Ilmanvastus ja vierintävastus


Päivitetty viimeksi   2014-10-07   Last update


Ilmanvastus

Polkupyörän liikettä vastsutavat voimat syntyvät renkaiden vierintävastuksesta, ketjujen ja vaihteiden kitkasta ja pyörän rungon, pyörien ja ajajan ilmanvastuksesta. Kaksipyöräisellä pystypyörällä noin 16 km/h -nopeudesta lähtien ilmanvastus on suurin yksittäinen vastus. Nopeudella 36 km/h (10 m/s) ilmavastus on jo 80 % kaikista vastuksista. Ilmanvastuksen vähentäminen vaikuttaa ajon keveyteen ja nopeuteen enemmän kuin mikään muu yksittäinen tekijä (esim. ajoneuvo-ajaja-yhdistelmän paino).

Noja-asentoisen kolmipyörän poikkipinta-ala (0,5...0,65 m2) saattaa olla suurempi kuin pystypyöräilijän (0,35...0,6 m2), mutta noja-asennon ansiosta ilmanvastuskerroin (muotokerroin) on selvästi pienempi. Ilmanvastuksen eron huomaa alamäessä: kaksi- ja kolmipyöräinen nojapyörä vierii ohi pystypyörästä, jos kumpikaan ei polje. Myös tasamaalla vastatuuleen nojapyörä kulkee selvästi kevyemmin. Katetun nojapyörän ilmanvastus saadaan vielä huomattavasti pienemmäksi, parhaimmillaan alle 10 %:iin pytyspyöräilijän ilmanvastuksesta.

Erilaisten kappaleiden ilmanvastukseen vaikuttavia muotokertoimia

Ilmanvastus voidaan laskea Newtonin vastuslain kaavalla:

Fv = ½ s v² A Cv

jossa
Fv = vastusvoima
s = ilman tiheys
v = kappaleen nopeus
A = sen poikkipinta-ala liikettä vastaa kohtisuorassa asennossa
Cv = muotokerroin.

Melko teoreettista tietoa polkupyörien ilmanvastuksesta ja ilmanvastuksesta yleensä on sivuilla Aerodynamics of Bicycles, jotka paperille tulostettuina ovat yhteensä noin 25 liuskaa.

Seuraava taulukko esittää eri muotoisten kappaleiden muotokertoimen (ilmasvastuskertoimen), jonka avulla voidaan laskea kappaleen ilmasvastus, kun lisäksi tiedetään kappaleen poikkipinta-ala ja kappaleen nopeus. Kappaleen nopeus vaikuttaa nopeuden neliössä, t.s. nopeuden kasvamisella on varsin suuri vaikutus kappaleen ilmasvastukseen. Muoto ja pinta-ala vaikuttavat vain suorassa suhteessa nopeuteen.

Pinnan muoto Muotokerroin Cv
ympyrälevy 1,10
ontto puolipallo 0,34
kartio 30 astetta 0,34
pallo 0,34
pisaranmuotoinen
kappale
0,05
lentokoneen
runko
0,14
kuorma-auto 0,80...1,20
henkilöauto 0,30...0,40
henkilöauto
(virtaviivainen)
0,25...0,30

Lähde: Facta 2001

Factan tiedot vaikuttavat ajoneuvojen osalta hieman vanhentuneilta, koska jo 1980-luvulla Vector-triken ilmanvastuskertoimeksi saatiin 0,07 (tai toisen tiedon mukaan 0,11).


Polkupyörätyyppien muotokertoimia

(polkupyörä + ajaja)

Polkupyörätyyppi Muotokerroin Cv
normaalipolkupyörä,
pysty ajoasento
1,1
retkipyörä,
hieman kumara
asento
1,0
tandem 1,0
kilpapyörä,
kilpa-ajoasento
0,88
nojapyörä
(recumbent)
0,77
aerodynaamisella
etukatteella varustettu
polkupyörä
0,7
Vector ykkönen,
katettu ennätys-
kolmipyörä 1980-
luvun alusta
0,11
teoreettisesti
täydellinen
katettu nojapyörä
0,05

Lähde: Spectrum der Wissenschaft 2/84, sivu 74 (Gunnar Fehlau: Das Liegerad. Moby Dick Verlag 1994)


Pyörien ilmanvastus

Pyörien (rengas + vanne + puolat tai kiekot) ilmanvastus vaihtelee ilmavirran suunnan mukaan. Kun ilmavirta pyörään on suoraan edestä (tyynessä tai suorassa vastatuulessa), vastus on pienimmillään ja suurenee sivutuulessa niin, että vastus on suurimmillaan sivutuulen suunnan ollessa 30...40 astetta. Sen jälkeen vastus taas pienenee, mutta pyörään vaikuttava sivuttainen voima suurenee, mikä saattaa vaikuttaa kaksipyöräisen ajokin tasapainoon. Kolmipyöräinen nojapyörä ei ole yhtä herkkä sivutuulille, joten esim. kiekoilla suojatut pinnapyörät soveltuvat hyvin käytettäviksi. Renkaan koolla on suuri vaikutus ilmanvastukseen: pieni pyörä on parempi. Valitettavasti vain kokemus on osoittanut, että suuri pyörä vierii paremmin epätasaisella alustalla (kuten esimerkiksi Helsingin kaupungin talvisilla pyöräteillä, joilla on sentti pari karkeaa hiekoitussepeliä jääsohjon seassa).

