Madone er født til fart. Men i takt med at både cykler og cykelløb bliver hurtigere og hurtigere, kræver det stadigt bedre teknologi at holde sig i spidsen.

Siden lanceringen af den første Madone i 2003 er gennemsnitshastigheden for professionelle cykelryttere i forårsklassikerne steget med ca. 1,5 km/t. Det betyder, at en cykelrytter for tyve år siden skulle øge sin effekt med mere end 35 W for at cykle med nutidens fart i løb, forudsat at cykelrytterens udstyr ikke var på et niveau til at hjælpe ham/hende med at cykle hurtigere. Ved disse hastigheder står luftmodstanden for næsten 90% af modstandseffekten, og derfor er bedre aerodynamik det vigtigste for enhver cykelrytter, der vil vinde.

Den helt nye Madone er det næste trin på udviklingsstigen for, hvad en racercykel kan præstere. Læs videre om aerodynamikken bag Treks hurtigste landevejscykel nogensinde.

IsoFlow, totaltryk og stelluftmodstand

Den mest åbenlyse ændring af den nye Madone er den helt nye IsoFlow-funktion, der forbedrer aerodynamikken, reducerer vægten og øger cykelkomforten. Men hvordan reducerer den luftmodstanden?

IsoFlow kom til verden ved at finde frem til de største luftmodstandsområder på 6. generation af Madone og ved at undersøge luftstrømmen disse steder. I de første designfaser gør vi det ved hjælp af en software til simulering af luftstrøm, som kaldes Computational Fluid Dynamics (CFD).

På dette trin i designfasen går vi ikke så meget op i udformningen af mindre komponenter på cyklen, f.eks. flaskeholdere og eger. I stedet fokuserer vi på at øge simuleringshastigheden i den iterative designfase. Resultatet er en simulering, der forholdsvis præcist formgiver masseluftstrømsbevægelse, og det kan klares på nogle timer (snarere end dage) ved hjælp af vores supercomputere. Det, vi aldrig udelader, er cykelrytteren (selvom vi nogle gange skjuler dem af hensyn til visualiseringen), som medtages i CFD enten trædende i pedalerne eller til modellering af forskellige benstillinger i hele pedalcyklussen. Vi simulerer tusindvis af forhold og prototyper i CFD, så vi hurtigt kan undersøge flere design, end det ville være muligt med test i vindtunnel eller på cyklen.

Nedenfor er der en illustration af CFD i de første faser af den forrige generation af Madone sammenlignet med en IsoFlow-konceptcykel. Her visualiserer vi områder med høj luftmodstand i form af “skyer”, hvor rød repræsenterer, hvor der opstår mest luftmodstand. I dette tilfælde er cykelrytteren skjult, så vi bedre kan se, hvad luftstrømmen udvirker på stellet. På denne illustration ses det tydeligt, hvordan de steder med mest luftmodstand fjernes ved at indsætte den nye IsoFlow.

Som nævnt repræsenterer de røde skyer luftmodstanden, men hvad med “totaltrykket”? Forenklet sagt kan totaltrykket opfattes som et mål for energien i luftstrømmen. Vi ønsker at undgå områder med et lavt totaltryk (eller lav energi), fordi de skaber luftmodstand. Alt efter hvor interessant ens fysiklærer var at lytte til i skolen, husker man måske, at han/hun forsøgte at lære en om energibevarelse. Det er dette begreb, vi anvender her; hvis energien tages ud af luftstrømmen, kommer den et andet sted fra. I dette tilfælde er det fra cykelrytterens ben!

Med den nye konstruktion af Madone SLR kan IsoFlow øge energien i luftstrømmen omkring og igennem sadelrør-/baggaffelområdet ved at give luftstrømmen en klar bane. Det er en forbedring af den traditionelle konstruktion, hvor luften må presse sig rundt om sadelrøret og baggaflen, så den kommer i kontakt med benene, som er i bevægelse, så luftmodstanden øges yderligere.

IsoFlow og cykelrytterens luftmodstand

IsoFlow reducerer ikke bare luftmodstanden på stellet. Den hurtigt bevægende luft, der passerer igennem IsoFlow, hjælper med at tilføre energi i det område, hvor størstedelen af luftmodstanden opstår, nemlig bag og under cykelrytteren. Når der trædes i pedalerne, dannes der modsat roterende hvirvler, når luften forsøger at passere igennem alle snoninger og sving om cykelrytterens ryg og ben. Denne effekt er dokumenteret i flere velansete universitetsundersøgelser, og vi kan også observere den i vores CFD. I animationen nedenfor er de modsat roterende hvirvler farvet efter deres omfang og rotationsretning for at skelne imellem dem.

Størstedelen af luftmodstanden mod cykel-/cykelryttersystemet kommer fra cykelrytteren, og en stor del heraf skyldes netop denne effekt. IsoFlow hjælper med at sende luften ind i dette lavtryksområde og reducere den luftmodstand, som cykelrytteren laver. Virkningen er lille, men enhver lille ændring af den kæmpe mængde luftmodstand, som en cykelrytter laver, kan ofte have en større virkning end at reducere luftmodstanden mod stellet. I animationen nedenfor ses hvirvlerne fra cykelrytteren igen, men nu viser farverne totaltrykket og fremhæver de strømningslinjer igennem IsoFlow, der bevæger sig opad og tilfører energi til cykelrytterens luftstrøm.

Effekten af at træde i pedalerne og af den “beskidte luft” kan undersøges nærmere i vindtunnel, hvor vi tester vores prototyper efter vores mest lovende koncepter fra CFD. De vindtunneller, vi bruger, anvendes af førende luft- og rumfartsselskaber i deres design og forskning på grund af disse vindtunnellers evne til at måle bittesmå ændringer i luftmodstandens kraft og til at frembringe luftstrøm af høj kvalitet.

