Оценка аэродинамического качества посадки велосипедистов

Страницы: 1 2

В статье предлагается простейший способ оценки аэродинамичности посадки велосипедиста, основанный на результатах исследований, проведенных в лаборатории биомеханики и механики спорта Института механики МГУ (заведующий лабораторией, кандидат физико-математических наук А. А. Шахназаров) и на кафедре биомеханики ГЦОЛИФКа (заведующий кафедрой доктор педагогических наук В. М. Зациорский).
При движении велосипедиста по горизонтальной поверхности с постоянной скоростью сила, прикладываемая к педалям, расходуется на преодоление сопротивления:
а)       трения, возникающего в механизме велосипеда. Результаты исследований говорят о том, что эта сила пропорциональна весу Р системы «велосипед — велосипедист» (СВВ) и не зависит от скорости;
б)       трения качения колеса по опорной поверхности (эта сила зависит от диаметра колеса, давления в шинах и качества покрытия; при езде в одинаковых условиях она зависит от веса СВВ и не зависит от скорости);
в)       воздуха.
Силу сопротивления СВВ можно рассчитать по формуле:
, (1)
где Р — сила сопротивления СВВ;
Сх — коэффициент лобого сопротивления СВВ;
S — площадь фронтальной проекций СВВ;
Q — плотность воздуха;
V —скорость движения воздуха относительно СВВ;
Р — вес СВВ;
Выражение Р·0,001 соответствует силе трения в механизме велосипеда; Р·0,002 — силе трения качения; силе аэродинамического сопротивления СВВ.
На рис. 1 показан вклад составляющих силы сопротивления, рассчитанных по приведенной формуле, в зависимости от скорости движения СВВ. Из рисунка видно, что при скорости, превышающей 11 м/с (40 км/ч), т. е. при соревновательной скорости, более 90% силы сопротивления приходится на силу аэродинамического сопротивления. Поэтому совершенствование аэродинамических характеристик СВВ является первоочередной задачей, решив которую, можно существенно повысить результаты велосипедистов в соревнованиях.
Исследования силы аэродинамического сопротивления, проведенные как в аэродинамической трубе, так и в естественных условиях, показали, что эта сила зависит от скорости воздушного потока относительно СВВ, посадки велосипедиста, его экипировки, инвентаря, условий, в которых находится СВВ.
Снижение силы аэродинамического сопротивления СВВ при прочих равных условиях возможно за счет уменьшения площади фронтальмой проекции и коэффициента лобового сопротивления. Это осуществляется двумя дополняющими друг друга способами: первый — путем изменения посадки велосипедиста (обеспечив при этом возможность сохранить эту посадку на дистанции без существенных дополнительных энерготрат) и второй — путем совершенствования конструкции велосипеда и его элементов. Тренеры предпочитают второй вариант, хотя возможностей у первого больше, так как на велосипедиста действует более 70% силы аэродинамического сопротивления СВВ, в то время как на велосипед — менее 30%.
Рассмотрим посадку спортсмена на велосипедах современных конструкций. С одной стороны, для удобного педалирования угол в тазобедренном суставе у велосипедиста не должен быть слишком мал, так как бедро при педалировании приближается довольно близко к туловищу. С другой стороны, с точки зрения аэродинамики желательно туловище спортсмена расположить горизонтально и тем самым свести до минимума площадь фронтальной проекции СВВ. Современные конструкции спортивных велосипедов не позволяют этого сделать. Спортсмены нашли компромиссное решение. Они обеспечивают достаточный угол в тазобедренном суставе, располагая таз под относительно большим углом к горизонтальной поверхности и значительно наклонив туловище.
В зависимости от телосложения спортсмена и индивидуальных его особенностей можно различить посадки с наибольшим изгибом позвоночника в поясничном или в грудном отделах и с равномерным изгибом позвоночника. От угла наклона таза и изгиба позвоночника зависит высота посадки, а значит, и площадь лобового сопротивления СВВ (см. формулу для силы аэродинамического сопротивления).
Допустим, что:
а)       коэффициент лобового сопротивления СВВ при изменении наклона туловища остается постоянным;
б)       площадь проекции велосипедиста представляет сумму:
—       площади проекции туловища на фронтальную плоскость, которая определяется произведением величины ширины плеч (L) велосипедиста на величину расстояния между горизонтальными линиями, одна из которых проходит через наивысшую точку туловища, а другая — через наивысшую точку седла (С) (рис. 2);
—       площади проекции ног на фронтальную плоскость, которая определяется произведением величины расстояния между горизонтальной прямой, проходящей через наивысшую точку седла, и центром каретки (В) на величину ширины плеч (L) и коэффициент k1, показывающий, во сколько раз площадь ног отличается от площади туловища;
—       площади фронтальной проекции головы, которая определяется произведением величины расстояния (d) между горизонтальными линиями, проходящими через наивысшую точку туловища и наивысшую точку головы, на величину ширины плеч и коэффициент показывающий, во сколько раз площадь головы отличается от площади туловища.