【輪組】輪子的慣性好,平路速度才好維持?

車狂之家手編輪工作室
發表於2018/08/27
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這是小索最常聽到的一句話:「老板我要一個慣性好的輪子,我要跑平路用的。」每次聽到這個,小索就要想想怎麼跟車友解釋。

先Google一下,什麼是「慣性」:慣性(英語:inertia)是物體抵抗其運動狀態被改變的性質。物體的慣性可以用其質量來衡量,質量越大,慣性也越大。因為抵抗其運動狀態被改變,所以往往被解讀成慣性大(重)的輪子,平路速度好維持,真的如此?

假設今天一台車上載了許多貨物,那跑起來會更省油嗎?這是沒可能的吧!可以想像油耗等同於體力的消耗,移動更重的物體實則是更耗力。那到底一個重的輪子會有怎樣的效果?


註:單看輪子的前進是轉動+移動,包含圓周運動(轉動慣量)以及直線運動(慣性)。本篇討論盡可能說的淺顯易懂而做了簡化,暫不提及圓周運動的轉動慣量,有興趣探討的車友可閱讀另一篇文章《CHC沒講到的「動能」-- 重的輪子慣性好,平路就好騎??》。

▲ 慣性大(重)的輪子,平路速度才好維持嗎?(圖片來源:123RF)


大家都知道牛頓第二運動定律:F=ma
m:物體的質量
a:加速度
F:施予物體的力,有正有負(在單車上的正向力就是透過踩踏板施予輪子轉動的力,負的就是風阻、滾動阻力...)

這式子告訴我們,當施予一樣大小的力,質量愈大的物體加速度愈慢。重的輪子在持續踩踏板時,速度上升得比較慢,踏板不踩時,速度掉得也比較慢;而輕的輪子,起步很輕腳。這就是所謂慣性:物體抵抗其運動狀態被改變的性質。

那回到我們的主題:平路好維持的輪子

之前的式子告訴我們,慣性大(重)的輪子影響的是加速跟減速的時間,但並不影響到物體移動時最終的穩定速度。人施力於踏板,產生一股向前的力道,但會伴隨著一些阻力(風阻、滾阻、傳動系統的內阻…),當前進的力與阻力和為"零",就會達到最終的穩定速度。

※牛頓第一運動定律(即慣性定律):若物體不受外力或合力為零時,則靜者恆靜,動者恆作等速度直線運動。

那什麼輪子才能讓我平路最省力?這句話實則已經點出重點,就是阻力最低的輪子。陶瓷培林對省力有限,ZIPP 說過 50km/h 少0.8w……顯然這不是個聰明的投資。

▲ 點圖可放大查看(圖片截取自ZIPP官網/小索提供)


再想想,是什麼影響我們平路騎不快的原因??


第一大的阻力源:風阻

所以平路好維持的輪子第一個重點是要能有更低風阻

這邊小索引用國外的風洞測試結果,同一支車架(Cube Litening Race C:62),只差在輪子 MAVIC Ksyrium Elite 對比 ZIPP 404。既然是測試,那條件就需先確認:風速45km/h,角度-20~+20°,只有下半身+車,而且機械腿還會踩踏板。

差異如下圖,依不同的風向角度,功耗差距落在1W~20W之間,低風阻板輪在側風下會有更低的功耗(圖中約在-14度)。當然,測試的條件是在時速45km之下,若是正常點時速30km,能讓我們能省多少力?大約0.3W~5.9W

▲ 點圖可放大查看(圖片來源:TOUR MAGAZINE


平路第二大的阻力源:胎的滾動阻力

當然條件要先說清楚:時速是29km/h,單輪的負重42.5kg;測試的條件近可能貼近現實。

很多人都會忽略胎的滾動阻力,但事實上這個值落差極大,下圖比較同一廠牌外胎(schwalbe)的差異:

Schwalbe pro one : Lugano = 11w : 21.9w

若是車+人85kg,裝這兩條胎,在時速29km下功耗差距將會是驚人的21.8w

▲ 點圖可放大查看(圖片來源:BICYCLE ROLLING RESISTANCE


講了這麼多,小索下點結論:

  1. 平路好維持的輪子有兩個重點,風阻夠低、胎的滾阻也要低。
  2. 一般輪子的風阻差異不會天差地遠。(換個輪子,時速40km輕鬆巡航→這只是玩笑話,別太認真)但有些輪子的設定會讓風阻大得誇張,比方很粗的輻條、輻條數目非常多。Mavic、Campagnolo用了許多粗粗的鋁輻條在中低框的輪子上(ksyrium pro, shamal),但不會在高板的輪子上看到鋁輻條,大廠知道自己在做什麼。
  3. 不同的胎滾阻差異頗大,騎乘速度(風速)不快的情況下,胎的滾阻差異甚至可壓過低風阻板輪。避免用滾阻特別不佳的胎,當然除非有別的考量(練身體、非常防刺耐磨)。
  4. 當速度(風速)上升,風阻成平方比上升,低風阻板輪的效益就會慢慢顯現。(講白話一點,像我一樣肉腳平路騎不快,用好一點的胎或許比板輪更有效果。)
  5. 高板輪雖然有較低的風阻,但面對強大的側風時,會大大增加控車的難度與危險性。
  6. 輪子的重量雖與平路速度的維持無關,但面對走走停停(紅綠燈)、起伏的山路會有直接影響;負重是一點一滴慢慢消耗你的體力。
  7. 重的輪子加速反應慢,非常不適合常常需要加速的騎乘(比方:繞圈賽)。


雙塔520是平路,繞圈賽也是平路,鐵人三項的自行車項目也多是平路……,這些都是平路,但在輪子的選用上差異頗大;要如何聰明的選擇適合的器材上場是我們大家都該了解與學習的。當然上述只是小索個人淺見,有任何問題歡迎提出討論。


※ 延伸閱讀:CHC沒講到的「動能」-- 重的輪子慣性好,平路就好騎??

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