В начале апреля я опубликовал на канале статью: DrivEn: гоночные велосипеды на трансмиссии без цепи, где рассказывалось о велосипедной трансмиссии с заявленной эффективностью в 99%. В ней я сказал, что эффективность цепной трансмиссии составляет в среднем 70%, а в комментариях добавил, что на дешёвых компонентах КПД может снижаться до 55%. За такие цифры был немедленно «заминусован» и получил дозу публичного порицания. Признаю свою вину, меру, степень, глубину... но давайте разберёмся.
Немного терминологии
В случае с велосипедом, если за какое-то время вы ногами приложили определённую силу к педалям, чтобы прокрутить эти самые педали на определённое расстояние, то вы выработали какую-то мощность. Но не все ваши Ватты передались колёсам, которые преодолели силу трения качения и перекатили вас по дороге — часть энергии потратилось «мимо кассы».
Во избежании неразберихи в комментариях:
Примечание 1: далее по тексту под мощностью мы будем подразумевать среднюю механическую мощность, а не мгновенную мощность или электрическую мощность.
Примечание 2: Мощность — отношение работы ко времени, за которое она была совершена. (N = A / t)
Механическая работа прямо пропорциональна приложенной силе и пройденному пути. (A = F * s)
Значит мощность прямо пропорциональна силе и пути, и обратно пропорциональна времени, за которое была произведена работа (N = F * s / t).
Исходя из этого потери мощности и энергии будут пропорциональны. От этого мы отталкиваемся дальше.
Чтобы понять, насколько много мощности пропало, введём понятие коэффициента полезного действия, или сокращённо — КПД.
Коэффициент полезного действия — это такая мера эффективности механизма, которая определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой. То есть, если вы выжали 100 ватт, а на колесо в конечном итоге передалось 99, то делим 99 на 100, то КПД получился 0.99 — для красоты можем перевести в проценты, так что получится 99%.
Куда пропадают Ватты?
В общем смысле, у приложенных вами усилий в процессе передачи от педали к колесу есть три способа куда бы ускользнуть:
- Потратиться на преодоление силы трения;
- Потратиться на растяжение или сжатие детали;
- Потратиться на нагревание элемента трансмиссии;
Что про это пишут в учебниках?
Начнём с курса теоретической механики, а именно с электронного учебного курса «Детали машин» Ильдара Каримова. Ищем лекцию про цепные передачи.
Средние значения КПД при передаче полной расчетной мощности достаточно точно изготовленных и хорошо смазываемых передач составляют 0,96...0,98.
То есть в цепной передаче из хороших материалов, с выверенным шагом звеньев и с приличной смазкой, КПД будет равняться 96-98%. Но есть одно но — передача должна состоять из 2 звёзд и цепи. Никаких дополнительных роликов, рамок и натяжителей — только одна скорость.
А если скоростей больше одной?
У большинства современных велосипедов, которые не используются в трековых гонках, и не принадлежат к fixie-культуре, скоростей действительно больше одной, причём обычно значительно больше. Для того, чтобы обеспечить переключение скоростей в трансмиссию добавлены переключатели. Давайте посмотрим на это сбоку.
В постоянное взаимодействие с трансмиссией добавляются вот эти два ролика. На этих роликах тоже начинаю теряться ваши ватты:
- За счёт трения о них цепи;
- За счёт изменения натяжение цепи;
- За счёт того, что вы эти ролики нагреваете.
Исследование на эту тему можно найти в весеннем выпуске журнала Human Power за 2000 год.
Помимо потерь на роликах, оказалось что в кассете на звездах с меньшим количеством зубов больше искривление цепи, от этого больше трение и больше потери мощности соответственно.
Если в цифрах, то экспериментально выяснилось, что потери на цепной передаче в лабораторных условиях могут составлять от 1.4% на трансмиссии с одной скоростью и до 19.1% на мультискоростной трансмиссии. Напомню, что в эксперименте участвовала трансмиссия Dura-Ace «без пробега» — это самая топовая линейка шоссейного обвеса, пусть и в данном случае за 2000 год.
Мои ватты больше никуда не теряются?
В реальности — теряются. Если верить ребятам из FastFitnessTips, то 12 ватт можно потерять дополнительно, если ваша цепь будет грязной.
Ещё 5 ватт вы потеряете, если используете дешёвую цепь не очень хорошего качества. Итого: 12 + 5 = 17 ватт в трубу.
Ещё 4 ватта уйдут, если цепь окажется короче, чем это необходимо. Мощность потеряется, так как слишком большое натяжение цепи создаёт дополнительное трение между каждым звеном. Итого 17 + 4 = 21 ватт. Но и тут не всё.
При перекосе цепи создаётся избыточное натяжение и дополнительное трение, и тут можно потерять ещё 3 ватта. Так что выбирайте сочетание передней и задней скоростей мудро. Итого мы получили, что 21 + 3 = 24 ватта.
Так и сколько получилось-то КПД?
Предположим, что с велосипедом я вешу 95 килограмм, а по городу езжу со средней скоростью 19 км/ч, тогда в безветренную погоду мне нужно передать на колесо около 60 ватт (можно посчитать на этом калькуляторе). Если предположить, что я пренебрёг всеми советами FastFitnessTips, то мне нужно выработать дополнительные 24 ватта, то есть в сумме 84. Ещё мы помним, что даже очень хорошая и новая мультискоростная трансмиссия может съедать до 19.1%, а значит к педали мне нужно приложить чуть меньше 104 ватт.
Вот и давайте посчитаем: 60 делим на 103.8, получаем 57% КПД. Выходит, на малых скоростях можно драматически понизить КПД цепной передачи. Правда с дешёвой, грязной, короткой цепью, на неподходящей передаче, зато на очень дорогом обвесе Shimano Dura-Ace.
И это мы поговорили только про трансмиссию, а ведь на потерю мощности ещё влияет аэродинамика (вру — не влияет, зато влияет на скорость), качество покрышек, давление в шинах, состояние втулок и каретки... Ужас!
Если вам понравился материал, или он был вам полезен, ставьте «Палец вверх» или подписывайтесь на этот канал @abrosimov.online.
Если вам кажется, что я использую неверную методику расчетов, то жду комментариев.
Кстати, провожу небольшое исследование, потратьте, пожалуйста, две минуты и примите участие в опросе 6 вопросов про вас и ваш велосипед, если ещё этого не сделали. Спасибо!
P.S. Коплю на гревел. Осталось накопить 96.00%.
P.P.S. Обратил внимание, очень много блогеров прикручивают формы сбора донатов к постам, неужели это работает?
