2018年6月22日 星期五

慣性;輪子的慣性好,平路才好維持?

這是小索最常聽到的一句話:老板我要一個慣性好的輪子,我要跑平路用的
每次聽到這個,小索就要想想怎麼跟車友解釋

Google一下,什麼是慣性:
慣性(英語:inertia)是物體抵抗其運動狀態被改變的性質。物體的慣性可以用其質量來衡量,質量越大,慣性也越大

因為抵抗其運動狀態被改變,所以往往被解讀成慣性大()的輪子,平路速度好維持,真的如此

假設今天一台車上載了許多貨物,那跑起來會更省油嗎?這是沒可能的吧!
可以想像油耗等同於體力的消耗,移動更重的物體實則是更耗力

那到底一個重的輪子會有怎樣的效果?
大家都知道牛頓第二運動定律
F=ma
m:物體的質量
a:加速度
F:施與物體的力,  有正有負
在單車上正向力就是透過踩踏板施與輪子轉動的力,負的就是風阻,滾動阻力...

這式子告訴我們,當施與一樣大小的力,質量愈大的物體加速度愈慢
重的輪子在持續踩踏板時,速度上升的比較慢;踏板不踩時,速度掉的也比較慢

輕的輪子起步很輕腳

這就是所謂慣性:物體抵抗其運動狀態被改變的性質


那回到我們的主題,平路好維持的輪子

之前的式子告訴我們,慣性大()的輪子影響的是加速跟減速的時間
但並不影響到物體移動時最終的穩定速度

人施力與踏板,產生一股向前的力道,但會伴隨著一些阻力(風阻、滾阻、傳動系統的內阻…)
當前進的力與阻力和為"零",就會達到最終的穩定速度
牛頓第一運動定律(即慣性定律)
若物體不受外力(或合力為零時),則靜者恆靜,動者恆作等速度直線運動


那什麼輪子才能讓我平路最省力?這句話實則已經點出重點,就是阻力最低的輪子
看到阻力最低,是否老板們高潮了?快來改裝陶瓷培林,轉起來好滑好順
陶瓷培林對省力有限,zipp說過 50km/h 0.8w……顯然這不是個聰明的投資

再想想,是什麼影響我們平路騎不快的原因??第一大的阻力源:風阻
所以平路好維持的輪子第一個重點是要能有更低風阻

這邊小索引用國外的風洞測試結果,同一支車架只差輪子 MAVIC Ksyrium Elite : ZIPP 404
既然是測試,那條件就需先確認:風速45km/h,角度-20~+20°,只有下半身+車而且機械腿還會踩踏板
示意圖

差異如上圖,依不同風的角度:1-20W

低風阻板輪在側風下會有更低的功耗(圖中約在-14度)
當然,上圖測試的條件是在時速45km下……若是正常點時速30km,能讓我們能省多少力?
~0.3-5.9W

平路第二大的阻力源:胎的滾動阻力
當然條件要先說清楚:時速是29km/h,單輪的負重42.5kg測試的條件近可能貼近現實
很多人都會忽略胎的滾動阻力,但事實上這個值落差極大,上圖比較同一廠牌外胎(schwalbe)的差異

Schwalbe pro one : Lugano = 11w : 21.9w

若是(車+人)85kg,裝這兩條胎,在時速29km下功耗差距將會是驚人的:21.8w


馬牌 GP4000 SII跟 Gatorskin的差異,單輪 7.1W,兩輪差14.2W

講了這麼多,小索下點結論:
1. 平路好維持的輪子有兩個重點,風阻夠低、胎的滾阻也要低

2. 一般輪子的風阻差異不會天差地遠(換個輪子時速40km輕鬆巡航這只是玩笑話別太認真)
但有些輪子的設定會讓風阻大的誇張,比方很粗的幅條,幅條數目非常多
mavic,campagnolo用了許多粗粗的鋁幅條在中低框的輪子上(ksyrium pro,shamal)但不會在高板的輪子上看到鋁幅條------>大廠知道自己在做什麼

2. 不同的胎滾阻差異頗大,騎乘速度(風速)不快的情況下,胎的滾阻差異甚至可壓過低風阻板輪
避免用滾阻特別不佳的胎,當然除非有別的考量:很重很厚的胎--練身體,非常防刺耐磨

3. 當速度(風速)上升,風阻成平方比上升,低風阻板輪的效益就會慢慢顯現
(講白話一點:像我一樣肉腳平路騎不快,用好一點的胎或許比板輪更有效果)

