Sekrety prędkości roweru: Dlaczego niektóre są szybsze?

Od wieków ludzkość dąży do prędkości, a rower stał się jednym z najpopularniejszych narzędzi do jej osiągania. Na pierwszy rzut oka odpowiedź na pytanie, dlaczego niektóre rowery jeżdżą szybciej niż inne, wydaje się prosta: "to te wyścigowe!". Kiedyś faktycznie tak było – rower wyścigowy z wąskimi oponami był synonimem szybkości. Lekkość i aerodynamiczna pozycja jazdy dodatkowo potęgowały to wrażenie. Jednak era rowerów "all-road" zrewolucjonizowała podejście do szybkości, komplikując nieco sprawę. Testując najnowszy rower wyścigowy OPEN MIN.D. obok roweru all-road Firefly, mieliśmy okazję dogłębnie zbadać, co tak naprawdę decyduje o prędkości roweru. Porównanie karbonu z tytanem, opon 32 mm z 54 mm, superlekkiego modelu (7.7 kg) z lżejszym (9.7 kg) – który z nich jest szybszy? Co sprawia, że rower nabiera prędkości i jakie elementy mają na to największy wpływ? Zapraszam Cię w podróż po świecie fizyki i technologii rowerowej, aby odkryć sekrety prędkości na dwóch kółkach.

Waga roweru a prędkość – czy lekkość zawsze wygrywa?

Waga roweru to parametr, który łatwo zmierzyć – wystarczy zawiesić go na wadze. Rower OPEN, ważący 7.7 kg, jest o 20% lżejszy od Firefly (9.7 kg). Intuicja podpowiada, że lżejszy rower będzie szybszy pod górę. Ale o ile szybszy? Czy 20% różnicy w wadze jest odczuwalne podczas jazdy z przyjaciółmi? Odpowiedź może zaskoczyć – niekoniecznie. Aby zrozumieć dlaczego, musimy spojrzeć na rower i rowerzystę jako całość. Załóżmy, że rowerzysta waży 70 kg. Wtedy całkowita masa zestawu rower+rowerzysta dla OPEN wynosi nieco ponad 80 kg. Różnica 2 kg w wadze samego roweru stanowi zaledwie 2.5% całkowitej masy. Ponieważ opór powietrza rośnie z kwadratem prędkości, 2.5% różnicy w masie przekłada się na zaledwie 1-2% różnicy w prędkości. Jak się przekonamy, nawet gdybyśmy dodatkowo obciążyli OPEN i odchudzili Firefly, różnica w prędkości pod górę pozostałaby minimalna.

Nie oznacza to, że waga jest bez znaczenia. Lżejszy rower jest bardziej responsywny, zwłaszcza podczas jazdy na stojąco. Sposób, w jaki rower kołysze się na boki podczas pedałowania w korbach, zależy od jego masy i rozkładu ciężaru. Niżej położony środek ciężkości jest korzystny, dlatego umieszczenie bidonów nisko w ramie ma sens. Jednak w kontekście prędkości, sama waga ramy nie jest kluczowym czynnikiem. Ważniejsza jest waga kół i ich moment bezwładności.

Czy lżejsze koła przyspieszają szybciej?

Fizyka mówi, że lżejsze koła szybciej się rozpędzają. Często słyszy się, że "gram urwany na kołach jest wart kilograma na ramie". Czy rotująca masa naprawdę robi aż tak dużą różnicę? OPEN ma obręcze karbonowe i superlekkie opony (235 g). Opony Firefly o szerokości 54 mm są bardzo lekkie jak na tak duże opony (418 g), ale ilość gumy w oponie 54 mm jest znaczna. Dodając do tego aluminiowe obręcze, okazuje się, że cięższe koła Firefly stanowią prawie połowę różnicy w wadze między oboma rowerami. Podczas sprintu pod górę można by oczekiwać, że rower wyścigowy (OPEN) zostawi rower all-road (Firefly) daleko w tyle. Aby to sprawdzić, przeprowadziliśmy serię sprintów pod stromą ścianę w Seattle. Powtarzaliśmy test wielokrotnie, zamieniając się rowerami, aż wynik stał się jasny: podczas sprintów z maksymalną mocą oba rowery były równo dopasowane.

