Madone stawia na prędkość od chwili swoich narodzin. Rowery i wyścigi stają się jednak coraz szybsze, co wymaga nieustannego doskonalenia technologii, jeśli chcesz pozostać na czele peletonu.

Od czasu prezentacji pierwszego Madone w 2003 roku średnia prędkość zawodników podczas wiosennych „monumentów”, czyli najbardziej uznanych klasyków, wzrosła o ok. 1.5 km/h. Oznacza to, że rowerzysta sprzed dwudziestu lat ze sprzętem z tamtych czasów musiałby zwiększyć wydatek mocy o ponad 35 W, aby utrzymać dzisiejsze tempo. Przy wyścigowych prędkościach za 90% oporu odpowiada opór aerodynamiczny, więc wszyscy celujący w zwycięstwo dążą do poprawy charakterystyki aerodynamicznej.

Nowy Madone to następny krok w ewolucji rowerów wyścigowych. Czytaj dalej, aby dowiedzieć się więcej o aerodynamice naszego najszybszego roweru szosowego.

IsoFlow, ciśnienie całkowite i opór ramy

Najbardziej ewidentna zmiana w nowym Madone to system IsoFlow, który poprawia aerodynamikę i komfort rowerzysty przy jednoczesnym ograniczeniu masy. Jak jednak ogranicza opór?

Pomysł na IsoFlow zrodził się po analizie obszarów o wysokim poziomie oporu szóstej generacji Madone i przestudiowaniu przepływu powietrza w tych punktach. Na początku prac projektowych wykorzystujemy do tego oprogramowanie do symulacji przepływu powietrza, czyli system oparty na obliczeniowej mechanice płynów (CFD).

Na tym etapie projektowania często nie modelujemy mniejszych komponentów, takich jak bidony i szprychy. Stawiamy raczej na szybsze symulacje, aby sprawdzić więcej projektów. W efekcie powstaje symulacja modelująca względnie dokładnie zasadniczy przepływ powietrza, a jednocześnie możliwa do wykonania na naszych superkomputerach w przeciągu godzin, nie dni. Nigdy nie pomijamy rowerzysty (chociaż czasem ukrywamy go w wizualizacjach). Występuje on w modelach CFD, gdy symulujemy dynamicznie pedałowanie lub modelujemy różne położenia nóg w ramach kompletnego obrotu korby. Obliczeniowa mechanika płynów (CFD) pozwala nam symulować tysiące różnych warunków i prototypów, dzięki czemu możemy sprawdzić więcej projektów niż byłoby możliwe przy wykonywaniu testów w tunelu aerodynamicznym lub jazd próbnych.

Poniżej przedstawiamy ilustrację wczesnych modeli CFD wykonanych dla poprzedniej generacji Madone w porównaniu z rowerem koncepcyjnym z IsoFlow. Obszary o wysokim poziomie oporu przedstawione są jako „chmury”, przy czym kolor czerwony wskazuje największy opór. Rowerzysta jest w tym przypadku ukryty, co pozwala nam uzyskać lepszy wgląd w przepływ powietrza przy ramie. Wyraźnie widać, że po dodaniu IsoFlow obszary największego oporu znikają.

Czerwone chmury nazywa się w skrócie oporem, ale tak naprawdę pokazują one „ciśnienie całkowite”. Bez wchodzenia zbyt głęboko w terminologię stosowaną w aerodynamice, ciśnienie całkowite można przyrównać do pomiaru energii w przepływającym powietrzu. Chcemy uniknąć niskiego ciśnienia całkowitego (niskiego poziomu energii), ponieważ powoduje to opór. Zależnie do tego, jak interesujące były Twoje lekcje fizyki, być może pamiętasz zasadę zachowania energii. Ma ona tu zastosowanie – jeśli energia zostaje usunięta z przepływającego powietrza, musi skądś pochodzić. W tym przypadku źródłem są Twoje nogi!

