Madone har haft fokus på fart från första början. Men eftersom cyklarna och cykelsporten blir allt snabbare krävs det bättre teknik än någonsin för att behålla tätpositionen.

Sedan den första Madone lanserades 2003 har cykelproffsens medelhastighet i Monumenten ökat med omkring 1,5 km/h. Det betyder att en åkare från ett lopp för 20 år sedan skulle behöva öka sin kraft med över 35 watt för att hålla dagens tempo, förutsatt att utrustningen inte hade förbättrats och därmed inte kunde bidra till någon fartökning. Vid dessa hastigheter står det aerodynamiska luftmotståndet för nästan 90 procent av den motverkande kraften, så att förbättra aerodynamiken är prio ett för alla som vill vinna.

Nya Madone är nästa steg i utvecklingen av vad en racercykel kan vara. Här kan du läsa om aerodynamiken bakom vår snabbaste landsvägscykel någonsin.

IsoFlow, totalt tryck och luftmotståndet i ramen

Den mest iögonfallande förändringen på nya Madone är den helt nya IsoFlow-detaljen som förbättrar aerodynamiken, vikten och åkkomforten. Men hur minskar den luftmotståndet?

Idén till IsoFlow uppstod genom att vi identifierade områden med högre luftmotstånd på sjätte generationens Madone och studerade luftflödet på dessa ställen. I början av designarbetet gör vi detta med hjälp av luftflödessimuleringar i ett dataprogram, på engelska kallat CFD (computational fluid dynamics).

För det mesta är det inte så viktigt att modellera mindre komponenter som flaskhållare i det här skedet av designprocessen. I stället fokuserar vi på att öka simuleringshastigheten för att kunna testa fler designvarianter. Resultatet blir en simulering som med relativt stor träffsäkerhet modellerar luftflödet i stora drag och som kan utföras på några timmar snarare än dagar i våra superdatorer. Vi låter alltid cyklisten ingå i simuleringen (även om vi inte alltid visar dem för att underlätta visualisering). Cyklisten som beräknas i CFD kan trampa dynamiskt, eller så modellerar vi en rad benpositioner hämtade från tramprörelsen. Vi simulerar tusentals förutsättningar och prototyper i CFD för att snabbt studera fler designvarianter än vi någonsin skulle kunna göra i en vindtunnel eller genom testcykling.

Illustrationen nedan visar föregående Madone-generation i ett tidigt stadium av CFD jämfört med en IsoFlow-konceptcykel. Här visualiserar vi områden med stort luftmotstånd som ”moln”, där rött anger var det är mest luftmotstånd. I det här fallet är åkaren dold, för att vi bättre ska kunna se hur luften flödar runt ramen. Den här illustrationen visar tydligt hur ställen med problematiskt luftmotstånd löses upp tack vare nya IsoFlow.

De röda molnen ska visa luftmotstånd, men vad de egentligen representerar är ”totalt tryck”. Utan att vi fördjupar oss för mycket i aerodynamiska resonemang kan vi tänka oss totalt tryck som ett mått på energin i flödet. Vi vill undvika områden med lågt totalt tryck (eller låg energi) eftersom de orsakar luftmotstånd. Beroende på hur bra din fysiklärare var, kanske du minns att du fick lära dig om energiprincipen. Den är relevant i det här fallet – om energi tas bort från luftflödet, så kommer den någonstans ifrån. I det här fallet kommer den från dina ben!

Med den nya konstruktionen av Madone SLR ser IsoFlow till att öka energin i flödet runt och genom bakstagskonfigurationen, genom att erbjuda en enkel väg för luftflödet att ta sig förbi. Detta är en förbättring av den traditionella konstruktionen där luften måste pressa sig förbi sadelröret och bakstagen, vilket tvingar luften att interagera med dina trampande ben och leder till ökat luftmotstånd.

IsoFlow och åkarens luftmotstånd

IsoFlow gör mer än att bara reducera ramens luftmotstånd Den snabbrörliga luften som passerar genom IsoFlow ökar energinivån i det område som genererar mest luftmotstånd av alla – bakom och under åkaren. När du trampar uppstår luftvirvlar till följd av alla små skrymslen och vrår den måste passera på din rygg och dina ben. Denna effekt har dokumenterats i kvalificerade universitetsstudier, och vi ser den även i våra CFD-resultat. I animeringen nedan har de motroterande luftvirvlarna färgkodats efter rotationens styrka och riktning, för att skilja på dessa.

I systemet som utgörs av cykeln och åkaren beror största delen av luftmotståndet på åkaren, och mycket av det orsakas av just denna effekt. IsoFlow bidrar till att leda luft till detta område med lågt tryck och minskar luftmotståndet som åkaren skapar. Effekten är liten, men alla små förändringar av det enorma luftmotstånd som en åkare genererar kan ofta ha större inverkan än minskningar av ramens luftmotstånd. Animeringen nedan visar också luftvirvlar runt åkaren, men här visar färgen det totala trycket. Den framhäver luftflödet genom IsoFlow som rör sig uppåt och ökar energinivån i området bakom åkaren.

Effekten av trampandet och ”smutsig luft” kan studeras mer ingående i vindtunnel, och det är där vi testar våra prototyper efter att vi har sållat fram våra mest lovande idéer med CFD. Vindtunnlarna vi använder ger ett luftflöde av hög kvalitet och används även av ledande företag inom flygindustrin, som behöver kunna mäta små förändringar i luftmotstånd under sitt konstruktions- och utvecklingsarbete.

