TEST RUOTE CARBONIO DA BICI PER TROVARE LE PIU VELOCI (RIPRODUZIONE DA HAMBINI)

Ho aggiunto questa sezione all’inzio del post blog. La prova che questo test ha usato è chiamato transient state ed è stato usato quando aerodinamica è combiamta costantemente. È difficile di spiegare in dettaglio in solo un post blog quindi ho inserito un link del video youtube (Se non puoi aprirlo, si prega di fare riferimento al link: https://www.youtube.com/watch?v=lwrCrU4KG-I&feature=youtu.be

La parte importante del video è alle 10 minuti 20 secondi e presenta la differenza tra flusso d'aria che esiste nel mondo reale, flusso d’aria che i produttori testano e un test transitorio (turbolente). Il flusso che viene generato in una galleria del vento in stato stazionario si verifica raramente nella vita reale ed è accettabile al limite per un velodromo.

Tieni presente che molte società di ruote utilizzano gli utenti dei forum di Internet come metodo per vendere in modo sovversivo una realtà che non esiste con la premessa di un risparmio energetico impossibile. NON VENDO RUOTE QUINDI NON HO INTERESSE ACQUISITO e rimanere imparziale.

In breve, le aziende produttrici di ruote stanno esagerando i loro risparmi energetici e testando utilizzando metodi CHE NON SONO APPROPRIATI PER USO STRADALE. Se ti dicono il contrario, stanno mentendo categoricamente e sarei più che felice di dimostrarlo in tribunale.

Introduzione

In termini di resistenza causata da un ciclista, la perdita maggiore è causata dal ciclista stesso seguito dalle ruote e dal telaio.

La resistenza causata dalle ruote è significativa per due ragioni fondamentali. Il primo è che colpiscono prima l'aria perché sono la parte più avanzata della bici e la seconda perché stanno ruotando. La velocità effettiva dell'aria nella parte superiore di una ruota/pneumatico è il doppio della velocità indicata della bicicletta.

Nel settore delle biciclette, i test aerodinamici delle ruote sono stati generalmente condotti da due gruppi di persone: produttori di ruote e giornalisti. I produttori di ruote di solito regoleranno i test per far sembrare le loro ruote particolari più favorevoli rispetto ai loro concorrenti nei test. Questo di solito si ottiene mediante una combinazione di regolazione di velocità e angoli. La realtà è che questo tipo di test non è imparziale.

I giornalisti, d'altra parte, tendono a visitare la loro università locale e chiedono a qualche abile boffin di condurre i loro test per loro e di fornire loro i risultati o andare al loro velodromo locale, mantenere una velocità e vedere quanta potenza consumano le ruote.

Entrambe le metodologie di test di cui sopra non sono rappresentative del mondo reale. Un'analogia comparativa sarebbe il consumo di carburante di un'auto che percorre una superficie stradale perfettamente liscia come il vetro, senza vento e senza variazioni di velocità: è totalmente irrealistico.

Il test che è stato effettuato è generalmente in regime stazionario. Un'analisi dello stato stazionario presuppone che le ruote, la bici e il ciclista si trovino in un ambiente piacevole in cui l'aria li colpisce a una velocità perfetta e con un angolo perfetto. Il trascinamento viene quindi registrato.

Nel mondo reale, pochissimi motociclisti hanno la capacità di mantenere una velocità di 50 km ogni ore per un certo periodo di tempo perché semplicemente non sono abbastanza in forma. La realtà è sulla strada aperta, il vento non entra da un'angolazione perfetta, sono i cambi di velocità e cose come l'arredo urbano (siepi, cordoli, macchine che passano, pilota che oscilla da sinistra a destra) sconvolge il flusso d'aria sul pilota. Modellare questo tipo di situazione è chiamato analisi transitoria. È tecnicamente più difficile eseguire analisi transitorie sia in CFD che in galleria del vento. La maggior parte delle gallerie del vento non è attrezzata per effettuare analisi transitorie.

I produttori di ruote stanno ora utilizzando un'analisi ponderata degli angoli di imbardata e delle velocità per dare una valutazione complessiva alle loro ruote. Tenendo a mente che possono regolare la loro ponderazione per migliorare l'aspetto delle loro ruote!