4. 高板輪雖然有較低的風阻,但面對強大的側風時,會大大增加控車的難度與危險性

5. 輪子的重量雖與平路速度的維持無關,但面對走走停停(紅綠燈)、起伏的山路會有直接影響;負重是一點一滴慢慢消耗你的體力

6. 重的輪子加速反應慢,非常不適合常常需要加速的騎乘(比方:繞圈賽)

雙塔520是平路,繞圈賽也是平路,鐵人三項的自行車項目也多是平路……
這些都是平路,但在輪子的選用上差異頗大;要如何聰明的選擇適合的器材上場是我們大家都該了解與學習的

當然上述只是小索個人淺見,有任何問題歡迎提出討論

41 則留言:

  1. 小弟只提出一點給索哥參考一下,轉動的東西在物理上計算的是角速度跟轉動慣量,跟慣性不一樣。這東西就像剛性跟強度一樣被誤用了非常多年。

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    1. 謝謝,我了解你們的意思

      單看輪子的前進是轉動 + 移動
      圓周運動: 轉動慣量;直線運動: 慣性

      其實這東西以前有提到
      http://good886mylove.blogspot.com/2016/02/chc.html

      只是我直接把它省略了,只能說大致方向不變
      輪子愈重起步會變的更重腳;因為轉動慣量的關係,輪子的重量愈外圍會愈明顯

      盡可能要說的淺顯易懂做了簡化
      不過我的理解倒是離專業還差很遠到是真的~~~~呵呵

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  2. 如果是單純"移動"
    看整體f=ma 是ok
    但車子是轉動帶動前進
    那麼動慣量如同網說的要考慮進去

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    1. 謝謝,我了解你們的意思

      單看輪子的前進是轉動 + 移動
      圓周運動: 轉動慣量;直線運動: 慣性

      其實這東西以前有提到
      http://good886mylove.blogspot.com/2016/02/chc.html

      只是我直接把它省略了,只能說大致方向不變
      輪子愈重起步會變的更重腳;因為轉動慣量的關係,輪子的重量愈外圍會愈明顯

      盡可能要說的淺顯易懂做了簡化
      不過我的理解倒是離專業還差很遠到是真的~~~~呵呵

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  3. 作者已經移除這則留言。

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  5. 慣性是有一點點用的 除非用的是橢圓盤. 因為腳並非機械 出力並 不是每個角度都是均勻的. 導致慣性低會影響死點劃過的速度. 例如訓練台如果不上飛輪會發生什麼事? 上下死點的卡頓會加速雙腿疲勞

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    1. 單車的慣性是在於輪子的轉動+ 整車的移動
      慣性大的輪子,反而在爬坡上影響更大,當你沒法順暢的踩踏下更明顯

      訓練台不上阻尼輪,就是會空踩,腳的出力遠大於阻尼,但迴轉又跟不上

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  6. 像zipp的平路輪就故意不平衡 我猜用些微的質量偏移. 高速轉動產生相當的慣量去平衡死點卡頓.即使付出的力量會多一點一點但是轉動會很順.我覺得一樣板高的輪組要平衡他需要其他輪組2.5倍重量 身為大廠實在不太可能

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    1. 那是動態平衡問題,因為氣嘴的重量會有變動,也很難做的完美
      https://youtu.be/dcgiUcbS64c
      可以看看這影片,配重塊就是在氣嘴的對面,增加14g也還好

      踩踏轉速跟輪子的轉速並非固定的,怎麼做到 "質量偏移. 高速轉動產生相當的慣量去平衡死點卡頓"

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  7. 作者已經移除這則留言。

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  8. Ming賢2019年7月6日 上午7:14

    而這種質量偏移的作法造成的慣性有個很大的好處. 就是高速慣性大而質量增加的小 對於爬坡也比較不會不利

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  9. 速度越快風阻就越高.死點就越需要慣性帶動.而質量偏移轉速越快慣性也就越高.你可以想像如果沒有慣性會如何.死點的部分會造成膝蓋很大的負擔.尤其在廉價的訓練台(配種飛輪很小顆)並非是空轉.仍有阻力就是死點非常卡....關於配重的測試我其他輪組都是在10G上下 而ZIPP808 高達24G的配重.24G的偏移在45KM/HR 能有多少慣性都是算得出來的

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    1. 所以意思只要24g就可以順畅的通過死點,減少膝蓋的負擔
      聽來蠻簡單的,只要用重一點的內外胎就搞定了


      車+人70-80kg產生的慣性在您的解讀下似乎都被乎略了

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    2. 用重一點的輪胎不能搞定..需要質量偏移造成離心慣性... 簡單的方式就是幅條綁磁鐵..

