Moc wyjściowa przy różnych gęstościach powietrza

Czynniki wpływające na gęstość powietrza to: wysokość, temperatura powietrza, wilgotność powietrza i ciśnienie barometryczne. Kalkulator: http://barani.biz/apps/air-density/

Jak jazda z różną gęstością powietrza wpływa na moc wyjściową i prędkość?

Wracając do tego pytania, ponieważ jest kilka uwag.

OP wspomniał tylko o ciśnieniu powietrza (barometrycznym) i niekoniecznie wysokości. Zacznę od ciśnienia barometrycznego i powrócę do wpływu wysokości.

Typowe zmiany ciśnienia barometrycznego na tej samej wysokości, a zatem wpływ na ciśnienie parcjalne tlenu (O2), nie są tak duże, aby były zauważalne dla zdolności do generowania mocy, jednak są wystarczające, aby wpłynąć na prędkość, którą można osiągnąć dla podana moc wyjściowa. Może nie być to wcale takie zauważalne w ogólnej jeździe po mieście, ale jeźdźcy na czas będą mogli osiągnąć szybsze lub wolniejsze czasy w zależności od ciśnienia barometrycznego.

Nie nastąpi 10% zmiana ciśnienia powietrza na tej samej wysokości . np. różnica między dniem bardzo niskiego ciśnienia (np. cyklonem kategorii 2 do 3 z centralną strefą niskiego ciśnienia @ 970 hPa) a bardzo wysokim ciśnieniem (np. dzień dobry przy 1030 hPa) wynosi tylko 6%.

Ponieważ jest mało prawdopodobne, abyś jechał huraganem lub cyklonem, wahania ciśnienia barometrycznego w warunkach, w których faktycznie będziesz jeździł, wynoszą zwykle zaledwie kilka procent. Mimo to, dla kierowcy wyścigowego na czas, na 40-kilometrowym odcinku różnica gęstości powietrza między dniami niskiego i wysokiego ciśnienia może spowodować 30-sekundową różnicę czasu na trasie, przy czym wszystkie inne rzeczy są równe.

Gęstość powietrza może się różnić o więcej niż ta z powodu zmian samego ciśnienia barometrycznego. Gęstość powietrza jest przede wszystkim funkcją ciśnienia barometrycznego, temperatury powietrza i wysokości.

Gęstość powietrza wzrasta wraz ze wzrostem ciśnienia barometrycznego i zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury i wysokości. Wilgotność ma bardzo mały (pomijalny) wpływ na gęstość powietrza, ale ze względu na kompletność, zwiększenie wilgotności nieco zmniejsza gęstość powietrza.

Wpływ wysokości na wydajność

Jeśli weźmiemy pod uwagę wpływ wysokości na wydajność jazdy na rowerze, jak inni powiedzieli, istnieją dwa podstawowe czynniki:

ja. wpływ fizjologiczny na twoją zdolność do generowania zrównoważonej energii, gdy ciśnienie cząstkowe O2 zmniejsza się wraz ze wzrostem wysokości, oraz

ii. wpływ fizyki w miarę zmniejszania się gęstości powietrza, co oznacza, że ​​można osiągnąć wyższą prędkość przy tej samej mocy wyjściowej (ceteris paribus).

Wpływ fizjologiczny

Gdy wspinamy się na wyższe wysokości i spadamy gęstość powietrza, „cieńsze” powietrze oznacza zmniejszenie ciśnienia parcjalnego tlenu, co negatywnie wpływa na moc wyjściową, którą możemy utrzymać poprzez metabolizm tlenowy. Ta utrata mocy może wynosić nawet 20% lub więcej, w zależności od tego, jak wysoko się wspinamy i od naszej indywidualnej reakcji na wysokość.

Opublikowano kilka artykułów analizujących wpływ wysokości na aerobowe wyniki sportowe i na podstawie tych wzorów opracowano oszacowanie utraty mocy w funkcji wysokości. Był jeden z artykułu Peronneta i in. Z 1989 roku, dwa z artykułu Bassett i in. Z 1999 roku, każdy dla aklimatyzowanych i nieaklimatyzowanych sportowców. Dodając do nich, stworzyłem czwartą formułę, opartą na badaniu przeprowadzonym w 2007 r. Przez Clarka i in. Odpowiednie dokumenty to:

Péronnet F, Bouissou P, Perrault H, Ricci J .: Porównanie rejestrów czasu rowerzystów według wysokości i zastosowanych materiałów.

Bassett DR Jr, Kyle CR, Passfield L, Broker JP, Burke ER .: Porównując rekordy godzin jazdy na rowerze, 1967-1996: modelowanie z danymi empirycznymi.

Clark SA, Bourdon PC, Schmidt W, Singh B, Cable G, Onus KJ, Woolford SM, Stanef T, Gore CJ, Aughey RJ .: Wpływ ostrej symulowanej umiarkowanej wysokości na moc, wydajność i strategie stymulacji u dobrze wyszkolonych rowerzystów .