Ligesom ved CFD tester vi altid aerodynamikken med en cykelrytter på cyklen. Cykler kan trods alt ikke bevæge sig selv. Og cykelrytteren påvirker i enorm grad et stels aerodynamiske egenskaber. Men cykelrytteren er problematisk i målingerne. Vi skifter ofte overflader, som afviger med få millimeter fra design til design, og derfor skal vores resultater i vindtunnellen være maksimalt repeterbare for at kunne registrere forskelle i luftmodstand fra model til model. Selv de mest erfarne professionelle cykelryttere er ikke i stand til at gentage deres bevægelser præcist nok til, at vi kan isolere den allermindste effekt af en mindre ændring af designet. Så hvad gør vi?

Vi hyrer Manny den pedaltrædende forsøgsdukke.

Manny har alle de samme testegenskaber som en cykelrytter (herunder realistisk aerodynamik og muligheden for at undersøge virkningerne af turbulens dannet af kroppen og ved at træde i pedalerne), men derimod ingen af menneskets ulemper, bl.a. at mennesker ikke kan fastholde den samme kropsstilling (og at de gerne brokker sig oven på en lang dag i vindtunnellen!). Med Manny kan vi undersøge designændringer med en repeterbarhed på ca. ±1 W ved 45 km/t. Vi foretager dog stadig vindtunneltest med rigtige cykelryttere for at efterprøve vores resultater og undersøge udstyrsvirkninger på udvalgte Trek-Segafredo-cykelryttere, men magien starter med Manny.

Disse data viser, at de anslåede luftmodstandsforbedringer i CFD blev bekræftet i vindtunnellen. Med blot ét cykelskift fra den tidligere generation til den nye 7. generation af Madone falder luftmodstanden markant, når cykelrytteren udsættes for selv mindre sidevind. I dette scenarie sidder cykelrytteren i præcis samme stilling position som på den tidligere generation af den nye cykel.

Men hvis cykelrytteren har den nye Madone styr/frempind og den samme styrstørrelse som tidligere generationer, er skiftegrebene rykket 3 cm indad. Den aerodynamiske stilling, der opnås derved, reducerer luftmodstanden yderligere i stort set alle drejevinkler, især ved svag sidevind.

Hvis cykelrytteren ikke ønsker den smallere armstilling, kan han/hun vælge enten en større Madone-styr/frempind som på den nye model eller vælge en anden styrløsning. Selvom cykelrytteren ikke ønsker denne stilling, drager han/hun alligevel fordel af forbedringerne af den nye cykel.

Hvilken betydning har det for cykelryttere?

For at gøre det nemmere at sammenligne cykler kan vi sætte en gennemsnitlig værdi for luftmodstand i alle drejevinkler og på den måde opnå en luftmodstandsværdi for hver cykel. Men en gennemsnitsværdi er ikke repræsentativ i den virkelige verden, fordi man ikke vil opleve alle drejevinkler inden for den samme medgåede tid. I stedet er vi nødt til at anvende et vægtet gennemsnit, der tager højde for, hvor ofte man oplever hver vinkel eller sidevind.

Det har vi gjort ved at beregne den teoretisk procentmæssige tid, som en cykelrytter sidder i hver drejevinkel på mange ture og under mange forskellige vindforhold, ved hjælp af Rayleighs vindfordeling, der tilnærmer normale vindforhold på jorden. Dernæst har efterprøvet vi disse beregninger ved hjælp af data, som vi indsamler via cykling i den virkelige verden ved hjælp af en vindsensor på cyklen. De mest forekommende vejrforhold er svag sidevind (svag drejevinkel, hvor 0° er hyppigst forekommende). Der vil aldrig være netop denne drejevinkelfordeling, men jo længere man cykler, desto mere tilnærmer man sig den over tid.

Og for at få dataene til at give mere mening omregner vi til sidst den drejevinkelvægtede luftmodstand til værdier for effekt- og tidsbesparelser på den nye cykel. Eksempelvis giver cykel- og stillingsændringen til sammen 60 sekunders tidsbesparelse i løbet af en time for en cykelrytter, der lægger de samme kræfter i på cyklen sammenlignet med den forrige generation af Madone.

Madone er udviklet til Treks professionelle cykelhold, men disse aerodynamiske gevinster gavner enhver cykelrytter. De tidsbesparelser, som en cykelrytter kan konstatere, er ikke så følsomme i forhold til cykelhastigheden, som man måske tror, fordi man ved lavere hastigheder har mere tid til at udnytte den aerodynamiske fordel.

Og for de professionelle cykelryttere, der deltager i løb, hvor hastigheden er konstant stigende, er den nye Madone en vigtig brik i arsenalet af aerodynamiske fremskridt, som de har til rådighed. Med disse vindtunnelresultater, ved nutidens gennemsnitlige hastigheder i forårsklassikerne, kan den nye Madone SLR og dens aerodynamiske styrplacering hjælpe en cykelrytter, som skifter fra den gamle Madone, med at øge sin cykelhastighed yderligere 0,7 km/t. Det er næsten halvdelen af den samlede stigning af hastigheden i løbene siden lanceringen af den oprindelige Madone i 2003 – og en reel aerodynamisk udvikling.

Om forfatteren

John Davis er chef for Aerodynamics hos Trek Bicycle. Han har en bachelor i maskin- og luft-/rumfartsteknik fra Princeton University og en kandidatgrad i luft-/rumfartsteknik fra Georgia Tech.