12 sie Wpływ prędkości na opór powietrza
Wpływ prędkości na opór powietrza
Na całym świecie trwa poszukiwanie opcji optymalizacji wyników biegowych poprzez zmniejszenie oporu powietrza wśród biegaczy, trenerów i biegaczy naukowców.
Rowerzyści i łyżwiarze szybcy robią to już od dawna, opracowując optymalne warunki aerodynamiczne (ubranie, ramy, pozycja ciała, opływy sylwetki, drafting).
W bieganiu nastąpiło ostatnio kilka przełomów w uchwyceniu oporu powietrza. Pierwszy pojawił się wraz z opracowaniem nowego Stryda, który w czasie rzeczywistym informuje o Air Power. Drugim było rewelacyjne INEOS 1:59 Challenge. W Wiedniu Eliudowi Kipchoge pomogło 41 pacemaker’ów (5 drużyn po 7 i 6 rezerw), aby osiągnąć swój wspaniały wynik 1:59:40.
W tym artykule skupimy się na wcześniejszej (i spektakularnej) demonstracji wpływu oporu powietrza. W 2011 roku amerykański sprinter Justin Gatlin przebiegł 100 metrów w rewelacyjnym czasie 9.45. Udało mu się to podczas specjalnego wyścigu zorganizowanego przez japoński program telewizyjny Kasupe! Umówili się, że będzie mu towarzyszyć tylny wiatr dostarczany przez ogromne wentylatory (zdolne do wiania wiatru z prędkością 32 km/h)!
W rezultacie Gatlin pobiegł szybciej niż dzisiejszy rekord świata Usaina Bolta (9,58), chociaż w sezonie 2011 nigdy nie biegł szybciej niż 9,95 sekundy w regularnych wyścigach. Najwyraźniej tylny wiatr dał mu przewagę netto nie mniejszą niż 0,5 sekundy!
W tym artykule obliczymy, jak duża była przewaga oporu powietrza, aby sprawdzić, czy możemy wyjaśnić wynik.
Teoria
W naszej książce „Sekret biegania” omówiliśmy teorię oporu powietrza w różnych rozdziałach. Zgodnie z podstawowymi prawami fizyki, moc potrzebna do pokonania oporu powietrza Pa (Air Power) jest określona przez gęstość powietrza ρ (w kg/m3), współczynnik oporu powietrza cdA (w m2), prędkość jazdy v (wm/s) i prędkość wiatru vw (wm/s), jak pokazano w ramce.
Poniższy rysunek przedstawia moc powietrza w funkcji prędkości jazdy v w warunkach standardowych (temperatura 20°C, ciśnienie powietrza 1013 mbar, więc ρ = 1,205 kg/m3, cdA = 0,24 m2, bez wiatru, więc vw = 0 SM). Przy prędkości Gatlina (38,1 km/h) moc powietrza w standardowych warunkach wynosi oszałamiające 171 watów.
Jak duża była przewaga tylnego wiatru?
Na to pytanie trudno odpowiedzieć, ponieważ nie wiemy dokładnie, jaka była prędkość wiatru. Z YouTube dowiadujemy się, że prędkość wentylatorów wynosiła 32 km/h, ale duża część tego wiatru zostanie utracona na rzecz otaczającego powietrza. Wydaje się oczywiste, że prawdziwy wiatr w plecy, którego doświadczył Gatlin, będzie znacznie mniejszy.
Oszacowaliśmy ten rzeczywisty wiatr tylny za pomocą bilansu mocy: Pt = Pa + Pr. Tak więc założyliśmy, że całkowita moc Pt Gatlin’a pozostała taka sama. Bez tylnego wiatru ta moc umożliwiła mu bieg 9,95, a z tylnym wiatrem ta sama moc pozwoliła mu biegać 9,45.
W przypadku bez wiatru tylnego jego prędkość wynosiła 10,05 m/s, więc jego Pr musiał wynosić 10,05 * 79 * 0,98 = 778 watów (masa ciała 79 kg i ECOR 0,98 kJ/kg/km). Przy tej prędkości jego Pa było równe 147 watów, więc najwyraźniej jego Pt wynosiło 925 watów.
W przypadku tylnego wiatru jego prędkość była wyższa (10,58 m/s). W konsekwencji jego Pr wynosił 819 watów, czyli o 41 watów więcej niż w przypadku bez wiatru. Dochodzimy więc do wniosku, że opór powietrza musiał być o 41 watów niższy z powodu wiatru w tył.
Następnie użyliśmy powyższego wzoru do obliczenia, przy której prędkości wiatru opór powietrza zostanie zmniejszony o 41 watów. Daje to prędkość tylnego wiatru 5,8 km/h lub tylko 18% prędkości wentylatorów. Wyniki podsumowano w poniższej tabeli.
Zauważamy, że jest to uproszczona kalkulacja, ponieważ pominęliśmy moc wymaganą do przyspieszenia w pierwszej części wyścigu. Sprinterzy wykorzystują znaczną część swojej mocy do tego przyspieszenia, jak pokazaliśmy w naszej książce „The Secret of Running”. Ponieważ Gatlin uzyskał większą prędkość przy wietrze tylnym, oznacza to, że będzie również zużywał nieco więcej mocy na przyspieszenie. Biorąc to pod uwagę, rzeczywista prędkość tylnego wiatru będzie wyższa niż obliczone powyżej 18%.
Jak szybko Justin Gatlin mógł biec bez żadnego oporu powietrza?
Można to łatwo obliczyć, ponieważ w tym przypadku Pa jest równe 0. Taka sytuacja może wystąpić podczas biegania na bieżni lub w długim tunelu aerodynamicznym z prędkością powietrza nieco większą niż 10 m/s. W takich przypadkach Gatlin mógłby wykorzystać swoją całkowitą moc biegu wynoszącą 925 watów na opór biegu Pr.
Rezultatem jest zatem prędkość 925 / 79 / 0,98 = 11,95 m/s lub czas na 100 metrów wynoszący 8,4 sekundy! Ta kalkulacja jest również uproszczona, ponieważ nie wzięliśmy pod uwagę mocy wymaganej do przyspieszenia w pierwszej części wyścigu.
W naszej książce „Sekret biegania” obliczyliśmy podobny czas dla Usaina Bolta. Z jednej strony jego Pt jest większy niż Gatlin, dzięki czemu był szybszy w normalnych wyścigach. Z drugiej strony Bolt był cięższy, więc opór powietrza był w jego przypadku relatywnie mniejszy. Formuła pokazuje, że opór powietrza jest niezależny od masy ciała, co oznacza, że intensywni biegacze mają niewielką przewagę.
Jeśli jesteś zainteresowany kupnem Stryd po raz pierwszy, sprawdź naszą nową ofertę https://www.sport8.pl/1724-sensor-mocy-biegowej-stryd-v4-wind.html
Do zobaczenia na biegowych ścieżkach.
Pozdrawiamy!
Dołącz do dyskusji!
Dołącz do nas w społeczności Stryd na Facebooku, aby omówić swoje doświadczenia z tym nowym oprogramowaniem: https://www.facebook.com/groups/strydcommunity/
Czytaj także
Biegaj szybciej ze STRYDEM – Ekonomia biegania – część 4
Biegaj szybciej ze STRYDEM – Ekonomia biegania – część 3
Biegaj szybciej ze STRYDEM – Ekonomia biegania – część 2
Biegaj szybciej ze STRYDEM – Ekonomia biegania – część 1
Aby dowiedzieć się więcej na temat korzystania ze Stryd i mocy, aby biegać szybciej zaglądaj na nasz blog.
STRYD Team