Madone on omistettu alusta lähtien nopeudelle. Pyörien ja pyörillä kilpailemisen muuttuessa yhä nopeammaksi kilpailijoiden edellä pysymiseen vaaditaan kuitenkin parempaa teknologiaa kuin koskaan aiemmin.

Sen jälkeen kun ensimmäinen Madone ilmestyi vuonna 2003, kevään klassikkokilpailuissa kisaavien ammattilaisajajien keskinopeus on noussut noin 1,5 km/h. Tämä tarkoittaa, että 20 vuoden takaisten ajajien olisi nostettava tehontuottoaan yli 35 watilla kilpaillakseen nykypäivän nopeuksilla, sillä oletuksella, että heidän varusteensa eivät olisi kehittyneet lisäämään nopeutta. Näissä nopeuksissa aerodynaaminen ilmanvastus vastaa lähes 90 prosentista etenemistä vastustavasta voimasta, minkä vuoksi aerodynamiikan parantaminen on ensimmäinen asia kaikkien voittoa tavoittelevien mielessä.

Täysin uusi Madone on kilpapyörien evoluution seuraava vaihe. Jatkamalla lukemista pääset perehtymään kaikkien aikojen nopeimman maantiepyörämme aerodynaamisiin ominaisuuksiin.

IsoFlow, kokonaispaine ja rungon ilmanvastus

Selkein muutos uudessa Madonessa on upouusi IsoFlow-ratkaisu, joka parantaa aerodynamiikkaa ja ajomukavuutta sekä keventää painoa. Mutta miten se vähentää ilmanvastusta?

IsoFlow sai alkunsa suurten ilmanvastusalueiden tunnistamisesta kuudennen sukupolven Madonesta ja ilmavirtausten tutkimisesta kyseisissä kohdissa. Suunnittelun alkuvaiheessa teemme tämän laskennallista virtausdynamiikkaa käyttävällä Computation Fluid Dynamics (CFD) -ohjelmistolla, joka simuloi ilmavirtausta.

Emme usein välitä kovin paljon pullotelineiden ja pinnojen kaltaisten pienten osien mallinnuksesta suunnitteluprosessin tässä kohdassa. Keskitymme sen sijaan simulaationopeuden kasvattamiseen iteroidaksemme useampia malleja. Tuloksena on simulaatio, joka mallintaa suuren ilmavirtamäärän liikettä suhteellisen tarkasti ja jolla saadaan tuloksia päivien sijaan tunneissa supertietokoneidemme avulla. Yksi asia, jota emme jätä koskaan pois, on ajaja (vaikka joskus piilotammekin ajajan visualisoinneista). Otamme ajajan mukaan CFD:hen joko polkemaan dynaamisesti tai mallintamalla joukon asentoja polkimien kierroksesta, kun jalat ovat polkimilla. Simuloimme CFD:ssä tuhansia olosuhteita ja prototyyppejä, jotta voimme tutkia nopeasti enemmän malleja kuin tuulitunnelitestauksella tai ajotestauksella voi koskaan toteuttaa.

Alla on kuva varhaisen vaiheen CFD-mallinnuksesta, jossa edellisen sukupolven Madonea on verrattu IsoFlow-konseptipyörään. Suuren ilmanvastuksen alueet on havainnollistettu ”pilvinä”, joissa punainen osoittaa eniten ilmanvastusta synnyttäviä kohtia. Tässä esimerkissä ajaja on piilotettu kuvasta, jotta näemme paremmin, mitä ilmavirtaus tekee rungolla. Tämä kuva näyttää selvästi, miten ilmanvastuksen suurimmat kohdat saadaan poistettua uuden IsoFlow’n lisäämisellä.

Vaikka punaiset pilvet osoittavat ilmanvastuskohdat, ne edustavat oikeasti ”kokonaispainetta”. Sukeltamatta liian syvälle aerodynaamisiin käsitteisiin voimme ajatella kokonaispainetta ilmavirrassa olevan energian mittarina. Haluamme välttää alueita, joissa kokonaispaine (tai energia) on matala, koska ne aiheuttavat ilmanvastusta. Jos fysiikan opettajasi osasi esittää asiat riittävän kiinnostavasti, saatat muistaa oppineesi energian säilymislaista. Se pätee tässä – jos energiaa poistetaan ilmavirtauksesta, se on peräisin jostakin. Tässä tapauksessa jostakin tarkoittaa ajajan jalkoja!

