2016年2月27日 星期六

CHC沒講到的"動能" -- 重的輪子慣性好,平路就好騎??

動能

首先我們來回憶一下牛頓第二運動定律:

F:力 (單位: N)
m:  質量(單位: 公斤)
a: 加速度(單位 公尺/(秒*秒) )
由這個式子我們可以看出來,當你施的力是固定時,會對一物體產生一固定的加速度
物體輕,加速度就快物體重,加速度就慢
符合我們在自行車上的體驗:當我們換上比較重的輪子起步就慢、換上輕的輪子起步就快
或是當我們背個行李在路上騎車時,起步就比沒背行李時來的慢

功的定義

W:功 (單位: J-焦耳)
F:力 (單位: N-牛頓)
D:距離(單位: 公尺)

把兩個式子組合在一起會變為的動能的公式:

  
K:動能 (單位: J-焦耳)
m:質量 (單位: 公斤)
v:速度(單位: 公尺/秒)
這個公式的解釋是:讓質量m的物體,由靜止狀能加速到速度v,所需做的功為K

由動能的公式我們可以看出,當作的功是固定的情況下
質量愈大,加速到某定速下所要做的功就愈大;反之則愈小
所以輕量化的輪子是有一定的優勢,尤其是在速度不斷改變的騎乘中,可以讓你省下更多的力
那什麼情況下不會省到力呢?

我們想想自行車在前進時受了哪些力:
人的出力-腳踩在踏板上有前進的力道
風阻-空氣阻力是速度的平方倍,速度愈高阻力愈大
滾動阻力-輪胎在地上滾動會有磨損,因為有滾動阻力的存在
內阻-齒輪、鏈條在傳動一定沒法100%傳遞,必有損耗在,或是輪子本身的形變
位能-若是爬坡的話需要克服位能

平路最大的阻力就是風阻,而爬坡就是位能
所以我們選擇比較重的輪子是為犧牲重量去換更低的空氣阻力(比如框高變高、框也變重、但空氣阻力理論上也比較低)
是像一般人說的,重的輪子慣性就好,平路就好騎
若只要有慣性,平路就好騎,那背鉛塊在身上不就更有慣性,把鉛塊綁在輪上也很有慣性;實際上這麼做是沒可能更快的
若一個輪子很重,風洞測試的結果也不理想,那講白了只是練身體用的東西


轉動動能
輪子在路上前進是比較複雜點,它不僅有移動,也有在轉動
當人的踩踏停止時,車子還是會一直滑行(輪子一直滾),空氣阻力跟滾動阻力會不斷消耗你的動能,讓你的速度愈來愈慢

轉動動能的式子跟移動動能很類似
K:動能 (單位: J-焦耳)
I:轉動慣量 (單位:公斤/米(平方) )
ω:角速度(單位: 弧度/秒)

ω:角速度;聽起來有點陌生,若是說轉速(rpm)大家就知道了,只是公式上的轉換
60rpm=1分鐘60轉=1秒1轉= 2π(弧度/秒)=角速度ω

I:轉動慣量;跟物體質量成正比半徑平方成正比 
不同的物體有不同的轉動慣量

輪子的組成可拆成(框+胎)、(幅條+鋁頭)、(花鼓)
三者的轉動慣量皆不同

(框+胎)的組合我們可以看成是有厚度的圓柱體


( 幅條+鋁頭)的組合我們可以看成是棒子




花鼓算是薄圓柱


咋看之下花鼓的I值是最大的,其實反而是最小的,因為r(半徑)的關係
假設
花鼓半徑0.03m
幅條長度0.3m
框加胎的組合半徑 0.315m
半徑比值原為1:10:10.5,平方下變為1 : 100 : 110.25

由這就可以看出來為何廠商在設計輪子,他們並太在乎花鼓的重量,而想辦法在框上輕量化
再來是幅條;但是幅條影響輪子整體的剛性,有經驗的廠商會很小心處理這個部份
Fulcrum的花鼓一看就知道並不輕
Vittoria的花鼓,260g,跟fulcrum的還有點像
shimano的c24,c35,鋁擠很薄 ,上carbon補強

若花鼓的設計可以改進輪子的剛性,那就要先從花鼓著手,再來是幅條、最後不行再動框

而一個輪子在路上滾動時它所具有的動能就是:兩者的總合

舉例一下,若是把1kg重量加在花鼓上,幅條上,框上會有什差異(設定時速為30km)

花鼓的半徑小幾乎可以忽略其轉動動能
加在幅條上,轉動動能就約有移動動能的3成
加在框上轉動動能就約有移動動能的9成

花鼓上1kg,等效於人多1kg;
幅條上1kg,等效於人多1.3kg;
輪框上1kg,等效於人多1.9kg

以最極端的條件來看框上重1kg所需的動能,最大會等效於人背1.9kg在身上
(註:實際上差異應該會更大些,因為重心分佈的關係,不過這部份要請物理老師出來解釋了)