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    3. 你所說的質量偏移就是讓輪子旋轉時不平衡
      最明顯的結果會變成高速旋轉下,車身會連帶有抖動的情況

      而人在戶外騎這狀況不容易被查覺到是因為"車+人"為一個系統
      人的重量遠超過輪子的重量

      但只要把輪子倒著放空轉就會明顯的查覺到

      下面連結有汽車車輪動能平衡的介紹
      https://ek21.com/news/2/15798/
      若這種不平衡用在自行車上還能讓踩踏比較順暢…………我真不知該怎麼解釋了

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    4. 沒錯抖動就是能量釋放的方式..一般被人與車重壓住所以感受不出來......空轉就能感受出來 那麼腳對踏板踩踏是否車架也會抖動呢.因為"踩踏方向"不是"前進方向 而是透過大盤飛輪"轉換方向"才得以前進.如果沒有體重支撐是不是車架也是抖動左搖右晃呢?如果出力過大是否也是左搖右晃呢?.....所以這個配重不能過重" 體重能壓過這個抖動那這個能量釋放就有助於前進....配重並非越重越好而是夠用就好

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    5. 而且汽機車框抖動..最大問題在於框的寬度..也就是輪框的 "內側跟外側"不平衡 造成輪框左右抖動(側旋)... 而碳框配重也好.打孔也好都是正中間.只會按離心力的方向抖動也就是前後上下(您可以實驗看看).並非汽機車的左右.當體重壓住時候.上下左右的力量都會受到牽制.而變成"旋轉"的力量

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    6. 您可以查看看.汽機車的抖動會造成 輪胎側邊過度磨耗 甚至危險 主要就是左右不平衡造成.. 如果按前後上下的離心力轉動...車重足以壓住根本不會產生抖動

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    7. 而汽機車為了避免危險 跟轉動順暢減少能量損耗(瞬間高加速) 左右上下都會平衡
      (但是人腿並非馬達機械).. 馬達高轉速必須儘量避免離心力的作用...尤其是高加速度

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    8. 馬達並非人腿 所以沒有人腿問題 當然不需考慮這個....當然不會有汽車使用橢圓盤...以橢圓盤這種設計會減少馬達/或輪胎的壽命(不斷的加減速) .因為人的出力(不斷的加減速)才需要橢圓盤 或這種配重來處理

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  10. 然而在爬坡的部分 因為速度非常的慢 質量偏移造成的慣性影響就會很小...這也是汽車輪胎未動態平衡 高速下會抖動 低速卻不會的原因......嚴格來說未平衡會造成多餘的抖動這個輪廠不可能不知道 雖然要做到全平衡(各家氣嘴重量不同)很難.但是要做到差距縮小應該是蠻容易的吧...為何不這麼做 我覺得是為了更平順的帶過死點
    輪組廠要做的是"高速下"高慣性 ,"低速下" 低慣性, 而不是很重的輪框(你上面所說影響爬坡的慣性輪).我想信即使是賴威幅條上綁一顆24G的配重塊.也不會影響爬坡.

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    1. 不知您看過哪篇評筆或文章的測試是輪子在高速下的慣性比較?

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  11. 再者 對於丘陵地形的表現也有很大的好處.在下坡時往往速度達到60以上甚至更高.因為高風阻的原因,無論是高慣性車還是低慣性車,速度通常都是一樣的.但是高慣性車(24G)卻儲存了更多的能量.甚至足以應付接下來的上坡.當慣性能量釋放後(高速上坡).此時24G的偏移因為輪轉速的降低慣性也降低 不至於拖累雙腿

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    1. 所以高慣性 平路 丘陵都好騎??

      相對的地型我每周都騎,怎麼我們的體感差異會這麼大呢?

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  12. 很多人剛換碳框都覺得更輕腳.但是平路高速下卻不容易維持.尤其是獨推高風阻的情況下.但是低速或大幅度速度變化下還是碳框比較好就算了(鋁框慣性於低速容易重拖)

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  13. 上面所說的平路不容易維持.並非平均功率上的不容易維持.而是死點部分的阻力過大對膝蓋造成負擔加速疲勞

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  14. 簡單的說.這是利用離心慣性力.高速轉動則高慣性,低速轉動則慣性的特性.而非輪組"轉動"慣量... 鋁框帶來的高慣性是來自轉動慣量跟離心慣性力是不同的概念..

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  15. 而且 離心慣性只要一點點重量高速下就能產生很大的慣性. 跟轉動慣量啟動需要大能量是不同的.