Un metodo di analisi superiore consiste nell'eseguire un'analisi transitoria in una galleria del vento. Ciò richiede una galleria del vento con feritoie orizzontali e verticali per aggiungere Vortice all'aria prima che colpisca la bici e il ciclista. Ciò consente di stimare una stima molto più realistica della resistenza poiché simula le condizioni stradali.

Guida Generale

Angoli di imbardata

I produttori di ruote carbonio pubblicizzano le loro ruote come dotate di una fantastica resistenza a vari angoli di imbardata. L'efficacia del loro marketing è notevole poiché anche molti poster su Internet lo credono.

A causa delle leggi della fisica, per un ciclista medio, l'angolo di imbardata massimo prima che si verifichi la separazione completa è di circa 12 gradi. Una sezione trasversale più smussata (toroidale) potrebbe arrivare a 15, ma questo è davvero il limite. Questo limite di separazione è influenzato da una variabile nota come numero di Reynolds (una combinazione di velocità, densità, profilo della forma e viscosità)

Il design aerodinamico è sempre un compromesso, l'aumento del punto di separazione ad angoli di imbardata elevati avrà sempre un impatto negativo sulla resistenza ad angoli di imbardata molto bassi (<5 gradi).

In test ripetuti, le ruote con prestazioni transitorie molto buone funzionano meglio per il ciclista medio.

Pneumatici

Questa guida è uniforme su tutta la linea. È di vitale importanza installare pneumatici leggermente più stretti o in linea con la pista del freno del cerchione. Un pneumatico in mongolfiera avrà un impatto significativo sulla resistenza.

Negli ultimi tempi c'è stata una tendenza verso pneumatici più larghi sulle bici. Dal punto di vista aerodinamico, la larghezza del pneumatico posteriore ha scarso effetto, ma la larghezza del pneumatico anteriore ha un impatto molto maggiore e quindi si consiglia uno pneumatico anteriore da 23 mm indipendentemente dal fatto che la ruota sia stata progettata per pneumatici da 25 mm. A velocità superiori a 30 km/h, è più vantaggioso avere pneumatici da 23 mm rispetto a pneumatici carbon anteriori da 25 mm per il vantaggio aerodinamico.

Protocollo di prova

Il protocollo di prova è il prodotto del "lavoro del fine settimana" di un gruppo di ingegneri aerospaziali di Bristol, in Inghilterra. Il protocollo di test è molto diverso dai test del produttore. È fondamentalmente imparziale e imita le condizioni di guida del mondo reale, nel senso che modella i movimenti d'aria transitori. L'enfasi è posta sulle ruote che gestiscono la separazione e il riattacco del flusso d'aria in modo efficiente, poca enfasi è posta sull'andare in bicicletta con vento contrario a zero gradi di imbardata: questo non è realistico, quindi perché preoccuparsi di testarlo. La galleria del vento utilizzata era a temperatura e umidità controllate.

Il grafico seguente mostra un esempio di una corsa in cui un ciclista stava percorrendo una strada dritta a una velocità quasi costante. È chiaro che né la velocità dell'aria né l'angolo di imbardata erano costanti.

Le basi del mondo reale per questo protocollo si basano su due sottoinsiemi di ciclisti nell'area di Bristol (Regno Unito). Piloti che sono buoni corridori di club con una media di 30 km/h e cronometristi con una media di 50 km/h. I dati delle loro corse in termini di angoli di imbardata effettivi, velocità e distribuzione della pressione dell'aria sono stati registrati in 6 mesi. Questo è stato valutato, aggregato e mappato su un protocollo adatto per una galleria del vento. Il metodo di trasformazione consisteva nell'analisi statistica delle condizioni stradali, nell'applicazione di una Fast Fourier Transformation ai dati ed nell'esecuzione di alcune simulazioni di test per la validazione. I due protocolli discreti sono mostrati di seguito.

I GRAFICI NON RAPPRESENTANO UN CICLO DI CORSA, INDICANO I PARAMETRI CON CUI SONO STATI TESTATI LE RUOTE. Le gallerie del vento hanno dei limiti e parte dell'esercizio di raccolta dei dati consiste nel convalidare i dati mentre vengono elaborati. È costoso e richiede tempo per correggere gli errori in un secondo momento. Per replicare condizioni transitorie, la velocità pulsante o l'angolo pulsante sono entrambi accettabili. I test di rampa sono stati utilizzati per convalidare l'uno contro l'altro per ciascuna ruota.