多一些重量騎平路有什麼差嗎?好像差異並不太大
基本上是要看你的速度是否穩定,愈穩定愈沒差
忽快忽慢就會影響到加速度,重量的差異就會體現出來

像鐵人三項的比賽,或公路計時賽,因為速度很穩定,所以用高框的板輪或封閉式的碟輪降低風阻係數,達到更高的極速
反觀公路賽框高50mm剛剛好,更低也有人用,不會太重,風阻也不差;而最後10km時,大家紛紛把身上的水壺丟掉,為了就是"降低慣性 並 減低風阻",增加加速的反應力



CHC的測試介紹到這,差不多完結了,來總結一下如何挑選好的輪子
首先該輪子需符合你體重的側向剛性,側向剛性愈高下坡愈穩
(除非你很輕,要不輪子只騎平路才不需看側向剛性)





扭轉剛性,爬坡的輪子需要高的扭轉剛性,體重愈重的人,踩踏愈不順暢的人愈需要
否則出力都用在幅條的變型上




風阻,騎平路時(最好是一出門都不用按剎車的平路),用的輪子要有低的風阻,速度愈快影響愈大


重量,若路線是很平穩沒什麼起伏,那輪子的重量對平路影響不大
若是常常要加減速(比方停紅右燈),速度也不快的話,寧可用輕的輪子
若路線是爬坡的話,需要克服位能所以與重量有絕對的關連,愈輕當然爬起來愈省力
(但還是要考慮到剛性,你的施力會不會被輪子的變型量給吃掉了!)

總結就是要有剛性,風阻又低,又要輕;這才稱作是全能型,我只能說有各方面在中上水平,但沒有全部都滿分的

依用途來選爬坡就選輕、有剛性的(坦白說又輕又有剛性還真的沒幾個)
平路就選風阻低,重一點沒關係

碳框在同樣的框高下就是比鋁框輕些,容易達到目標,若沒差那一滴點效能,鋁框也是不錯的


題外話一下:2013環法的17戰ITT;


最後一段下坡前都是公路車,低框,配休息把

到山頂停下來~~~~看到我還以為故障了
換車啦,變計時車,後面還碟輪

還有人幫忙推車~~~~~好樣的

上路囉









2016年2月14日 星期日

Tubeless解析;為何有的外胎好裝,有的外胎難裝?其實跟框也有關係,像Tubeless的框就是比較難裝

Clincher 框
以clincher(開口)胎來說,有的外胎好裝,有的難裝,想當然很直覺就是有的胎做的比較大
這裡所謂的大不是裝上去打完氣比較大,而是胎唇的直徑比較大
所謂的胎唇(Bead)如圖:

胎唇的直徑基本上是固定的,需要跟輪框做搭配

上圖是KINLIN XR200與XR270幾合圖,除了外型不一樣外,其實內部(入胎)的外型也不太一樣




圖中的紅線是入胎的深度,當做的愈深,外胎會愈好裝;所以看圖可知 XR270會比XR200還好裝胎

而圖中紅框是扣胎位置:外胎裝入打氣後胎唇的位置

以Clincher框來說這兩個值可以變動的範圍非常大,大概怎麼改都不會出問題
若今天有客戶跟輪框廠反應說:你的框很難入胎;那只要把紅線的部份往內做(做深)即可
講起來很簡單,不過這等於要多做一個模具,有更簡單的方法,直接把框直徑做小;連模具都不用動

Tubeless 框
Tubeless 框其實已經推出許多年,本身是Clincher框的變形
可相容於現有的Clincher胎,若只是多一個功能,價錢沒差多少,相信沒有人會拒絕
其字面上的講釋就是無內胎的框,簡單來說就是搭配tubeless的外胎,可以不用裝內胎
聽起來很神奇,其實想法很簡單:讓外胎跟框本身型成一個完全氣密空間即可

當然講是很容易,這需要三方配合:外胎廠、輪框廠、編輪廠



外胎廠:一般的外胎是會"漏氣"的,所以Tubeless外胎要有一層氣密層包在其中
再來是胎唇的設計不太一樣,要能夠在沒有內胎的情況下,又能被輪框卡住
也因為這兩個原因,所以Tubeless的外胎會比Clincher外胎來的重

輪框廠:要針對入胎與扣胎的部份重新設計
紅色的橫線是入胎的深度,做的深會很好入胎,但會很難打氣
紅色框是扣胎的地方,尺寸是固定要捉的很精準,而且有的會做傾斜倒角,目的就是要讓胎扣上去卡的緊緊的

編輪廠:輪子編完後要封幅條孔(氣密襯帶取代傳統襯帶)並上Tubeless氣嘴,若不是焊接框的話還是針對框的接合處上膠處理


講到這大概知道為何Tubeless的框就是比較難裝點,是本身設計上的限制;太好裝的話哪天你要用Tubeless的外胎跟本氣打不起來,到時會幹死,不是家家都有空壓機的


現有的Tubeless鋁框有 KILNIN XR22T、31T、31RT,重量分別是445/490/490g
而全碳框Tubeless框有,28,38,50c高的(交期許久,約二個月),重量分別是400/440/490g

爾後還會推出更輕並更有剛性的新款Tubeless鋁框