Mogło się zdarzyć, że jakiś ukryty czynnik – być może "magia tytanu" – daje Firefly przewagę i kompensuje jego większą wagę i szersze opony. Jak się o tym przekonać? Prosto: zakładając węższe (i lżejsze) opony do Firefly. Opony Rene Herse Elk Pass należą do najlżejszych opon rowerowych na świecie. Mają szerokość 30 mm i ważą zaledwie 165 g. To o 2 mm węższe i 70 g lżejsze – każda! – od opon OPEN. Teraz koła Firefly są nawet nieco lżejsze od kół OPEN. Aby jeszcze bardziej zrównoważyć wagę, dodaliśmy dwa pełne bidony do OPEN i dwa puste do Firefly. Teraz oba rowery ważą tyle samo, a Firefly ma węższe opony i lżejsze koła. Wcześniej oba rowery były równe. Czy teraz, po usunięciu tak dużej wagi i oporów, Firefly będzie szybszy od OPEN? Prędkość Firefly pod górę pozostała niezmieniona. Przyspiesza równie szybko na smukłych oponach 30 mm, jak i na dużych gumach 54 mm. Zdjęcie ponad pół kilograma z kół nie zrobiło zauważalnej różnicy. Dlaczego? Prosty (i smutny) fakt jest taki, że rowerzyści nie mają zbyt wysokiego stosunku mocy do masy. Nawet najtańsze samochody ekonomiczne mają pięć razy więcej koni mechanicznych na kilogram (lub funt) masy niż zawodowy kolarz szosowy. Rowerzyści nie przyspieszają zbyt szybko, a waga części rotujących nie robi ogromnej różnicy. To prosta fizyka i łatwo to obliczyć. W rzeczywistości zrobiliśmy to dla naszej książki "The All-Road Bike Revolution". Uruchomiliśmy model z dwoma sprinterami światowej klasy (pomyśl o Peterze Saganie i Samie Bennetcie), którzy generują po 1600 watów każdy. Sprintują obok siebie, jeden na superlekkich kołach (jak OPEN), drugi na ciężkich kołach z szerokimi oponami (+530 g, pomyśl o Firefly z oponami 54 mm). Po 200 metrach sprinter na lekkich kołach będzie zaledwie o stopę lub 30 centymetrów przed sprinterem na cięższych kołach. To zaledwie 0.1%. W terminologii kolarskiej: pół długości koła. Dla zawodowego sprintera pół koła może zadecydować o zwycięstwie lub drugim miejscu. Dla reszty z nas różnica nie jest zauważalna nawet podczas sprintów z maksymalną mocą. Inne czynniki zamaskują 0.1% różnicę w prędkości.

Aerodynamika – klucz do wysokich prędkości

Przy wysokich prędkościach aerodynamika staje się głównym oporem, który rowerzysta musi pokonać. Podobnie jak w przypadku wagi, głównym elementem aerodynamicznym jest rowerzysta. Niższa i węższa pozycja znacznie zmniejsza opór powietrza rowerzysty. Ubrania, które trzepoczą na wietrze, zauważalnie zwiększają opór powietrza. Dlatego kierownice aerodynamiczne są tak skuteczne: obniżają rowerzystę i przyciągają jego ramiona do wewnątrz, zmniejszając powierzchnię czołową na dwa sposoby. Pozycja jest jednak zawsze kompromisem: jeśli jesteś zbyt nisko i wąsko, aby było ci wygodnie, generujesz mniejszą moc i jedziesz wolniej niż w nieco mniej aerodynamicznej, ale wygodniejszej pozycji. Na potrzeby testu Firefly vs. OPEN ustawiliśmy oba rowery z identycznymi pozycjami jazdy. Jedyna różnica polegała na tym, że kierownica OPEN była nieco szersza (45.5 vs 42 cm). Kiedy oba rowery były wyposażone w opony 30-32 mm, Firefly toczył się nieco szybciej na umiarkowanym zjeździe, niezależnie od tego, czy jechał na nim Mark, czy ja. Z szerszymi oponami 54 mm na Firefly, oba rowery toczyły się z tą samą prędkością. Innymi słowy, 24 mm szersze opony miały taki sam efekt jak 3.5 cm szersza kierownica... Nie oznacza to, że szersze opony są zawsze mniej aerodynamiczne: w innym teście stwierdziliśmy, że szersze opony nie zwiększają oporu powietrza, o ile nie są szersze niż rura dolna roweru. Testowaliśmy opony o szerokości od 28 mm do 44 mm w starannie kontrolowanym teście toczenia (zerowy wiatr, stała temperatura, wielokrotne powtórzenia). Wniosek: na rowerze, którego użyliśmy w tym teście (Salsa Warbird), opony 44 mm są tak samo aerodynamiczne jak opony 28 mm.

A co z kołami aerodynamicznymi?