Pyörien ilmavastuksen vähentämiseksi on kehitetty erilaisia ratkaisuja: hiilikuitupyöriä, joissa on kolme tai neljä puolaa, litteäpuolaisia pyöriä, levypyöriä jne. Mm. googlaamalla löytyy tietoja erilaisten pyörien ilmanvastuksesta erilaisilla tuulen kohtauskulmilla. Sopiva hakusana on esim. wheel aerodynamics.




Renkaiden vierintävastus

Ohessa on melko vanhaa tietoa renkaiden vierintävastuksesta USAlaisesta lähteestä. Ainakin viitteellisesti voi nähdä, että renkaan tyypillä, rengaspaineella ja koolla on merkitystä. Isohalkaisijainen ja kovaksi pumpattu on yleensä paras vierintävastuksen kannalta. Ajomukavuuden kannalta kovat renkaat eivät ole kovin miellyttäviä. Ian Sims on myös testannut 406-millisä pyöriä, mutta testiolosuhteet poikkeavat käytännön olosuhteista. Tietoja testituloksista pitäisi löytyä Greenspeedin sivuilta.

Eri kokoisten renkaiden vierintävastuksesta oli Recumbent Cyclist News'issa (Fall 1995) toimittajan kaivamia esimerkkejä, jotka USAlainen tukimuslaitos on laskenut vuonna 1992 ja CycloPedia catalog julkaissut. Renkaiden vierintävastus on suhdelukuna, kun 27" renkaan vastus = 100.

Rengasmerkki / -tyyppi Sunteellinen vierintävastus
27":n rengas 100
IRC Roadlite 20" 128
ACS RL Edge 20" x 1.75 164
Moulton 175
Golden Boy 16" x 1-3/8" 225
Golden Boy 16" x 1.75 290

Lähde: Recumbent Cyclist News, Fall 1995 / CycloPedia catalog 1992 / CB Institute for Cycle Research

Vuonna 1994 samassa luettelossa oli vierintätesti, jossa kolmipyöräfillaria vieritettiin luiskaa alas ja katsottiin, kuinka pitkälle trike eri renkailla vieri. Vierintämatkat ovat varsin erilaisia, taas iso parhaana. Rengaspaineella oli suuri merkitys testituloksiin.

Rengasmerkki / -tyyppi Vierintämatka (jalkaa)
IRC 700c x 25 98
Moulton 140 psi 65
The Chen Shin 20" x 1-3/8" 65 psi 33,6
Moulton 70 psi 32,6
The Haro 20" x 1.5" 27,7
Michelin 16" x 1.75" 60 psi 16,5

Lähde: Recumbent Cyclist News, Fall 1995 / CycloPedia catalog 1994

Sivulla www.legslarry.beerdrinkers.co.uk/tech/JL.htm" (linkki korjattu 2003-09-01, tarkistettu 2014-10-07) on John Lafford'in taulukko Tyre Rolling Resistance Data erilaisten renkaiden vierintävastuksista (os. korjattu 2002-01-10). Rengastkoot 305...700 mm ja rengaspaineet 40...140 psi, ajonopeudet 20...50 M/h (mph). Taulukossa on ilmoitettu vierintävastuskerroin (rolling resistance ceoficient) ja kulutettu teho eri nopeuksilla. Mittaustapaa ei ole selitetty. Taulukko (tarkistettu 2014-10-07) on vuosilta 1998...2002, siis melko vanhaa tietoa. Mukana Nokian renkaista ovat Roadie, City Runner, Mount & City, Mount & Ground, Ultra Tour ja Ultra Tour w Air B latex tube.

Taulukon pituus tulostettuna 9 vaaka-A4-liuskaa.

Taas näyttää siltä, että iso kova rengas pyörii paremmin kuin pieni ja pehmeä (ottamatta kantaa pyörän ja renkaan muihin ominaisuuksiin, kuten kestävyyteen, painoon yms.). Nokian Mount & Ground tuntuu olevan 406-millisenä raskas rengas.

Cycling News -sivulla on tietoa renkaan paksuuden vaikutuksesta vierintävastukseen.



 Pääsivulle
 Main Page
 Fillarit
 Recumbents

 Sivun alkuun
 Top of Page