Madone SLR:n uudessa mallissa IsoFlow pystyy kasvattamaan virtauksen energiaa takahaarukan yläputkien yhtymäkohdan ympärillä ja sen läpi antamalla ilmavirtaukselle esteettömän kulkureitin. Tämä on parannus verrattuna perinteiseen rakenteeseen, jossa ilman on puristuttava satulaputken ja takahaarukan yläputkien ympäri. Tällöin ilma joutuu vuorovaikutukseen liikkuvien jalkojen kanssa ja ilmanvastus lisääntyy.

IsoFlow ja ajajan ilmanvastus

IsoFlow tekee muutakin kuin vähentää rungon ilmanvastusta. IsoFlow’n läpi kulkeva, nopeasti liikkuva ilma auttaa lisäämään energiaa ajajan taakse ja alle. Nämä ovat alueet, joissa suurin osa kaikesta ilmanvastuksesta syntyy. Ajajan polkiessa muodostuu vastavirtaisia ilmapyörteitä, kun ilma yrittää pujotella kaikkien mutkien ja esteiden ohi päästäkseen ajajan selän ja jalkojen taakse. Tämä vaikutus on dokumentoitu eräissä arvostetuissa yliopistotutkimuksissa, ja voimme nähdä sen myös CFD-mallinnuksessamme. Alla olevassa animaatiossa kaksi vastavirtaista ilmapyörrettä on väritetty niiden suuruuden ja pyörimissuunnan perusteella niiden erottamiseksi.

Suurin osa pyörän ja ajajan yhteisjärjestelmän ilmanvastuksesta syntyy ajajasta, ja suurin osa siitä johtuu tästä kyseisestä vaikutuksesta. IsoFlow auttaa ohjaamaan ilmaa tähän matalapaineiseen alueeseen ja vähentämään ajajan luomaa ilmanvastusta. Vaikutus on pieni, mutta millä tahansa pienellä muutoksella ajajan luomaan valtavaan ilmanvastukseen voi usein olla merkittävämpi vaikutus kuin rungon ilmanvastukseen tehdyillä vähennyksillä. Alla olevassa animaatiossa näkyy jälleen ajajan muodostamia ilmapyörteitä. Tällä kertaa ne on kuitenkin väritetty kokonaispaineen perusteella ja ne korostavat IsoFlow’n läpi kulkevia virtausviivoja, jotka siirtyvät ylöspäin ja lisäävät energiaa ajajan taakse.

Polkemisen ja ”likaisen ilman” vaikutuksia voidaan tutkia enemmän tuulitunnelissa. Viemme prototyyppimme sinne, kun lupaavimmat konseptit on saatu selville CFD-mallinnuksella. Käytämme tuulitunneleita, joihin luottavat myös johtavat ilmailualan yritykset suunnittelu- ja kehitystyössään. Syynä on mahdollisuus hyvin pientenkin muutosten mittaamiseen ilmanvastuksen voimassa ja korkealaatuisen ilmavirtauksen hyödyntäminen.

Aivan kuten CFD-mallinnuksessa, testaamme aerodynaamisuutta aina ajajan kanssa. Loppujen lopuksi pyörät eivät aja itsekseen. Ja ajajalla on suunnaton vaikutus rungon aerodynaamisiin ominaisuuksiin. Ajajan mukaan ottamisessa on kuitenkin ongelma. Muutamme pintoja mallien välillä usein vain millimetrien verran, joten tuulitunnelissa saatujen tulosten on oltava hyvin toistettavissa ilmanvastuserojen havaitsemiseksi. Edes kokeneimmat ammattilaispyöräilijät eivät pysty toistamaan liikkeitään riittävän tarkasti, jotta pystyisimme eristämään yhdestä pienestä rakennemuutoksesta syntyneen hienovaraisen vaikutuksen. Mitä siis teemme?

Kuvioihin astuu polkeva mallinukke Manny.

Manny tarjoaa ajajan kanssa testaamisen edut, kuten realistisen aerodynamiikan ja mahdollisuuden tarkastella kehon ja polkemisen aiheuttaman turbulenssin vaikutuksia. Samalla vältämme haitat, jotka aiheutuvat ihmisestä, joka ei kykene säilyttämään täydellistä ajoasentoa ja voi valittaa pitkän tuulitunnelissa vietetyn testauspäivän jälkeen. Mannyn avulla voimme tutkia rakennemuutoksia toistettavuudella, jossa tehontuotto on 45 kilometrin tuntinopeudessa noin ±1 wattia. Suoritamme tuulitunnelitestejä myös oikeiden ajajien kanssa vahvistaaksemme tulokset ja tutkiaksemme varusteiden vaikutusta tiettyihin Trek-Segafredon kilpailijoihin. Todellinen taika alkaa kuitenkin Mannystä.