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  16. 離心慣性量跟"角速度"的"平方"成正比。同風阻跟"速度"的"平方"成正比, 所以蠻好調整的(這特性造成低速慣性低 高速慣性高)..而一般車重的慣性僅僅是跟加速度成正比. 這也是一般輪組或車重慣性拖重的原因f=ma起步的加速比較大.慣性自然拖重. 而離心慣量卻是不同概念

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    1. 之前回覆中有解釋:


      單看輪子的前進是轉動 + 移動
      圓周運動: 轉動慣量;直線運動: 慣性

      其實這東西以前有提到
      http://good886mylove.blogspot.com/2016/02/chc.html

      只是我直接把它省略了,只能說大致方向不變
      輪子愈重起步會變的更重腳;因為轉動慣量的關係,輪子的重量愈外圍會愈明顯

      盡可能要說的淺顯易懂做了簡化
      不過我的理解倒是離專業還差很遠到是真的~~~~呵

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    2. 小索大你一直在用轉動慣性 跟車重慣性來回答我.我並沒有要討論這個.我要說的是離心慣性的部分. 如果是一般轉動慣性跟一般慣性因為f=ma 會導致產生加速的時侯需要花很多力氣驅動... 而離心慣性卻是f=mxrxw^2。 W是角速度。 角速度低的時候離心慣性很低 所以不會造成拖重

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    3. 60速的離心慣性是10速的36倍......低速跟本不影響... 你騎的越快。死點相對也要付出相當的力量.無可否認 通過死點需要慣性的幫助... 離心慣性的特性能在高速下高慣性 低速低慣性

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    4. 你寫的公式 F=m\omega ^{2}r 是向心力公式
      "向心力只改變所控物體的運動方向,而不改變運動的速率"

      簡單來說不管你輪子轉的多快都不是向心力去控制的(但輪子轉的快向心力會變大)
      而輪子的速率跟踏板是連動的,既然向心力沒法控制速率,那何來"更平順的帶過死點"的說法?

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    5. 您說的輪子轉的快向心力會變大.如果輪子轉的慢向心力會變小對吧.輪子減速.向心力由大變小.能量哪邊去了....答案就是調節能力.能趨緩減速也趨緩加速... 而踩踏就是不斷持續的加減速....這就是平順帶過死點.... 例如踩的時侯速度是100 停止踩的時候速度會降到95....向心力並不是改變速率而是趨緩降速

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    6. 我們考量的是現實面 "車+人" 的這個系統
      並不是輪子在空轉

      假設輪上多個20g配重塊;車+人 重量80kg、時速40km/h、轉速90rpm
      那有沒有20g的配重塊情況下,在死點的切線速度差異是多少?

      上述是很貼近現實的狀況,希望您可以計算個答案出來
      先謝謝了!

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    7. 沒有滾阻跟風阻. 死點一般人的滑過的速度又是如何 這要牽涉到連桿運動 需要大量的數據... 是要算什麼.這是大廠的工作...而且已經能證實向心力減速會減少. 多於的能量跑到哪裡去. 參考向量方向答案已經很明顯了..我並沒說死點會加速. 而是死點必需給的能量減少(因為輪子減速趨緩.同橢圓盤的作用.....空轉時能提供能量 即使加上人車也是一樣的結果.... 在打個比方丟飛盤也是利用旋轉的力量儲存更多能量讓飛盤飛更遠。如果平推飛盤還能飛那麼遠嗎?

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    8. 已經證實加速能量消耗更多能量。減速時會釋放能量。這樣很難理解嗎?在參考離心原理 釋放能量以旋轉的方式表示。. 又人體踩踏就是不斷的加減速. 加速踩踏區會增加能量消耗. 而非踩踏區則會釋放能量. 釋放能量就相當於輔助踩踏.... 建議可以可以問一下物理教授 應該能很清楚的給你解答..這種計算要大數據分析但是推力原理是很簡單的

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    9. 實際上大廠做的就是動態平衡
      https://www.campagnolo.com/AU/en/Technologies/dynamic_balance

      就拿你說的飛盤好了,若是質量分布不均的話,能飛的遠嗎?

      丟飛盤空氣力學是主因,旋轉提供了穩定性為次因;若你丟的是鉛球、旋轉鉛球會飛的比較遠?或許還真的會,但小到可以忽略了

      輪子不是單獨在路上滾,還要套上車子+人才能成為一個完整系統
      就跟陶瓷培林一樣,阻力比鋼珠培林低,單空轉的確轉的比較久
      但實際上路的結果?消耗的功率可求的出來、也計算的出來
      結論就是小到不值得去投資

      所有的論述都需以貼近現實為基礎
      很多事情小索是會多想、多查、多實測的
      其實你說了這麼多,但最終還是要提出理論的計算 與 實測數據才能信服於人

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  17. 而您所說的 F=MA 無論速度高低.慣性是等量的.影響慣性的是加速度而非速度

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