Peronnet i wsp. Wykorzystali dane empiryczne z faktycznych rekordów godzin rowerowych na świecie, aby oszacować wpływ wysokości na moc wyjściową elity rowerzysty. Założenia zastosowane do oszacowania utraty mocy indukowanej wysokością mogą zawierać pewien błąd; w szczególności ze względu na metody zastosowane do oszacowania mocy dla każdego rowerzysty, ponieważ ani moc, ani współczynnik oporu aerodynamicznego nie zostały faktycznie zmierzone.

Według starej pozycji FAQ na forum Wattage autorstwa dr. Davida Bassetta, Jr, dwie formuły Bassett i wsp. Wywodzą się z wcześniejszych prac badających wpływ wysokości na wydajność aerobową czterech grup wysoko wytrenowanych lub elitarnych biegaczy. Tak więc chociaż formuły te nie pochodzą od rowerzystów, nadal możemy je uogólniać na podstawie utraty zdolności tlenowej rowerzystów.

Na koniec badanie Clarka i wsp. Zmierzyło wpływ na szczytowe wykorzystanie tlenu (VO2), wydajność brutto i moc wyjściową na rowerze u dziesięciu dobrze wyszkolonych, ale nieaklimatyzowanych rowerzystów i triathlonistów, testując jeźdźców na symulowanych wysokościach 200, 1200, 2200 i 3200 metrów. Przeanalizowali szereg czynników, w tym maksymalną 5-minutową moc wyjściową, VO2 i sprawność brutto w stosunku do wydajności na 200 metrach, a także poniżej maksymalnej wartości VO2 i wydajności brutto.

Użyłem tych danych do wygenerowania formuły podobnej do tych z Peronnet i wsp. Oraz Bassett i wsp. (Które składają się na liczby w tabeli wymienionej w jednej z pozostałych odpowiedzi). Oczywiście zakłada się równoważne zmniejszenie mocy 1-godzinnej, jak w przypadku mocy 5-minutowej. Clark i wsp. Zauważyli nieznacznie większe zmniejszenie wartości szczytowej VO2 niż dla 5-minutowej mocy maksymalnej i brak zmiany wydajności brutto przy 5-minutowej mocy maksymalnej z wysokością. Jest więc pewien beztlenowy wkład metaboliczny, prawdopodobnie przypuszczalnie nadrabiający różnicę. Na symulowanym 3200 metrach odnotowano pewną utratę sub-maksymalnej wydajności.

W tym przypadku zdecydowałem się użyć redukcji 5-minutowej mocy zamiast spadku szczytowego pułapu tlenowego jako danych bazowych formuły i zastosowałem korektę, aby zrównoważyć formułę równoważności na poziomie morza, aby dostosować ją do formuły o Peronnet i in. Oraz Bassett i in. Oczywiście, gdy spojrzysz na raportowane dane, istnieją oczywiście znaczne różnice w grupie testowej na każdej symulowanej wysokości, więc wzór opiera się na średnich grupowych dla każdej symulowanej wysokości.

Oto formuły:

x = kilometry nad poziomem morza:

Peronnet i in .:
Proporcja mocy na poziomie morza = -0,003x ^ 3 + 0,0081x ^ 2 - 0,0381x + 1

Bassett i in. Sportowcy aklimatyzowani na wysokości (kilka tygodni na wysokości): Proporcja mocy na poziomie morza = -0,0112 x ^ 2 - 0,0190x + 1 R ^ 2 = 0,973

Bassett i in. Sportowcy nieaklimatyzowani na wysokości (1-7 dni na wysokości): Proporcja mocy na poziomie morza = 0,00178x ^ 3 - 0,0143x ^ 2 - 0,0407x + 1 R ^ 2 = 0,974

Wzór Simmonsa oparty na Clarku i wsp .: Proporcja mocy na poziomie morza = -0,0092x ^ 2 - 0,0323x + 1 R ^ 2 = 0,993

i w formie wykresu wyglądają następująco:

Należy pamiętać, że są to średnie dla próbek użytych w każdym badaniu i istnieje indywidualna odmiana, więc wpływ na każdą osobę będzie w tym zakresie, ale może być mniej więcej taki.

Wpływ fizyki

Teraz, oczywiście z perspektywy wydajności, tracisz moc wyjściową wraz ze wzrostem wysokości, jednak występuje wzrost wydajności, ponieważ niższa gęstość powietrza oznacza, że ​​możesz podróżować z większą prędkością przy tej samej mocy wyjściowej (i aerodynamice).

Fizyka jest dość prosta i w przeciwieństwie do wpływu fizjologicznego dotyczy ona jednakowo wszystkich. Jako przykład zbadałem wpływ wysokości na fizykę światowego rekordu godzin jazdy na rowerze i pokazałem, w jaki sposób zmniejszenie gęstości powietrza wraz ze wzrostem wysokości oznacza, że ​​można podróżować szybciej przy tej samej mocy wyjściowej lub inaczej mówiąc, zapotrzebowanie na moc zmniejsza się przy dowolna prędkość wraz ze wzrostem wysokości.

