エアロテストプロセス pt.1
導入
このブログ記事では、屋外の自転車競技場での空力テストのメリットと課題について詳しく説明します。ニュージーランドのケンブリッジはサイクリングの聖地ですが、幸運なことに、すぐ近くに屋内と屋外の両方の自転車競技場があります。そこで、夏の間、当社の空力エンジニアに、さまざまなトラック サイクリング ハンドルバーの空力特性を調査するよう依頼しました。このプロセスからどのようなことを学ぶことができるでしょうか。また、屋外条件でのテストの結果はどの程度正確でしょうか。
さまざまなアスリートとの数回のセッションで、パフォーマンスの向上を追求するためにさまざまなコンセプトがテストされました。テストの主な目的は、結果自体ではなく、エアロテストのプロセスを改良することでした。これにより、将来のエアロテストのための繰り返し可能で文書化されたプロセスを確立できます。
なぜ航空テストを実施するのですか?
トラック サイクリングのようなデータ主導の業界では、フィールド テストは研究開発の極めて重要な側面です。これは、理論的な開発を検証し、新製品が堅牢で実際のアプリケーションに適していることを確認する機会です。ただし、結果の信頼性は、テスト プロトコルの厳密さに大きく左右されます。結果を信頼できるように、テスト パラメータを正しく設定することに自信を持ちたいと考えました。ハンドルバーがサイクリストの空気抵抗に正確にどのように影響するかに関するデータは、私たち自身の将来のイノベーションを推進するだけでなく、ハンドルバーの種類を選択するアスリートにとっても貴重なリソースです。
空気力学をテストするにはどうすればいいですか?
ライダーの空気抵抗を測定するために、CdA という用語を使用します。これは、物体の抗力係数 (Cd) と前面面積 (A) を数値化して、その空気効率を示します。CdA が大きいほど、速度が遅くなり、同じ速度を維持するために必要なパワーが大きくなります。
トラック サイクリングの世界クラスの CdA 値は 0.15 まで低くなることがありますが、競技アマチュアの場合は通常 0.20 ～ 0.30 の範囲になります。
私たちは、動圧と静圧を測定するピトー静圧管を内蔵した Notio Aerometer を使用しました。この測定値を使用して、非常に重要な CdA 値を計算します。
- ハンドルバーが狭くなると空気力学が改善される
- リーチが長くなると空気力学が改善されます
- Velobike Skat Grip C は、現在利用可能な他のグリップオプション (Grip A および Grip B) よりも高速です。
グリップC付きVelobike Skatハンドルバー
このプロセスについて何を学びましたか?
数回のセッションで、さまざまなアスリートにさまざまなハンドルバーのセットアップでテストランを行ってもらいました。異なる日に異なるアスリートを使用したことで、結果の変動が大きくなりましたが、正確さはテストの目的ではありませんでした。前述のように、これはむしろ、システムの空力性能を測定するための繰り返し可能なプロセスを確立し、改良することでした。異なる日にさまざまなアスリートを使用したことで、正確さがより重要になる将来の機会に実装するための学習を構築できました。これを考慮すると、プロセスにはうまく機能した側面と、より困難な側面がありました。
- 屋外の自転車競技場でのテストは、非常にアクセスしやすいという利点がありました。プレッシャーのない環境で、トラック走行時間がほぼ無制限なので、有用なデータの収集を始めるのに最適な場所でした。
- 風の強い日は、屋外トラックを走行する際に風向きが絶えず変化します。そのため、テスト走行中に一定の速度を維持することはほぼ不可能となり、CdA 値が一定でなくなります。穏やかな日には、繰り返しテストを行うと CdA 結果が 0.003 変動しますが、中程度の風の場合は 0.006 変動します。そのため、微風 (約 20 km/h) 以上の風が吹く日にテストを行うのは無意味です。
- 2 時間のセッション中に、ライダーは疲れ始め、姿勢を変え始めました。繰り返しベースライン テストでこれを確認したところ、セッション終了時に CdA がわずかに高くなっていました。これを監視することで、ライダーの疲労によるエラーを排除できました。Leomo モーション センサーを使用しましたが、ビデオ映像や、ヘルメットのテールがライダーの背中に接触しているなどの知覚的手がかりも有効です。あるいは、ライダーをバイクの後ろでスピードアップさせることで、加速に必要なパワーが減り、疲労が軽減されます。
- Notio エアロ センサーと付属ソフトウェアは CdA の計算を行います。ただし、機械効率や転がり抵抗などの入力変数は測定されず、手動で入力する必要があります。計算された CdA 値に自信を持つには、信頼できるオンライン ソースからこれらの変数を調べるのに少し時間をかける必要があります。以下は、Vittoria Corsa G+ 2.0 タイヤの転がり抵抗値の例です (bicyclerollingresistance.com)。
転がり抵抗テスト結果 (bicyclerollingresistance.com)
以下は、Notio アプリの自転車プロファイル設定ページのスクリーンショットです。総重量、タイヤの円周、転がり抵抗はすべて、CdA 計算に重要な入力です。
Notio Aerometer バイク プロファイル設定ページ
- 最後に、これらのセッションは時間がかかり、最大 6 回のレースペース インターバルが含まれる場合があります。ライダーの個人トレーニング プログラムへの配慮と、ライダーに役立つ洞察をフィードバックすることは、アスリートから常に高く評価されていました。
ジョエル・ダグラスがエアロテスト走行を実施（テ・アワムツ、ニュージーランド、2023年）
テスト結果はどうでしたか?