Koła aerodynamiczne są popularnym ulepszeniem poprawiającym osiągi roweru. W testach w tunelu aerodynamicznym poprawiają aerodynamikę roweru i rowerzysty o około 2-3%. Czy różnica jest zauważalna na drodze? OPEN ma 24 szprychy i obręcze aerodynamiczne, podczas gdy Firefly ma 28 szprych i obręcze, które nie są szczególnie aerodynamiczne. Jednak na zjeździe OPEN toczył się wolniej niż Firefly, kiedy oba były wyposażone w podobne opony (30-32 mm szerokości). Jak wspomniano wcześniej, było to prawdopodobnie spowodowane szerszą kierownicą. Jeśli bardziej aerodynamiczne koła OPEN oferowały jakąś przewagę, to była ona niewielka – zbyt mała, aby zrekompensować dodatkowy opór powietrza spowodowany nieco szerszą kierownicą. Po raz kolejny rowerzysta był ważniejszy dla aerodynamiki niż rower. (Szeroka kierownica jest nieaerodynamiczna, ponieważ zwiększa powierzchnię czołową rowerzysty).

Konstrukcja opon – klucz do niskich oporów toczenia

Widzieliśmy, że szerokie opony toczą się równie szybko jak wąskie, ale nie oznacza to, że wszystkie opony oferują równe osiągi. O tym, co sprawia, że opona jest szybka, decyduje przede wszystkim konstrukcja jej osnowy. Elastyczna osnowa ma cienkie nici i jak najmniej gumowej powłoki na tkaninie. Opona odkształca się na dole koła, w miejscu styku z drogą. To wymaga energii (straty histerezy). Elastyczne opony łatwiej się uginają, więc tracą mniej energii i toczą się szybciej. To nie jedyna zaleta elastycznych opon: redukują one również wibracje, które pochłaniają energię i spowalniają (straty zawieszenia). Dzięki elastycznym oponom zyskujesz podwójnie. A dzięki zmniejszonym wibracjom rower jest również wygodniejszy. Osnowa jest o wiele ważniejsza niż mieszanka gumowa (która ma znaczenie w laboratorium i na stalowych bębnach, ale nie na drodze), ciśnienie (które nie robi realnej różnicy na prawdziwych drogach) czy wzór bieżnika (chyba że masz małe wypustki, które się uginają i wiją). Po pozycji i ubraniu rowerzysty, opony oferują największe zyski w zakresie osiągów. Przy umiarkowanie wysokich prędkościach 30 km/h różnica między wolną a szybką oponą "wyścigową" może wynosić 8% prędkości rowerzysty – na szybkiej oponie pojedziesz o 2.4 km/h szybciej przy tym samym wysiłku. Jeśli porównasz elastyczne opony wyczynowe z ciężkimi oponami turystycznymi lub "gravelowymi", różnica prędkości może wynosić nawet 20%. W perspektywie jest to 10 razy więcej niż korzyść z kół aerodynamicznych.

Moc rowerzysty i elastyczność ramy – synergia napędu

Wszyscy wiedzą: najlepszym sposobem na przyspieszenie roweru jest zwiększenie mocy rowerzysty. Większy silnik sprawi, że każdy rower pojedzie szybciej. Dlatego trenujemy... ale to nie wszystko. Moc rowerzysty nie jest stała – zależy od roweru. Wyobraź sobie skakanie na trampolinie. Potem skocz na betonowej podłodze. Potem w piankowej jamie. Oczywiste jest, że na trampolinie skoczysz wyżej, mimo że twoje nogi nie są silniejsze. Trampolina ma odpowiednią elastyczność, podczas gdy betonowa podłoga jest zbyt sztywna, aby zoptymalizować moc nóg, a piankowa jama jest zbyt miękka. Ta sama zasada dotyczy ram rowerowych: odpowiednia elastyczność we właściwych miejscach pozwala rowerzyście wygenerować więcej mocy. Lata temu Bicycle Quarterly przeprowadził test w podwójnie ślepej próbie trzech rowerów, które były identyczne, z wyjątkiem różnej elastyczności ramy. Różnica w mocy na rowerze, który najlepiej pasował naszym testerom, wyniosła oszałamiające 12%. To ogromna różnica! Być może słyszałeś, że sztywniejsze ramy są bardziej efektywne w przenoszeniu mocy. Albo że elastyczność ramy traci energię. Ale to nie tak działa. Pomimo wielu badań nad osiągami rowerów i sztywnością ramy, żadne nie wykazały, że jakakolwiek moc jest tracona, gdy rama się ugina. Jak sprężyna (lub trampolina), rama magazynuje energię i oddaje ją do układu napędowego, gdy elastyczność zostaje uwolniona. Rama powinna być zbudowana tak, aby uwolnienie energii było zsynchronizowane i pomagało nogom rowerzysty (jak trampolina), a nie działało przeciwko nim (jak piankowa jama). Ramy rowerów wyścigowych zostały zaprojektowane metodą prób i błędów, aby miały odpowiednią elastyczność. Superlekkie ramy wykorzystują mniej materiału, więc w rzeczywistości są mniej sztywne niż tańsze rowery. A jednak wydają się działać lepiej dla większości rowerzystów – nawet w wyścigach płaskich, gdzie niewielkie różnice w wadze mają jeszcze mniejsze znaczenie niż w górach. Precyzyjne dostrojenie ramy indywidualnie do rowerzysty może przynieść dodatkowe korzyści. Japońscy zawodnicy Keirin – jedni z najsilniejszych sprinterów na świecie – są przekonani, że najtrudniejszą częścią wykonania dobrego roweru jest dostrojenie elastyczności do mocy i stylu jazdy rowerzysty. W rzeczywistości nasze testy wykazały pewne różnice w osiągach między Firefly i OPEN podczas długotrwałej wspinaczki. Dlatego przeprowadziliśmy wszystkie te testy – chcieliśmy dowiedzieć się, dlaczego jeden rower był szybszy przy umiarkowanie wysokiej mocy. Ustaliliśmy, że to nie waga, nie opony ani aerodynamika. Różnice w osiągach wydają się wynikać z różnych charakterystyk elastyczności ramy każdego roweru.

