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自由車手的致勝關鍵!用航太科學降低行進風阻,協助車手破風取勝

111/09/30 瀏覽次數 822
圖一

圖一:降低空氣動力阻力成提升自由車競賽選手的表現關鍵因素之一(影像來源:國科會運科專案計畫團隊)

自由車競賽可能在毫秒之差與冠軍擦肩,要贏得競賽除了靠選手的體力以及耐力,幕後的運動科學研究可以幫助選手在競賽過程中更「省力」甚至「騎得更遠、更久」,而降低空氣動力阻力就成了幫助選手提升表現的關鍵之一。

只要是在空氣中移動的物體都會有空氣動力阻力(Aerodynamic Drag)的干擾甚至進一步降低物體移動的速度,而利用航太領域的學理及技術其實可以有效地減少其干擾因素。

無所不在的空氣動力阻力

空氣動力阻力為物體與大氣相對運動時受到空氣之阻擋而速度變慢的現象,一般可簡稱為風阻( Drag )。影響空氣動力阻力大小的原因很多,其中最常用來作為降低空氣動力阻力的指標為阻力係數 ( Drag Coefficient ) 和迎風面積 ( Frontal Area ),通常在汽車以及飛機的設計都盡可能地降低阻力係數,但這兩種交通工具的外型已發展得相當成熟,如汽車約為 0.2-0.3、飛機約為 0.03,而自由車選手的阻力係數約為 1,相較之下較有下降之空間。

其二是迎風面積,人體因人的高矮胖瘦都不相同,再加上騎乘自由車時姿勢也會不斷的改變,只要找出每位選手的最佳低風阻姿勢加以訓練配合策略也可以有效的降低阻力。

量測空氣動力阻力的方法

過去在自由車手訓練上大多憑感覺來瞭解環境狀態,近年來運動科學觀念興起,各家廠商逐漸開發多款智慧裝置來顯示選手之騎乘情況,但在阻力的量測上還是缺乏迎風面積與阻力係數數據,因此目前市售的智慧裝置仍無法提供精確的阻力供選手參考。

而國科會運科專案計劃團隊則結合了航太領域的「風洞」( Wind Tunnel ) 進行實驗,風洞是利用風扇產生人造氣流的設施,也因為是人造的設施,所以可去除外在環境較為不穩定的其餘變量。

圖二

圖二:選手風洞實驗儀器架設(影像來源:國科會運科專案計畫團隊)

掌握關鍵技術,有效降低自由車騎乘時的空氣動力阻力!

一、自由車減阻衣的研發:

市售的自由車衣大多以舒適穿著為主要考量,對於表面粗糙度不是特別講究,過去會認為光滑表面摩擦力最小,但是人體所產生的阻力是以壓力阻力為主,所以完全光滑的車衣事實上對於減低阻力的作用並不大。

因此經風洞實驗後發現,若是在肩部以及腰部增加車衣的粗糙度,可延後流動分離 (Flow Separation) 之現象,在同一騎乘速度以及環境狀態下可降低達 7-8% 的空氣動力阻力。

二、數據資訊系統的研發:

每個人的身體型態均有所不同,因此無法使用同一標準衡量每位選手的空氣動力阻力,而國科會運科專案計畫則藉由穩定的風洞環境,再利用攝影機連續拍攝並結合 AI 人工智慧演算法,以得到自由車選手的迎風面積。

最後則使用測力元件進行阻力係數的測量,得到每位選手不同姿勢下的迎風面積以及阻力係數,並將這些數據製成自由車手的個人數據庫。當實驗選手要進行訓練或是競賽時,就可將數據資訊系統連結外部環境感測元件,如風速計、功率計、胎壓計等,即時瞭解自身的阻力狀態以及功率輸出。

三、選手訓練時策略調整與參考:

資訊系統建置完成後,配合自由車上裝載的風速計、功率計、胎壓計等外部感測器整合即時環境狀態,就能夠讓選手瞭解目前騎乘時的各項資訊以及最重要的空氣動力阻力,再藉由觀察空氣動力阻力大小變化,選手即可在姿勢以及配速上進行調整,甚至在多人競賽時保持跟車位置及距離。

而在選手騎乘姿勢上雖然以趴臥休息把阻力較小,但相對的舒適度不佳,經運動科學研究後顯示,在自由車騎乘之相對風速達到 11m/s (約時速 40 公里) 時,改變為趴臥休息把姿勢更能有效的降低風速。

因此選手可在較低速時保持原本之姿勢,而衝刺至較高速度時保持休息把的低風阻姿勢,以此策略可讓選手在競賽時既可降低高速時的風阻,也可以在低速時保持較舒適的姿勢維持體力。
 

未來延伸應用

經過風洞實驗過後,本團隊自行研發風速計並已於路面騎乘實驗進行實地驗證,未來將與產業界合作發展供一般民眾所使用之自由車資訊系統,期望將研究成果商品化,共同促進國內自由車運動之發展。

資料來源
  • 苗君易(2003).流體力學知多少
  • X. Y. Hsu, Jiun Jih Miau, T. H. Ku, J. J. Chen, W. C. Yuan, Y. H. Lai, Y. R. Chen, Y. J. Chen, C. H. Tseng, C. H. Chen, S. S. Jan, Y. S. Ciou, Y. Chen, C. W. Chiu (2021) . A study of drag reduction with textile roughness on a cyclist model
     
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