Attraverso l'indagine è stato scoperto che le micro correzioni da parte dei ciclisti e la natura alquanto casuale della velocità del vento e la deviazione dell'angolo di imbardata hanno prodotto una risposta transitoria della combinazione di bici e ciclista. Questo era molto peggio sulle ruote mentre stavano ruotando in un flusso d'aria in arrivo. In effetti, un ciclista che guidava in una linea perfettamente dritta in un vento in arrivo generava turbolenza/buffeting/flutter facendo oscillare la bici da un lato all'altro. Quello che sarebbe considerato un angolo di imbardata di zero gradi nell'analisi dello stato stazionario si comporta più come 5-6 gradi quando vengono presi in considerazione gli effetti transitori.

Questo protocollo imita la natura di buffetto del ciclista nella configurazione del flusso d'aria e produce un valore di resistenza medio complessivo rispetto al tempo e di conseguenza alla potenza media. È progettato per eliminare le ruote che hanno scarse prestazioni transitorie. Le righe sui protocolli sono mostrate per completezza, non significano che questo protocollo favorisca condizioni ventose.

Resistenza transitoria vs stato stazionario

Il concetto di effetti di resistenza transitoria è stato ben notato nelle applicazioni aerospaziali a bassa velocità come i droni da ricognizione militare. Questo concetto transitorio non è stato applicato ai prodotti legati alle biciclette nonostante la schiacciante sensibilità dei vettori di velocità coinvolti. Ad esempio, la velocità del vento trasversale su una bicicletta spesso supera la velocità di avanzamento (rapporto > 1). Un confronto per un'auto produrrebbe un rapporto avanti/vento trasversale di 0,25 a una velocità di crociera tipica di 100 km/h.

Un ostacolo significativo nel tentativo di misurare con precisione la resistenza di una bicicletta e di un ciclista è l'interruzione del corpo. Ci sono ampie aree senza corpo solido (ad es. cerchione-mozzo, triangoli del tubo del telaio, gioco tra pneumatici e telaio). Ciò porta all'inevitabile separazione del flusso libero dalla superficie corporea e si traduce in effetti aerodinamici o aeroelastici (flutter). Ciò fa sì che il flusso richieda molto tempo per stabilizzarsi e, inevitabilmente, in quel tempo, un'altra variabile è cambiata e il processo si ripete.

Per illustrare l'impatto della resistenza transitoria, il grafico seguente mostra l'angolo di imbardata che viene incrementato di 2 gradi ogni 10 secondi (etichette dati mostrate). Questo è tracciato contro la forza di trascinamento in stato stazionario e transitorio.

La linea dello stato stazionario mostra le prestazioni di resistenza della ruota quando le letture possono stabilizzarsi e quindi annotare.

Le linee transitorie sono più rappresentative della vita reale. Nel caso di questa acquisizione di dati, è stato stabilito un angolo di imbardata di riferimento e sono stati sovrapposti 2,5 gradi/s di movimento. Con l'introduzione dell'oscillazione, si è verificato un aumento immediato della resistenza su entrambi i gruppi di ruote. A 4 gradi di imbardata, c'era una notevole differenza tra le ruote Reynolds e FLO. Le ruote Reynolds sono state in grado di affrontare l'instabilità e gli urti molto meglio delle ruote FLO. Oltre i 12 gradi, nessuna delle ruote è stata in grado di contenere efficacemente lo scuotimento e si verifica la completa separazione.

In quasi tutti i casi, la resistenza nel mondo reale è molto più che in uno scenario di stato stazionario. È particolarmente diffuso sulle ruote perché stanno ruotando e la velocità netta nella parte superiore delle ruote è il doppio della velocità di avanzamento.

Tempo trascorso a vari angoli di imbardata

Sebbene l'obiettivo principale di questo studio fosse stabilire un protocollo in galleria del vento per rappresentare l'analisi stradale. Alcuni dei dati raccolti potrebbero essere utilizzati per calcoli generici.

