Hvor hurtigt kan et menneske cykle? Med aerodynamisk hjælp, 300 km i timen barrieren synes let inden for rækkevidde

Den britiske cykelrytter Neil Campbell satte for nylig en ny rekord for mændenes "hurtigste cykel i en slipstream, " med en betagende hastighed på 280 km i timen.

Denne rekord involverer at bringe en cyklist op i fart i kølvandet på et trækkende køretøj, derefter slippe cyklen og timing af rytteren over en 200m distance. Den samlede rekord er på 296 km i timen, sat i september 2018 af Denise Mueller-Korenek, som blev bugseret af en dragster på Utahs Bonneville Salt Flats.

Men hvor meget kan disse høje cykelhastigheder tilskrives menneskelig præstation? Kræver det en suveræn atlet for at opretholde den hastighed efter udgivelsen, eller gør køretøjet virkelig alt det hårde arbejde? Og hvis ja, betyder det, at endnu hurtigere registreringer er mulige?

Ved at overveje energiforsyningen og -efterspørgslen involveret i Campbells nye rekord for mænd, vi kan begynde at værdsætte de relative bidrag fra mennesker og maskine. For denne rekord, energi kommer fra både bilens brændstofforbrænding og fra menneskelig kraft.

Den kraft, der kræves for at opretholde en given hastighed, afhænger af den modstandskraft, der virker mod rytterens fremadgående bevægelse. På en flad kurs med konstant hastighed, der er to nøglekomponenter:

• aerodynamisk modstand, også kendt som aerodynamisk modstand
• rullemodstand, som bredt dækker friktionen mellem hjul og vej, friktionen i hjullejerne, og effektiviteten af ​​kraftoverførsel fra pedalerne gennem kæden til hjulene.

Afgørende, aerodynamisk modstand stiger med kvadratet af lufthastighed, hvilket betyder, at den stiger meget hurtigt, når hastigheden stiger. rullemodstand, i mellemtiden, stiger lineært med hastigheden, hvilket betyder, at den stiger meget mindre hurtigt, når hastigheden stiger.

Benjamin Thiele, ledende systemingeniør for Monash Human Power Team ved Monash University, forklarer det sådan:"Dybest set, hvis du vil cykle hurtigt og du havde mulighed for at udelukke en af ​​modstandskræfterne fra fysikken, du ville gøre klogt i at fjerne den aerodynamiske komponent."

For at sætte dette i sammenhæng, i banecykling på eliteniveau (hvor der åbenbart ikke er nogen biler at gemme sig bag!), aerodynamisk modstand tegner sig typisk for omkring 95% af den samlede modstandskraft.

Således hjalp det trækkende køretøj i Campbells rekordforsøg ham på to afgørende måder. Først, det bragte ham op i fart, dermed reducere hans energiforbrug under acceleration.

Sekund, bilens slipstream-tilbehør (dybest set en krydsning mellem en spoiler og et telt, bag hvilken Campbell placerede sig under turen) fjernede meget af den aerodynamiske modstand, som ellers ville blive uoverkommelig ved så svimlende hastigheder.

Ved at køre i køretøjets kølvand, rytteren vil opleve både lave relative vindhastigheder og lav aerodynamisk modstand. Faktisk, hvis rytteren er placeret korrekt, luftstrømmen i bilens kølvand kan faktisk generere en fremdrivende aerodynamisk kraft – effektivt, køretøjet "slæber" lidt luft bag sig, og rytteren kan dermed suges med.

Hvad med de fysiske krav til at opretholde den hastighed efter slæbet? Dette afhænger primært af størrelsen af ​​det gear, der bruges, og af den rullemodstand, der skal overvindes. Efter mine beregninger, og forudsat at aerodynamisk modstand bag trækvognen er ubetydelig, at ramme 300 km i timen (den næste store milepæl for både herre- og dameslipstream-rekorder) ville kræve, at rytteren opretholder en effekt på 600-700 watt i de 2,4 sekunder, det ville tage at køre gennem 200m tidsfælden.

Det ser ud til at være muligt nok, givet Tour de France ryttere kan udsætte mere end 1, 000W i et helt minut eller mere.

Så trækvognen er virkelig den afgørende faktor, frem for rytterens fysiske præstation. Faktisk, hvis rytteren skulle trække sig ud af slipstrømmen efter at være blevet bugseret op til 300 km i timen, energibehovet for at opretholde denne hastighed ville være i størrelsesordenen 100 kilowatt - nogenlunde ydeevnen for en motorcykel med høj effekt!

Hvad med uassisteret cykelrekorder?

I betragtning af den afgørende betydning af at overvinde aerodynamisk modstand, det er ingen overraskelse, elitecykelhold investerer så meget i aerodynamisk forskning og udvikling.

Faktisk, konventionelle cyklers aerodynamik og kørepositioner er langt fra optimale. Dette er tydeligt, når vi sammenligner hastigheder, der opnås på konventionelle cykler, med hastighederne for et "faired recumbent human-powered vehicle." Dette er en modificeret cykel, hvor rytteren lægger sig i liggende stilling, med pedalerne foran, inde i en aerodynamisk belægning kaldet en kåbe.

Hastighedsrekorden for et sådant køretøj over en strækning på 200 m ligger i øjeblikket på 144 km i timen. Dette er cirka dobbelt så hurtigt som tophastigheder opnået under velodromesprint på en konventionel banecykel.

David Burton, leder af Monash Universitys vindtunnelforskningsfacilitet, siger, at elitecykling "allerede har opbrugt den lavthængende frugt, når det kommer til at opnå en konkurrencefordel gennem aerodynamik, "i betragtning af sportens regler og begrænsninger med hensyn til udstyrsdesign og rytterposition.

Men han tilføjer, at der stadig er nogle højteknologiske forskningsmuligheder til at forbedre ydeevnen, herunder "avancerede eksperimentelle testteknikker og højt opløste numeriske simuleringer af strømningsfelterne omkring cyklister."

Som vi har set ovenfor, der er formentlig stadig potentiale for endnu større hastigheder, når det kommer til slipstream-assisteret cykling. Jeg foreslår, at det er inden for rammerne af den nuværende menneskelige præstation på eliteniveau at opnå hastigheder, der nærmer sig 400 km i timen, når det er indhyllet i kølvandet på et køretøj.

Måske bliver udfordringen i sidste ende en psykologisk:Ville nogen vove at prøve det?

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.