W rezultacie powstała ta tabela, która pokazuje zależność mocy od współczynnika oporu aerodynamicznego (W / m ^ 2) i wysokości dla prędkości od 47 km / h do rekordu Chrisa Boardmana 56,375 km / h.

Zasadniczo wraz ze wzrostem wysokości stosunek siły oporu aerodynamicznego zmniejsza się dla tej samej prędkości.

Wpływ netto zarówno wpływów fizjologicznych, jak i fizycznych

Cóż, kiedy połączymy te dwa, jest to wynik:

Powinno to być dość łatwe do interpretacji, ale mimo to przedstawię wyjaśnienie.

Oś pozioma to wysokość, a ciemne pionowe linie reprezentują wysokość różnych ścieżek na całym świecie.

Oś pionowa to osiągalna proporcja prędkości na poziomie morza.

Zakrzywione kolorowe linie przedstawiają łączny wpływ zarówno zmniejszenia mocy przy użyciu każdego z wyróżnionych powyżej wzorów, w połączeniu ze zmniejszeniem gęstości powietrza umożliwiającym zwiększenie prędkości dla tej samej mocy.

Na przykład, jeśli spojrzymy na zieloną linię (Basset i in. Zaaklimatyzowani), to pokazuje, że gdy rowerzysta zwiększa wysokość, są w stanie utrzymać wyższą prędkość do około 2900 metrów, a każdy dalszy wzrost wysokości pokazuje spadek w osiągalnej prędkości, ponieważ straty mocy zaczynają przeważać nad zmniejszeniem gęstości powietrza.

Tor w Aigle Switerland reprezentuje około 1% wzrost prędkości w porównaniu z Londynem, podczas gdy jazda na Aguascalientes zapewniłaby od 2,5% do 4% wzrostu prędkości. Udaj się do Mexico City, a możesz zyskać trochę więcej, ale jak pokazuje wykres, krzywe zaczynają się spłaszczać, a zatem stosunek ryzyka do nagrody zbliża się bardziej do bardziej ryzykownego końca spektrum.

Wysokość stanowi zatem przykład dobrych zysków, ale malejących zwrotów, gdy powietrze staje się rzadsze. Gdy przekroczysz 2000 metrów, wzrost prędkości zacznie się zmniejszać, a ostatecznie zacznie się zmniejszać, co oznacza, że ​​wysokość jest „słodka”.

Zastrzeżenia, a jest ich kilka, ale najważniejsze to:

• wysokość każdego punktu będzie zależała od jego indywidualnej reakcji na wysokość

• narysowane linie przedstawiają średnie dla badanych grup atletycznych;

• stosowana formuła ma ograniczoną domenę ważności, podczas gdy wykreślone linie wykraczają poza to;

• nie są to jedyne czynniki wydajności, które należy wziąć pod uwagę, ale są to dwa z najważniejszych.

Podejrzewam, że spadek wydajności z wysokości może wystąpić dla wielu bardziej ostro niż sugeruje się tutaj. Niemniej jednak te same zasady obowiązują, nawet jeśli twoja osobista reakcja na wysokość znajduje się w dolnym końcu zakresu, i trudno sobie wyobrazić, dlaczego ktokolwiek sugerowałby, że przejście na co najmniej umiarkowany tor wysokości jest złym pomysłem z punktu widzenia wydajności.

Jeśli chcesz przeczytać więcej, omawiam te problemy w trzech blogach:

http://alex-cycle.blogspot.com.au/2014/09/wm2-altitude-and-hour-record.html

http://alex-cycle.blogspot.com.au/2014/12/wm2-altitude-and-hour-record-part-ii.html

http://alex-cycle.blogspot.com.au/2015/06/wm2-altitude-and-hour-record-part-iii.html

Poniższy wykres można znaleźć w ciekawym artykule na blogu Training Peaks . Na tej podstawie możesz od czasu do czasu regulować poziom mocy.

Moc spada wraz ze wzrostem wysokości. Ale przesunięcie polega na tym, że gęstość powietrza zmniejsza się równolegle (do punktu). I to jest powód, dla którego próbowano rekordów godzinnych na wysokości. Optymalna jest najwyraźniej 3500 m. Tym samym wzrost prędkości przeważa nad utratą mocy. Stąd popularność welodromów w La Paz (Boliwia) na 3400m i welodromie Mexico City na 2230m.

W / r dla pojęcia ciśnienia w oponach i oporów toczenia - niedawno opublikowano artykuł, który obalił mit o wysokich ciśnieniach w oponach - stwierdzając, że utrata energii spowodowana wibracjami wysokiego ciśnienia w oponach oznacza, że ​​niższe ciśnienie w oponach było faktycznie szybsze niż „normalne” „nawierzchnie drogowe.

http://www.wolfgang-menn.de/altitude.htm