Konstrukcja IsoFlow w nowym Madone SLR pozwala zwiększyć energię przepływu wokół i bezpośrednio przez sztycę podsiodłową, zapewniając powietrzu prostą drogę. Stanowi to usprawnienie tradycyjnej konstrukcji, w której musi ono ominąć rurę podsiodłową i górne rury tylnego trójkąta, przez co wchodzi w interakcję z Twoimi nogami i, w efekcie, zwiększa opór.

IsoFlow i opór rowerzysty

IsoFlow nie tylko ogranicza opór ramy. Szybko poruszające się powietrze przepływające przez IsoFlow przekazuje więcej energii do obszaru, gdzie powstaje najwięcej oporu, czyli za i pod rowerzystą. Podczas pedałowania powietrze szuka sposobu na obejście Twoich pleców i nóg, co powoduje powstawanie wirów przeciwbieżnych. Efekt ten opisują powszechnie uznane badania uniwersyteckie i widać go też w naszych badaniach CFD. W poniższej animacji kolory wirów przeciwbieżnych odpowiadają ich sile i kierunkowi obrotu, co ułatwia ich rozróżnienie.

Za większość oporu generowanego przez układ rower-kolarz odpowiada rowerzysta i w dużej mierze omawiany tutaj efekt. IsoFlow pomaga skierować powietrze do obszaru o niskim ciśnieniu, ograniczając opór rowerzysty. Efekt jest nieznaczny, ale nawet niewielka zmiana w ogromnym oporze generowanym przez kolarza często ma większe znaczenie niż poprawa aerodynamiki ramy. Poniższa animacja pokazuje ponownie wiry, ale tym razem kolory wskazują ciśnienie całkowite i podkreślają przepływ przez IsoFlow dodający energię do obszaru za rowerzystą.

Tunel aerodynamiczny pozwala lepiej zbadać efekty pedałowania i turbulentnego (nazywanego też „brudnym”) powietrza, i to właśnie tam przyprowadzamy prototypy, gdy już znajdziemy najbardziej obiecujące formy za pomocą obliczeniowej mechaniki płynów. Wykorzystujemy tunele aerodynamiczne cieszące się zaufaniem firm z branży lotniczej, które wykonują tam prace projektowe i badania ze względu na możliwość pomiaru minimalnych zmian w sile oporu oraz gwarancję wysokiej jakości przepływu powietrza.

Podobnie jak w przypadku CFD, próby wykonujemy zawsze z rowerzystą na rowerze. W końcu rower sam nie jedzie. A rowerzysta ma ogromny wpływ na charakterystykę aerodynamiczną ramy. Jednak jego uwzględnienie wiąże się z problemem. Zmiany w powierzchniach różnych projektów mierzy się często w milimetrach, więc wychwycenie różnic między wersjami wymaga niezwykle wysokiego poziomu powtarzalności badań w tunelu aerodynamicznym. Nawet najbardziej doświadczeni kolarze nie są w stanie powtórzyć swoich ruchów wystarczająco dokładnie byśmy mogli odizolować subtelny efekt jednej drobnej zmiany w projekcie. Co więc robimy?

Prosimy o pomoc Manny’ego, czyli pedałującego manekina.

Manny pozwala nam uzyskać korzyści z prób wykonywanych z rowerzystą (w tym realistyczną aerodynamikę i możliwość przebadania efektów turbulencji generowanych przez ciało i ruch podczas pedałowania), a jednocześnie pozwala uniknąć problemów z człowiekiem, który nie jest w stanie utrzymać idealnej pozycji (a także może narzekać po długim dniu prób w tunelu aerodynamicznym). Dzięki Manny’emu badanie zmian w projekcie jest możliwe z poziomem powtarzalności około ±1 W przy 45 km/h. Nie zrezygnowaliśmy z prób w tunelu aerodynamicznym z prawdziwymi rowerzystami, podczas których potwierdzamy wcześniejsze wyniki i badamy efekt zmian w sprzęcie na konkretnych zawodników Trek-Segafredo, ale wszystko zaczyna się od Manny’ego.