Marginalne zyski – czy warto się na nich skupiać?

Logika jest prosta: jeśli utniesz trochę oporu w wielu miejscach, to się sumuje. Łożyska ceramiczne mogą zaoszczędzić tylko wat lub dwa, ale to lepsze niż nic. Lepszy smar do łańcucha może dać kolejny wat... Jestem pewien, że to tak działa i nie ma powodu, aby części miały większy opór niż to konieczne. Ale nie spodziewaj się dużych zysków, ponieważ rzeczywistość jest taka, że nawet tanie łożyska mają prawie zerowy opór. Nie ma nic złego w dążeniu do tych "marginalnych zysków", ale sensowne jest skupienie się najpierw na obszarach, w których można uzyskać znacznie większe rezultaty.

Podsumowanie – co sprawia, że rower jest szybki?

Rowery wyścigowe rzeczywiście są szybkie, ale nie z powodu wąskich opon. Dobre rowery wyścigowe są szybkie, ponieważ używają elastycznych opon o wysokich osiągach. Ich ramy uginają się w odpowiedni sposób dla mocnego rowerzysty. Rowerzysta stawia niewielki opór powietrza dzięki niskiej pozycji jazdy, wąskiej kierownicy i dopasowanej odzieży. Wszystkie te cechy można uzyskać również z roweru all-road. Jak pokazuje Firefly, o ile opony mają elastyczne osnowy – wszystkie opony w naszym teście wykorzystywały tę samą osnowę Rene Herse Extralight – nawet opony o szerokości 54 mm toczą się i przyspieszają tak samo szybko jak wąskie gumy. Jeśli ustawisz rower all-road z taką samą pozycją jazdy jak rower wyścigowy, będzie on tak samo aerodynamiczny. (Przynajmniej dopóki opony nie staną się szersze niż rama). O ile rama ugina się we właściwy sposób, rower all-road będzie tak samo szybki jak rower wyścigowy. Z drugiej strony, jeśli ustawisz rower gravelowy z szerszą kierownicą, bardziej wyprostowaną pozycją i sztywnymi, wzmocnionymi oponami, będzie on wolniejszy niż rower wyścigowy. Łatwo jest obwiniać szerokie opony za ten brak prędkości, ale samo założenie wąskich opon na ten rower nie sprawi, że będzie on szybszy. Ostatecznie, najszybsze rowery wykorzystują elementy rowerów wyścigowych – elastyczne opony, aerodynamiczną pozycję jazdy, ramę z elastycznością we właściwych miejscach – ale ich opony nie muszą być wąskie. A to – możliwość stosowania szerokich opon bez utraty prędkości – otworzyło zupełnie nowy świat jazdy, ponieważ możemy teraz cieszyć się osiągami "szybkiego" roweru na nierównych drogach, szutrach i poza nimi.

eśli chcesz poznać inne artykuły podobne do Sekrety prędkości roweru: Dlaczego niektóre są szybsze?, możesz odwiedzić kategorię Rowery.