuto pro náš profesionální závodní tým. Z uvedených vylepšení aerodynamiky však mohou těžit všichni jezdci. Úspora času pozorovaná jezdcem tolik nezávisí na rychlosti jízd, jak se možná domníváte, jelikož při nižších rychlostech máte víc času na využití aerodynamických výhod.

Profesionálním jezdcům, kteří se musí potýkat s neustále se zvyšující rychlostí při závodech, pak nové Madone zásadně rozšiřuje nabídku aerodynamických vylepšení. Na základě výsledků z tunelu může nové Madone SLR s aerodynamickou pozicí řídítek oproti starému modelu pomoct jezdci při současných průměrných rychlostech, jaké se jezdí na největších závodech, zvýšit rychlost o dalších 0,7 km/h. Jedná se téměř o polovinu celkového zrychlení závodní rychlosti od původního Madone v roce 2003, což představuje zásadní vývoj v aerodynamice.

O autorovi

John Davis je vedoucím aerodynamiky v Trek Bicycle. Získal bakalářský titul v oboru mechanického, leteckého a kosmického inženýrství na Princetonské univerzitě a magisterský titul v leteckém a kosmickém inženýrství na Georgijském technickém institutu.