私たちがテストしたアスリートには、興味深い空力節約効果がいくつかありました。これは各ライダーに固有のものであり、一律に当てはまるとは限りません。とはいえ、簡単な装備の変更でどれだけ節約できるかを示しています。以下は、異なるアスリート 3 名の結果です。
180mm のステム (140mm の長さのステムと比較) では、時速 45 km で 18 ワットを節約しました。
このセッションでは、ステムの長さと位置の影響を調べました。長いステムをテストし、次に長いステムでハンドルバーの位置を高くしました。結果は、リーチが長いほど速くなるという経験則と一致しました。これは、あるアスリートのデータです。ハンドルバーを高くすると CdA が上昇するため、最速のセットアップは、元のスタック高さで 180 mm のステムを実行することでした。
ハンドルバーを変更すると時速40キロで36ワット節約
この大幅な節約を実現するために、2 つの変数を変更しました。まず、ハンドルバーが狭くなりました (360 mm から 330 mm)。次に、狭いハンドルバーにはフード サポートが付いており、これによりライダーはドロップではなくフード内で前腕を水平に配置できるようになりました。これにより、CdA が大幅に節約されました。節約のすべてがバーの幅によるものではなく、位置の変更によるものでもあります。
360 mm ハンドルバー (上) と Velobike バンチバー 330 mm (下)。
このセッションでは、テスト走行距離を 1.5 km から 2.0 km に増やしました。これにより、繰り返しテスト間で CdA 値がより安定しましたが、アスリートがより多くのエネルギーを費やす必要があるという明らかな欠点がありました。下のグラフは、2 つのハンドルバーを使用してさまざまな速度を達成するために必要な出力を示しています。
グリップCを装着したSkat Enduranceハンドルバーは、時速45キロでグリップBより10ワット速かった。
Skat Endurance ハンドルバーには、A、B、C の 3 つのグリップ オプションがあります (テスト時)。これらは小さな部品なので、前面面積への影響は最小限です。ただし、グリップの種類 (形状) によって、ライダーの上半身の位置が大きく決まります。ライダーの位置は、前面面積に大きく影響します。グリップ C を使用すると、ライダーは前方に手を伸ばし、手を近づけて追跡姿勢を模倣できます。グリップ B は、ロード バイクのシフター フードに似ており、グリップ C に比べて手を伸ばしやすく、スタンスが広くなっています。これにより、このアスリートで記録された 10 ワットの節約を説明できます。
グリップB（左）とグリップC（右）
ディスカッション: 次回実装する制限と学習内容は何ですか?
エアロテストのプロセスを改善するために、屋外の自転車競技場は実用的でアクセスしやすいリソースであることが判明しました。セッションは、特に複数の変数をテストする場合、かなりの時間を要します。そのため、屋外の自転車競技場でのテストは、出発点として適しています。屋内の自転車競技場のようなプレッシャーや費用をかけずに、プロセスを調整できます。結果に関しては、一貫性の大きな要因となった天候によって制限されました。しかし、これを監視することで、アスリートがポジションと装備を改善するのに役立つデータが確実に得られました。より正確な結果を得るための次のステップは、屋内の自転車競技場でテストしていくつかの環境要因を排除することです (これについては、今後のブログで詳しく説明します)。
また、結果は非常に個人的なものであり、生理学や能力に左右されることもわかりました。そのため、実際のエアロテストの適用は、空気力学を改善したい人にとって役立ちます。特定のコンポーネントまたはポジションのエアロパフォーマンスを分析するより一般的な研究には、傾向を検出するために、より大きなサンプルプールが必要になります。
全体的に、「ゴミを入れればゴミが出る」という古い格言は真実でした。正確な入力値と厳格なテスト プロトコルによって、最もクリーンな結果が得られました。私たちは、トラック サイクリングの空力特性について引き続き深く掘り下げていくことに興奮しており、進展があればさらに詳しい情報を共有していきます。それまでの間、以下のコメント欄で、最も見たい空力データについてお知らせください。
ダン・ガードナーがVelobike Innovationのエンジニアリングインターンシップの一環として執筆