La strumentazione utilizzata per l'analisi stradale aveva una frequenza di campionamento di 1024 volte al secondo. Combinando questo livello di accuratezza con i protocolli di filtraggio standard, è stato possibile accertare l'effettivo angolo di imbardata della moto e del pilota. Riducendo la risoluzione, i dati sono stati convertiti in un formato che si allinea ai reparti marketing dei produttori di ruote per l'angolo di imbardata rispetto al tempo a quell'angolo. In tal modo, ha ridotto l'accuratezza dei risultati, ma è stato mostrato a scopo di confronto.

Va notato che i dati transitori riflettevano meglio il tempo effettivo ad angolo poiché tenevano conto delle micro correzioni per lo sterzo dell'input del pilota e delle correzioni istantanee per la velocità del vento. Il filtraggio per lo stato stazionario riducendo la frequenza di campionamento ha rimosso l'instabilità. In sintesi, la risposta di resistenza alla velocità di variazione dell'angolo di imbardata è un migliore predittore della risposta in un flusso libero ad angoli al di sotto del punto di separazione della sezione.

Quando si considera un'intera combinazione di bici e ciclista, l'effetto delle ruote è relativamente piccolo rispetto alla resistenza causata dal ciclista, quindi la natura transitoria della resistenza della ruota diminuisce. La resistenza del pilota è di gran lunga la parte dominante del sistema. Gli effetti della risposta transitoria diminuiscono all'aumentare del rapporto tra la velocità in avanti e quella di turbolenza (vento trasversale). Pertanto, più veloce va il ciclista, minore sarà l'effetto del comportamento transitorio.

L'effetto della larghezza del pneumatico sulle prestazioni aerodinamiche

Negli ultimi anni c'è stata una tendenza generale verso pneumatici più larghi nel settore delle biciclette. Ciò è stato in gran parte spinto dai produttori di pneumatici e ruote che si sono diretti verso i design tubeless sulla premessa che uno pneumatico più largo ha una resistenza al rotolamento inferiore. Sebbene gli effetti della resistenza al rotolamento e di una zona di contatto più favorevole siano stati ben documentati, l'effetto sulla resistenza aerodinamica è stato contestato. Alcuni produttori di ruote hanno affermato che le loro ruote erano più aerodinamiche con pneumatici più larghi: affinché questa affermazione fosse valida, le ruote avrebbero richiesto un coefficiente di resistenza aerodinamica combinato inferiore per superare l'aumento dell'area frontale.

I grafici sottostanti mostrano il confronto tra due ruote, una Shimano C60 a corpo stretto e una Enve 7.8 a corpo più largo. Era chiaramente evidente che uno pneumatico a palloncino (25 mm su un cerchio Shimano C60) aveva un impatto significativo sulla resistenza, specialmente a velocità più elevate. Al contrario, l'effetto sulla ruota Enve dal corpo più largo è stato molto meno drammatico. In entrambi i casi uno pneumatico stretto ha ridotto la resistenza. I pneumatici continentali tendevano a misurare leggermente più larghi della loro larghezza dichiarata quando montati.

Interpretazione dei dati

Questi dati dovrebbero essere interpretati come quelli dei dati sul consumo di carburante di un'auto. Sono progettati per fornire un'indicazione tipica di quanta potenza viene assorbita su un INTERO ciclo di pedalata a una determinata velocità. È importante notare che le ruote veloci a 50 km/h non sono necessariamente le più veloci a 30 km/h.

• L'ERRORE SPERIMENTALE MASSIMO è stato calcolato a +/- 2,5%, la metà dell'intervallo è tracciata per ciascuno dei valori per mantenere la coerenza
• Le profondità dei cerchioni sono suddivise in classi per facilitare il confronto, potrebbero non concordare con le dimensioni dichiarate dal fornitore.
• La potenza nominale in un'analisi transitoria è molto peggiore di un'analisi in stato stazionario
• I commenti sono indicati per qualsiasi cosa degna di nota
• La posizione del ciclista era entro +/- 10 mm per ogni corsa, questa è stata supportata da un rastrello di pressione montato al contrario per rimuovere eventuali dati spuri. Ci sono stati commenti che suggerivano che un ciclista non poteva mantenere una posizione fissa per l'intera durata del ciclo: il protocollo non lo richiede, il controllo degli errori è integrato. Sebbene insolita per l'industria del ciclismo, la rimozione della resistenza dell'appendice è comune nell'industria aerospaziale quindi è stata applicata la stessa tecnica
• La gomma di controllo era una coppia di Continental GP4000SII da 23 mm con una pressione di 8,25 BarG, ci sono un paio di combinazioni di ruote e pneumatici che sono evidenziate in giallo che mostrano una variazione rispetto alla gomma di controllo, queste sono state incluse come riferimento
• La resistenza ROTAZIONALE richiesta per far girare la ruota è inclusa (la maggior parte dei produttori non include questa cifra che va dal 25 al 30 percento, un'eccezione notevole è Swiss Side)
• La posizione di guida (cappelli rilassati) è rimasta invariata indipendentemente dalla velocità. In realtà le alte velocità richiederebbero una diversa posizione di guida, ma ciò avrebbe invalidato il test.