Dane z tunelu aerodynamicznego potwierdzają ograniczenie oporu oszacowane w programach CFD. Po zmianie roweru z poprzedniej generacji na nowego Madone siódmej generacji poziom oporu znacznie spada, gdy rowerzysta napotka nawet lekki wiatr boczny. W tym przypadku założono, że przyjmuje on identyczną pozycję podczas porównań generacji.

Jeśli skorzysta jednak z nowej kierownicy zintegrowanej z mostkiem Madone w identycznym rozmiarze jak w poprzednich generacjach, jego klamkomanetki przesunięte są o 3 cm do środka. Przyjęta dzięki temu pozycja ogranicza dodatkowo opór przy prawie każdym kącie odchylenia, w szczególności przy słabym wietrze bocznym.

Jeśli rowerzysta nie chce zmieniać położenia ramion, staje przed wyborem: większa nowa kierownica/mostek Madone lub zamontowanie innej kierownicy. Wciąż odczuje korzyści z usprawnień w rowerze, ale nie ze zmiany pozycji.

Co to oznacza dla rowerzystów?

Dla ułatwienia porównań rowerów możemy uśrednić opór dla wszystkich kątów odchylenia, by uzyskać jedną wartość oporu dla każdego roweru. Jednak zwykła średnia nie jest reprezentatywna, ponieważ nie każdy kąt odchylenia występuje przez identyczny czas. Dlatego niezbędne jest zastosowanie średniej ważonej, która uwzględnia częstotliwość występowania wiatru bocznego z każdego kąta.

W tym celu obliczyliśmy teoretyczny rozkład procentowy czasu jazdy przy różnych kątach odchylenia oraz wiatrach poprzez zastosowanie w odniesieniu do nich rozkładu Rayleigha, który wskazuje przybliżone wartości dla całej planety. Następnie potwierdziliśmy te obliczenia przy wykorzystaniu danych zebranych podczas jazd z czujnikiem wiatru założonym na rowerze. Najczęściej występuje niski poziom wiatru bocznego, czyli kąt odchylenia jest niski (zazwyczaj 0°). Podczas pojedynczej przejażdżki nie da się trafić idealnie wspomnianego rozkładu kątów odchylenia, ale im więcej jeździsz, tym bardziej zbliżasz się do modelu teoretycznego.

Na koniec, aby uczynić dane bardziej obrazowymi, opór zmierzony z ważonym rozkładem kątów odchylenia przekształcamy w oszczędność mocy i czasu. Na przykład, przy założeniu, że rowerzysta wkłada identyczny wysiłek w jazdę, zmiany w rowerze i pozycji przekładają się na oszczędność 60 sekund na godzinę w porównaniu z poprzednią generacją Madone.

Madone zaprojektowaliśmy z myślą o naszych zawodnikach, ale z usprawnień aerodynamicznych mogą skorzystać wszyscy. Oszczędność czasu nie jest aż tak zależna od prędkości jazdy, jak mogłoby się wydawać, ponieważ przy niższej prędkości przewaga aerodynamiczna utrzymuje się dłużej.

Z kolei dla sportowców mierzących się z coraz większymi prędkościami podczas wyścigów nowy Madone stanowi kluczowy element szerokiej gamy aerodynamicznych usprawnień. Wyniki z tunelu aerodynamicznego pokazują, że przy średniej prędkości najsłynniejszych wiosennych klasyków nowy Madone SLR i pozycja możliwa dzięki jego kierownicy aero pozwalają rowerzyście zwiększyć prędkość o kolejne 0,7 km/h. To prawie połowa całkowitego wzrostu prędkości podczas wyścigów od czasu wprowadzenia pierwszego Madone w 2003 roku i prawdziwa ewolucja w dziedzinie aerodynamiki.

O autorze

John Davis jest głównym inżynierem ds. aerodynamiki w Trek Bicycle. Uzyskał tytuł licencjata w Inżynierii mechanicznej i aerodynamicznej z Uniwersytetu Princeton i tytuł magisterski w Inżynierii lotniczej z Georgia Tech.