Konstrukce výkonnostních kol s radiálními dráhy: snižování odporu vzduchu

Aerodynamické základy: Jak geometrie drátů ovlivňuje odpor u výkonnostních kol

Turbulence v místě spojení drátů s obrubníkem při bočním větru

Když boční vítr zasáhne kola bicyklu, vzniká náhle oddělení proudění právě v místech, kde jsou dráhy spojeny s obrubou. To vyvolává vířivé víry, které mohou zvýšit aerodynamický odpor až o 18 % ve srovnání s koly se hladkým povrchem, jak ukazují testy v aerodynamickém tunelu. Pokud mají tyto spojovací body zaoblené hrany místo ostrých rohů, proudí vzduch kolem nich hladčeji. Výsledek? Mnohem hladší přechody a přibližně o 40 % nižší turbulentní kinetická energie podle počítačových simulací ve srovnání s tradičními čtvercovými profily. Pro závodníky, kteří se během soutěží často potýkají s bočním větrem, má přesný tvar těchto spojovacích bodů skutečný význam. Optimalizované konstrukce snižují součinitel odporu v rozmezí 0,03 až 0,05, což se sice na první pohled nezdá jako velký rozdíl, ale poskytuje cyklistům hmatatelnou výhodu v závodech, kde každá sekunda rozhoduje.

Nesymetrie tlakového rozdílu a odtrhování vírů u rotujících soustav drátů

Když se kola otáčejí, jejich dráhy vytvářejí střídavé oblasti vysokého a nízkého tlaku, což vede k těm otravným jevům odtrhování vírů, které způsobují pulzující odpor. U běžných kol s 24 dráhami dochází k těmto vibracím mezi 80 až 120krát za sekundu při rychlosti přibližně 40 kilometrů za hodinu, čímž se v průběhu tohoto procesu zbytečně spotřebuje zhruba 15 až 25 wattů výkonu. Novější čepelovité dráhy tento problém odtrhování snižují přibližně o 30 procent, protože mají hladší tvary, které umožňují proudění vzduchu déle zůstat přilepené k povrchu. Avšak i zde existuje kompromis. Ty silnější části čepelových dráh zvyšují rotační hmotnost, čímž se ztěžuje rychlé zrychlení kola z klidu. Většina konstruktérů nyní upřednostňuje zúžený (ztenčující se) tvar dráhy, kdy se dráha postupně ztenčuje od středu k okraji ráfku, přičemž udržuje poměr tloušťky přibližně 1 ku 3. Tento přístup pomáhá snížit turbulenci za kolem a zároveň zajišťuje dostatečnou pevnost pro reálné podmínky jízdy, jak ukazují testy v aerodynamickém tunelu i počítačové simulace.

Profilované, kulaté a hybridní lopatkové disky: kompromisy pro výkonné kola

Profilované lopatky: zisky v odolnosti proti bočnímu větru versus omezení tuhosti a výrobních možností

V aerodynamických testech v aerodynamickém tunelu, které zveřejnil časopis Aerodynamics Journal již v roce 2022, se ukázalo, že lopatkové dráhy snižují odpor přibližně o 8 % ve srovnání s tradičními kulatými dráhami. K tomu dochází díky jejich tvaru podobnému křidélku, který v podstatě brání vzniku nepříjemných vírů, jakmile se úhel odchylky od středu přesáhne přibližně 15 stupňů. Avšak zde je nutné zmínit jednu nevýhodu. Lopatky jsou tak tenké, že ve skutečnosti snižují tuhost kola v příčném směru, čímž se při intenzivním šlapání sníží příčná tuhost o 15 až 20 procent. Výroba těchto komponent je zcela jiným příběhem. Výrobní proces vyžaduje velmi přesnou kontrolu – například odchylka natočení lopatek musí být udržena v rozmezí poloviny stupně v obou směrech. Většina firem nemá přístup k speciálním formám z uhlíkových vláken, které jsou pro tento druh přesné výroby nutné. Jaký je tedy konečný závěr? Cyklisté, kteří dávají přednost udržení maximální rychlosti na dlouhých úsecích spíše než explozivním sprintům, pravděpodobně považují aerodynamické výhody za dostatečně významné, aby přijali tyto kompromisy v tuhosti a složitosti výroby.

Hybridní eliptické konstrukce s lopatkovými pruty v koly pro výkonnost schválených UCI

Hybridní konstrukce prutů kombinuje eliptické základní struktury, které zvyšují pevnost v oblasti náboje, s lopatkovými částmi, které se zužují směrem k okraji. Tato kombinace vytváří dobrý kompromis mezi aerodynamikou, odolností a splněním požadovaných předpisů. Testy na modelech schválených UCI ukazují, že tyto konstrukce vykazují přibližně o 12 % nižší variabilitu odporu při různých úhlech větru ve srovnání s tradičními plně lopatkovými koly, jak vyplývá z nedávných validačních studií z roku 2023. Kola také splňují požadavky pravidel UCI na rozměry kol, konkrétně poměr šířky ku hloubce 2,5:1 stanovený v článku 1.3.018. Klíčovou výhodou tohoto architektonického přístupu je jeho schopnost současně řešit více výkonnostních faktorů bez kompromisu v jakémkoli jednotlivém aspektu.

