Průměrná rychlost je prevít, ale odpor vzduchu je ještě horší

Díky tréninkům v aerodynamickém tunelu zvítězil Lance Armstrong ve 13. etapě na Tour de France 2004 s dojezdem na Plateau de Beille. Ivan Basso (skrytý za Lancem, vykukuje jen rukáv), využívající pouze tradiční metody jízdy, byl zcela bez šance.

    Průměrná rychlost je prevít, ale odpor vzduchu je ještě horší. A ten, kdo alespoň občas usedne na kolo poháněné vlastní silou, mi musí dát za pravdu. Pokud totiž jedu do kopce a tím definitivně likviduji představy o slušné průměrné rychlosti, mám určitou naději, že jednou také pojedu z kopce, kde si trochu odfrknu (poslední věta nelze aplikovat na KPO Časovky do vrchu).

    Naproti tomu představuje odpor vzduchu zcela jednoznačně sílu, která vždy a za všech okolností maří úsilí cyklistovo a působí proti jeho snaze o pohyb vpřed (na vzácnou výjimku upozorním v závěrečné části článku). Pokud se ve snaze o zlepšení svých cyklistických výsledků ponoříte, tak jako já, na několik let do studia mechaniky kapalin, zjistíte, že odpor vzduchu je závislý na rychlosti. Tato závislost záleží na tom, zda je proudění vzduchu kolem soustavy cyklista-kolo laminární nebo turbulentní. V případě laminárního proudění je odpor vzduchu přímo úměrný rychlosti F=k*v, kde k je konstanta závislá na tvaru tělesa a hustotě vzduchu a v je rychlost. Tato rovnice z pohledu cyklistiky ještě poměrně přívětivá (jak se ukáže z další analýzy) má háček právě v nutnosti laminárního proudění. Toho lze dosáhnout jen při velmi, ale velmi, nízkých rychlostech. Osobně musím říct, že moje pokusy s laminárním prouděním obvykle končili pádem na ústa (nevím jaké jsou vaše zkušenosti s používáním nášlapných pedálů při fyzikálních pokusech, moje jsou špatné). Zatím jsem zjistil, že laminární proudění by snad mohl občas využít kolega Michal Malášek, který dokáže na kole stát bez problémů.

    Pro nás ostatní zbývá proudění turbulentní, které pan Newton popsal rovnicí F=0,5*C*S*ρ*v2 , což už je dost soda. Je to o to smutnější, že kdyby Newton nebyl takový puntičkář, mohl napsat rovnici ve tvaru F=0,5*C*S*ρ*v, nebo dokonce F=0,5*C*S*ρ, a to už by se dalo jezdit i na velkou placku. (Jen poznámka na okraj pro ty opravdu rychlé – po překonání rychlosti zvuku roste odpor vzduchu dokonce se třetí mocninou rychlosti, takže to se fakt namakáte).

Nyní trochu vysvětlení k těm písmenkům:

  C je součinitel odporu vzduchu a mění se podle tvaru tělesa. Např. pro kouli je 0,48, ale pro kapku je jen 0,05. Pokud uvažujeme cyklistu, tak hlava dá 0,48, s nasazenou helmou ještě o něco víc, tělo to taky nezachrání, k tomu turbulence kolem drátů atd., čili standardního cyklistu bych viděl na 0,7. Ten kdo bere vzduch vážně, pořídí rám s kapkovitým průřezem trubek a disková kola, a pokud ho to nesfoukne ze silnice, má koeficient na smělých 0,699.

  S je průřez tělesa ve směru kolmém na proudění vzduchu. Tělesem zde fyzika myslí jízdní soupravu člověk-kolo, průřez ve směru kolmém jsem na vlastním těle neprováděl, nicméně opakovanými konzultacemi na MFF UK Praha jsem zjistil, že je to to, co je z člověka vidět, když se na něj díváte po větru. Nicméně s vlastním průřezem toho taky moc nenaděláme, maximálně můžeme zalehnout za řidítka. Teoreticky dochází ke zmenšení průřezu také v okamžiku, kdy si někde usteleme v zatáčce, ale opakovanými pokusy jsem zjistil, že v tu chvíli se uplatňují ještě další síly, např. tření, které výhodu sníženého odporu vzduchu eliminují a to dost podstatně.

  ρ je hustota vzduchu a s tou za normálních okolností člověk také moc nenadělá, i když… Jak určitě víte, hustota vzduchu klesá s rostoucí nadmořskou výškou, proto také mnoho pokusů o rekordy probíhá ve vysokohorském prostředí. Mimochodem, tím se vysvětluje, proč Armstrong vyjet na Alpe d’Huez průměrnou rychlostí 23,44km/h (nadmořská výška 1860 m), zatímco já můžu v okolí Prahy vypustit duši (vlastní, kola se to netýká) při 20km/h. Z rovnice jsem odvodil hypotézu, že pokud bude hustota vzduchu nulová, bude nulový i odpor vzduchu při jízdě. Zatím to nemám potvrzené empiricky, protože jsem nesehnal slušnou cyklotrasu ve vakuu, ale pokud se zadaří, budu vás o výsledcích informovat.

  v je rychlost, a tedy jádro celého problému. Odpor roste s druhou mocninou rychlosti!!! Nejhorší zpráva za dobu, co jezdím na kole. V praxi to znamená, že když chci jet dvojnásobnou rychlostí, bude odpor vzduchu, který překonávám, čtyřnásobný!!!!! A na takovou dřinu se můžu…. Na druhou stranu to ale také znamená, že když jedu poloviční rychlostí, je odpor vzduchu čtvrtinový, a to už stojí za trochu zpomalení. Navíc, jak jste se dozvěděli z analýzy průměrné rychlosti, do kopce jedeme pomaleji a tudíž ztráty odporem vzduchu jsou menší, zatímco při rychlé jízdě z kopce je odpor vzduchu velký a ani nemá cenu s ním bojovat. Proto mohu jen potvrdit, že co člověk nenajede do kopce, to už z kopce nezachrání. Fyzika je prostě proti.

    Na závěr ještě speciální odstavec pro drsňáky, kteří jezdí i za větru. Pokud fouká vítr, počítá se do odporu vzduchu rychlost větru vůči tělesu člověk-kolo. Možná jste už zaregistrovali situaci, kdy jsou směry vektorů rychlosti kola a větru opačné (lidově nazývané jízda proti větru). Tady je opravdu veškerá snaha marná a jediná rozumná věc je počkat, až to přejde. Naopak vychytávkou je jízda po větru, kdy rychlost používaná pro výpočet odporu vzduchu je rozdílem rychlosti kola a větru. V ideálním případě je rychlost větru vyšší než rychlost jízdy a vítr žene cyklistu. V takové případě mohu jen doporučit využívání fyzikálních zákonů! Zvyšte jak plochu S, tak koeficient C!!! Jako optimální řešení se jeví stažení dresu přes hlavu a jeho následné napnutí vzpažením nad hlavu. Jednak zvětšíte plochu o více než 50% a pak dobře napnutý dres profilem připomíná desku s koeficientem C=1,12. Jaký rozdíl oproti výše uvedeným 0,7! Pokud v této optimalizované pozici natrefíte na vichřici, můžete klidně držet průměr nad 60 km/h, a to už stojí za to.

    Tolik k odporu vzduchu v cyklistické teorii a praxi. Teď záleží jen na vás, jak budete poznatky aplikovat a jestli se budete pouštět do marných bojů s větrnými mlýny. V každém případě já už vím, proč špičkoví profesionálové tráví čas v aerodynamickém tunelu a co tam trénují.

Jan Koudelka
KPO