Precis som med CFD testar vi alltid aerodynamiken med en åkare på cykeln. Cyklar kan ju inte cykla av sig själva. Och åkaren har en enorm påverkan på ramens aerodynamiska egenskaper. Men att ha med åkaren medför även ett problem. När vi gör konstruktionsändringar av ytor kan justeringarna ofta vara på millimeternivå, så resultaten i vindtunneln måste i hög grad kunna upprepas för att vi ska hitta skillnader i luftmotstånd mellan de olika modellerna. Inte ens en mycket erfaren proffscyklist kan upprepa sina rörelser med så hög precision att vi kan isolera en svag effekt som härrör från en enda liten designjustering. Hur löser vi det?

Med Manny, vår pedaltrampande testdocka.

Manny ger oss fördelarna av att göra tester där åkaren ingår, så att vi får en verklighetstrogen aerodynamik och kan studera effekterna av turbulens som skapas av kroppen och av tramprörelsen. Samtidigt kan vi undvika nackdelarna med en människa som inte klarar att hålla en perfekt åkställning hela tiden (och som kanske inte står ut med en hel dag i vindtunneln). Med Manny kan vi studera konstruktionsändringar med en repeterbarhet på cirka ±1 watt vid 45 km/h. Vi genomför fortfarande vindtunneltester med mänskliga åkare för att bekräfta våra resultat och för att studera utrustningens effekt på specifika cyklister i Trek-Segafredo, men Manny har magiska egenskaper.

De här siffrorna visar att förbättringarna av luftmotståndet som uppskattats med CFD bekräftas i vindtunneln. Det är bara en cykelgeneration mellan den förra Madone och den nya sjunde generationen, men luftmotståndet har sänkts dramatiskt även under förhållanden med svag sidvind. I det här scenariot sitter åkaren i exakt samma ställning vid en jämförelse mellan den förra generationen och den nya.

Men om åkaren använder Madones nya styre/styrstam och behåller samma storlek på styret som på tidigare generationer, flyttas växelreglagen 3 centimeter inåt. Den nya aerodynamiska åkställningen som då uppstår ger en extra minskning av luftmotståndet vid nästan alla vindvinklar, särskilt vid sidvind ur spetsig vinkel.

Om åkaren hellre avstår från en åkställning där armarna hålls tätare ihop, kan han eller hon välja ett större styre/styrstam eller välja en annan lösning på styret. Åkaren drar då nytta av själva cykelns aerodynamiska förbättringar men inte av den förbättrade åkställningen.

Vad betyder detta för åkarna?

För att göra det lättare att jämföra cyklar kan vi ta fram ett medelvärde för luftmotståndet beräknat på alla vindvinklar, så att luftmotståndet för varje cykelmodell anges med en enda siffra. Men ett medelvärde motsvarar inte den verkliga världen, eftersom de olika vindvinklarna inte uppträder i lika stor omfattning. I stället måste vi ta fram ett viktat medelvärde som återspeglar hur ofta varje vindvinkel förekommer.

För att göra detta beräknade vi den teoretiska tiden i procent som en åkare utsätts för varje vindvinkel under många lopp och vindförhållanden. Vi använde Rayleighfördelningen som simulerar normala vindförhållanden på jorden. Vi kontrollerade sedan dessa beräkningar mot data som vi samlat in vid cykeltester under verkliga förhållanden med en vindmätare på cykeln. Det vanligaste är sidvind från en spetsig vinkel (0° är vanligast). Ingen enskild testcykling matchar denna vindfördelning exakt, men ju längre man håller på desto närmare kommer man en överensstämmelse.

Slutligen omvandlas det viktade luftmotståndet till siffror som visar hur mycket energi och tid som åkaren sparar med den nya cykeln. Detta är siffror som är mer användbara på ett konkret plan. Till exempel ger den nya cykeln och ändringen av åkställning tillsammans en besparing på 60 sekunder per timmes cykling för en åkare som arbetar med samma intensitet, jämfört med den föregående generationen av Madone.

Madone är konstruerad främst för vårt proffsstall, men alla åkare kan dra nytta av de aerodynamiska förbättringarna. Tidsbesparingarna som en åkare upplever är inte lika starkt kopplade till cykelhastighet som man kan tro, eftersom man vid lägre hastigheter får mer tid att dra nytta av de aerodynamiska fördelarna.

Och för proffscyklister som måste hantera ständigt ökande tävlingshastigheter är nya Madone en viktig del av alla de aerodynamiska förbättringar de har tillgång till. Med dessa vindtunnelresultat, och vid de medelhastigheter som idag uppnås i Monument-loppen, kan nya Madone SLR och dess aerodynamiska åkställning ge en fartökning på 0,7 km/h för en åkare som byter från den föregående Madone. Det är nästan hälften av den totala fartökningen i tävlingsloppen sedan den första Madone kom 2003, och ett stort steg framåt rent aerodynamiskt.

Om skribenten

John Davis har huvudansvaret för aerodynamik på Trek Bicycle. Han är civilingenjör i maskinteknik och luftfartsteknik med examen från Princeton University och Georgia Tech.