• 5–7 % nižší setrvačnost rotace než u tradičních lopatkových prutů
• 94 % snížení odporu v přímé linii dosaženého plně lopatkovými konstrukcemi
• Plné splnění bezpečnostních norem UCI pro průhyb drátů

Pokročilé konfigurace drátů: Y-dráty, vícedrátkové systémy a strukturální účinnost

Optimalizace počtu drátů a úhlu větvení za účelem koherence turbulentního proudu a rotační setrvačnosti

Návrh nesouměrných konstrukcí kola, jako jsou paprsky ve tvaru písmene Y a systémy s více paprsky, přispívá ke snížení momentu setrvačnosti rotace, protože většinu hmotnosti umísťují blíže ke středu kola. To zlepšuje zrychlení, aniž by došlo ke ztrátě dobré tuhosti v příčném směru. Pokud však tyto konstrukce obsahují menší počet paprků, může to za vyšších úhlů náběhu vést ke vzniku silnějších vírů, pokud úhly, pod kterými se paprsky odbočují od obvodu, nejsou optimální. Větrné tunely ukázaly, že pokud tyto odbočovací úhly leží v rozmezí 25° až 35°, proudí vzduch kolem ráfku hladce, místo aby se příliš brzy oddělil. Výsledkem je, že proud vzduchu zůstává přilepený déle na zadní části kola, než se nakonec oddělí až na samotném konci.

Zdroj: Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics, 2023

Zatímco Y-tvarové dráhy poskytují nejvyšší snížení odporu (průměrně 12 %), systémy s více dráhami nabízejí vyšší odolnost vůči nárazu. Optimální konfigurace kombinuje minimální počet dráh s geometricky přesnými rozvětvovacími body – ověřenými pomocí výpočtové dynamiky tekutin (CFD) – za účelem maximalizace aerodynamické účinnosti a skutečná odolnost v provozu.

Ověřování aerodynamiky dráh: Aerodynamický tunel a výpočtová dynamika tekutin (CFD) pro výkonné kola

Získání přesných výsledků pro aerodynamiku drátů znamená kombinaci skutečných aerodynamických tunelových testů s podrobnými počítačovými simulacemi, tzv. CFD modelováním. Aerodynamické tunely skutečně měří odpor, který výkonné kola vykazují při expozici skutečným bočním větrům a příčným větrům, a ukazují tak všechny složité způsoby, jakými spolu interagují dráty, ráfky a vzduch. Počítačové modely poté doplňují chybějící údaje analýzou rozdílů tlaku a vírových vzorů proudění vzduchu v extrémně malém měřítku. Tyto modely identifikují místa, kde je turbulence nejvýraznější – zejména v místech spojení drátů s ráfkem – a určují, jak změny tvaru drátů ovlivňují turbulentní srdíčko (tzv. wake) za kolem. Nejlepší výrobci cyklistických komponentů se při vývoji svých produktů spoléhají na obě metody. Díky tomu mohou návrhy rychle upravovat, aniž by přitom obětovali pevnost nutnou pro skutečné jízdní podmínky. Podle nedávných studií (Journal of Mechanical Engineering, 2023) nejlepší firmy dosahují shody mezi výsledky svých počítačových modelů a výsledky z aerodynamického tunelu v rozmezí přibližně 3 %. Tato vysoká shoda znamená, že jakékoli zlepšení naměřené v laboratoři se skutečně projeví snížením odporu i při jízdě cyklistů po silnicích.

Sekce Často kladené otázky

• Co je vířivé odtrhávání v rotujících kružnicových sponách? Vířivé odtrhávání označuje střídavé oblasti vysokého a nízkého tlaku způsobené pohybem spon, což vede k pulzujícímu odporu a ovlivňuje aerodynamický výkon kola.
• Jak ovlivňují čepele spon jízdní výkon při cyklistice? Čepele spon snižují odpor vytvářením hladších tvarů, které pomáhají udržet přilnavost proudění vzduchu, čímž zvyšují stabilitu při bočním větru, avšak za cenu nižší boční tuhosti.
• Jaké jsou výhody hybridních elipticko-čepelových konstrukcí spon? Hybridní konstrukce nabízejí rovnováhu mezi sníženou variabilitou odporu, aerodynamickou účinností a souladem se zásadami bezpečnosti UCI, přičemž kombinují eliptické a zužující se čepele.
• Proč je testování v aerodynamickém tunelu klíčové pro aerodynamiku spon? Testování v aerodynamickém tunelu poskytuje reálná data o odporu, kterýmu vystavena výkonnostní kola za různých podmínek větru, a umožňuje přesné hodnocení a zdokonalování konstrukcí spon.
• Jsou výkonnostní kola s menším počtem spon výhodná? Menší počet radiálních prutů snižuje setrvačnost při rotaci, čímž zlepšuje zrychlení, ale vyžaduje přesné úhly větvení, aby se udržel hladký proud vzduchu a zabránilo se vzniku silných vírů.