Tämä data osoittaa, että CFD-mallinnuksessa arvioidut parannukset ilmanvastuksessa vahvistettiin tuulitunnelissa. Pelkästään vaihtamalla pyörää edellisestä versiosta seitsemännen sukupolven Madoneen ilmanvastus pienenee merkittävästi jo silloin, kun ajaja joutuu edes pieniin sivutuulioloihin. Tässä tapauksessa ajaja on täysin samassa asennossa, kun verrataan edellisen sukupolven pyörää uuteen.

Jos ajaja kuitenkin käyttää uutta Madonen ohjaustangon ja ohjainkannattimen yhdistelmää ja pitää ohjaustangon koon samana edellisiin sukupolviin nähden, vaihdinvivut siirtyvät sisäänpäin 3 cm. Näin saatava aerodynaaminen asento vähentää ilmanvastusta lisää lähes kaikissa tuulen kohtauskulmissa, erityisesti kulmaltaan pienissä sivutuulioloissa.

Jos ajaja haluaa luopua kapeammasta käsivarsien asennosta, hän voi joko valita suuremman koon uudelle Madonen ohjaustanko-ohjainkannattimelle tai käyttää muunlaista tankoratkaisua. Tällöin ajaja saa yhä pyörän tarjoamat edut mutta ei asentomuutoksesta tulevia etuja.

Mitä tämä tarkoittaa ajajille?

Voimme verrata pyöriä yksinkertaisemmin, kun laskemme keskiarvon ilmanvastukselle ilmavirran kaikkien kohtauskulmien perusteella ja saamme siten yhden ilmanvastusnumeron joka pyörälle. Suora keskiarvo ei kuitenkaan edusta todellisuutta, koska kaikki kohtauskulmat eivät toteudu ajallisesti yhtä suuressa määrin. Meidän on sen sijaan käytettävä painotettua keskiarvoa, joka ottaa huomioon, miten usein jokainen kohtauskulma tai sivutuuliolosuhde toteutuu.

Teimme tämän laskemalla teoreettisen prosenttiosuuden ajasta, jonka ajaja viettää jokaisessa kohtauskulmassa useiden ajokertojen ja tuuliolosuhteiden aikana. Käytimme laskennassa Rayleigh-tuulijakaumaa, joka muodostaa arvion maapallon normaaleista tuuliolosuhteista. Vahvistimme sitten laskelmat datalla, jonka keräsimme todellisissa ympäristöissä tehtyjen pyörälenkkien aikana pyörään kiinnitetyllä tuulianturilla. Yleisimmissä olosuhteissa ajaja ja pyörä kohtaavat sivutuulta pienellä kohtauskulmalla (nolla astetta on yleisin). Mikään yksittäinen ajokerta ei vastaa täysin tätä kohtauskulmajakaumaa, mutta mitä pidempään ajo jatkuu, sitä lähemmäksi sitä päästään.

Lopuksi teemme datasta selkeämpää muuntamalla kohtauskulmilla painotetun ilmanvastuksen tehon- ja ajansäästöksi, jotka uusi pyörä tarjoaa. Esimerkiksi pyörä ja ajoasennon muutos säästävät ajajalta yhdessä 60 sekuntia yhden tunnin aikana verrattuna pyöräilyyn samalla teholla edellisen sukupolven Madonella.

Madone suunniteltiin ammattilaisjoukkuettamme ajatellen, mutta kaikki ajajat voivat hyötyä sen aerodynaamisista eduista. Ajajan säästämä aika ei riipu niin paljon ajonopeudesta kuin voisi kuvitella, sillä hitaammissa nopeuksissa aerodynaamisia etuja on enemmän aikaa hyödyntää.

Ja ammattilaisajajille, joiden on mukauduttava alati kasvaviin kilpailunopeuksiin, uusi Madone on erinomainen lisäys käytettävissä olevien kehittyneiden aerodynaamisten välineiden joukkoon. Näillä tuulitunnelituloksilla ja nykyisillä kevään monumenttikilpailujen keskinopeuksilla uusi Madone SLR ja sen aerodynaaminen ohjaustangon asento voivat auttaa vanhasta Madonesta siirtyvää ajajaa kasvattamaan nopeuttaan 0,7 km/h. Se on lähes puolet kilpailunopeuksien kokonaisnoususta vuoden 2003 alkuperäisen Madonen aikaan verrattuna ja edustaa aerodynamiikan todellista kehitystä.

Tietoa kirjoittajasta

John Davis on aerodynamiikkatiimin johtaja Trek Bicyclellä. Hänellä on kandidaatintutkinto konetekniikan ja avaruustekniikan ohjelmasta Princetonin yliopistosta sekä diplomi-insinöörin tutkinto avaruustekniikan ohjelmasta Georgian teknillisestä yliopistosta.