Chi esegue il test in condizioni transitorie?

Ad oggi, l'unica azienda che ha confermato di testare e includere la turbolenza (condizioni transitorie) durante la progettazione è SwissSide. Jean-Paul Ballade di SwissSide ha commentato il video di Youtube mostrato sopra.

Sebbene non confermate, ci sono alcune caratteristiche sulle ruote Mavic che suggeriscono che siano progettate o testate in condizioni turbolente.

Conclusioni

I ciclisti sono stati a lungo alimentati con una dieta di ruote testate a 50 km/h, questa velocità è inappropriata per la stragrande maggioranza dei ciclisti in quanto non possono mantenere la potenza richiesta per quella velocità. C'è stato un processo di pensiero generale secondo cui la maggior parte della guida avviene con angoli di imbardata inferiori a 10 gradi. Anche se questa può essere un'affermazione valida se stai andando a 50 km/h, a velocità più modeste ciò non si verifica. Sia nella guida a 50 km/h che a 30 km/h, l'effetto di micro correzioni allo sterzo, la turbolenza del vento stesso e gli oggetti esterni provocano un flusso turbolento instabile sulle ruote. Questo fenomeno fa aumentare l'angolo di imbardata effettivo sperimentato dalle ruote.

• Le ruote che si comportavano bene erano notevolmente resistenti alla generazione di aree di turbolenza
• Le ruote che si sono comportate bene hanno mitigato la turbolenza abbastanza bene
• Le ruote che si comportavano bene avevano una resistenza rotazionale inferiore rispetto alla concorrenza
• Le ruote con una sezione del cerchio più profonda sono generalmente più aerodinamiche delle sezioni poco profonde
• La differenza tra ruote di una profondità simile è molto piccola e sarebbe difficile per un essere umano essere in grado di rilevarla durante la guida
• La differenza tra una ruota a basso profilo e una ruota profonda verrebbe rilevata da una guida umana.
• Le ruote da ciclismo FLO e Hunt hanno funzionato male, sembrano essere state progettate da persone con una comprensione limitata dell'aerodinamica degli oggetti rotanti. In quanto tali hanno generato una separazione non necessaria e non potevano gestire il flusso d'aria separato
• Il disco Aerocoach e la ruota anteriore di sezione profonda 75 mm hanno mostrato risultati piuttosto interessanti. Questa ruota era essenzialmente una ruota in alluminio con una clip sulla carenatura. A velocità da basse a moderate, la ruota ha funzionato in modo ragionevole, ma quando la velocità è stata aumentata, la ruota ha iniziato a funzionare in modo piuttosto irregolare. La costruzione della ruota anteriore è agricola ed esistono grandi spazi vuoti tra i raggi e la carenatura non strutturale. Queste lacune generavano disturbi di pressione e causavano un comportamento irregolare del flusso. Con l'aumento della velocità, le sue prestazioni sono diventate piuttosto scarse rispetto alla concorrenza immediata e ciò era dovuto principalmente al design scadente della ruota anteriore. Di seguito viene mostrata un'immagine del problema12

Se stai pensando di utilizzare i dati di questo articolo per influenzare la tua decisione di acquisto, utilizzali con cautela. Alcuni aspetti delle ruote come la qualità costruttiva generale, le prestazioni di frenata, i mozzi e la facilità di manutenzione non vengono misurati. Questi fattori dovrebbero essere presi in considerazione di conseguenza.

(Post originale proveniente da: https://www.hambini.com/testing-to-find-the-fastest-bicycle-wheels/)