Что измеряет мощность и чем она отличается от скорости
Мощность в велоспорте -- это скорость, с которой велосипедист совершает механическую работу, измеряемая в ваттах. Скорость же -- это просто пройденное расстояние за единицу времени, и она сильно зависит от внешних условий: одна и та же мощность даёт совершенно разную скорость в зависимости от уклона, ветра и покрытия дороги. Велосипедист, поднимающийся по крутому склону со скоростью 10 км/ч, может развивать намного большую мощность, чем тот же велосипедист, едущий по ровной дороге со скоростью 30 км/ч, потому что на подъёме большая часть этой мощности уходит на подъём веса тела и велосипеда против силы тяжести, а не на движение вперёд.
Именно поэтому мощность стала предпочтительным показателем усилия в велотренировках и гонках: в отличие от скорости, она не искажается холмами, ветром или ездой в группе, поэтому напрямую отражает физиологическую отдачу спортсмена и сопоставима от тренировки к тренировке и от велосипедиста к велосипедисту после нормировки по весу тела.
Физическая модель: три силы сопротивления
Устоявшаяся физическая модель, проверенная сопоставлением с непосредственно измеренной мощностью в таких исследованиях, как работа Martin с коллегами (1998), рассчитывает мощность, необходимую для езды с заданной скоростью, суммируя три силы сопротивления и умножая сумму на скорость, а затем деля результат на КПД трансмиссии, чтобы учесть потери на трение в цепи и подшипниках. Сила тяжести равна суммарной массе велосипедиста и велосипеда, умноженной на ускорение свободного падения и на синус угла дороги. Сопротивление качению равно той же суммарной массе, умноженной на ускорение свободного падения, косинус угла дороги и коэффициент сопротивления качению. Аэродинамическое сопротивление растёт пропорционально квадрату скорости, а значит, мощность, необходимая для его преодоления, растёт пропорционально кубу скорости.
Поскольку истинные параметры сопротивления качению и аэродинамики конкретного велосипедиста и велосипеда редко известны без специального тестирования, в калькуляторах на основе физической модели обычно используют типичные опубликованные значения в качестве фиксированных допущений: коэффициент сопротивления качению (Crr) 0,005, характерный для шоссейных шин на асфальте; эффективная фронтальная площадь (CdA) 0,32 квадратного метра, характерная для шоссейного велосипедиста в положении на верхах руля; плотность воздуха 1,225 кг на кубический метр -- стандартное значение на уровне моря при 15 градусах Цельсия; и КПД трансмиссии 97,5%, что соответствует опубликованным измерениям цепных приводов. Предполагается штиль, без встречного или попутного ветра.
- P = (F_тяж + F_кач + F_аэро) x v / 0,975
- F_тяж = (m_велосипедист + m_велосипед) x 9,8067 x sin(atan(уклон% / 100))
- F_кач = (m_велосипедист + m_велосипед) x 9,8067 x cos(atan(уклон% / 100)) x 0,005
- F_аэро = 0,5 x 1,225 x 0,32 x v^2 (v в м/с)
Почему сопротивление воздуха доминирует на высоких скоростях
В таблице ниже приведены модельные оценки для велосипедиста весом 75 кг на велосипеде весом 9 кг на ровной дороге в безветренную погоду при стандартных допущениях выше. Обратите внимание, как доля мощности, затрачиваемая на преодоление сопротивления воздуха, стабильно растёт со скоростью: сила аэродинамического сопротивления растёт пропорционально квадрату скорости воздушного потока, поэтому мощность на её преодоление растёт пропорционально кубу, тогда как сопротивление качению остаётся почти постоянным при изменении скорости.
| Скорость | Расчётная мощность | Доля на сопротивление воздуха |
|---|---|---|
| 20 км/ч | ≈ 58 Вт | ≈ 59% |
| 25 км/ч | ≈ 97 Вт | ≈ 70% |
| 30 км/ч | ≈ 152 Вт | ≈ 77% |
| 35 км/ч | ≈ 226 Вт | ≈ 82% |
| 40 км/ч | ≈ 323 Вт | ≈ 85% |
Ватты на килограмм как показатель для сравнения
Ватты на килограмм -- это мощность, делённая на вес тела велосипедиста, и это стандартная нормировка, используемая в велоспорте, поскольку скорость на крутых подъёмах в основном определяется мощностью относительно общего веса системы. На ровной дороге, напротив, скорость в основном определяется абсолютной мощностью относительно аэродинамического сопротивления, поскольку сила тяжести почти не играет роли при угле дороги, близком к нулю. Это отражено в литературе по тренировкам на основе мощности, в частности в книге Allen, Coggan и McGregor Training and Racing with a Power Meter, где ватты на килограмм используются как стандартная ось для сравнения результатов велосипедистов с разной комплекцией.
Поскольку устойчивое значение ватт на килограмм чрезвычайно сильно варьируется в зависимости от тренировочного опыта, продолжительности усилия, возраста и многих других индивидуальных факторов, единого числа, определяющего «хороший» показатель для всех велосипедистов, не существует; сравнение собственного показателя ватт на килограмм во времени при сопоставимой продолжительности усилия обычно более информативно, чем сравнение с другими велосипедистами.
Что такое FTP?
Функциональная пороговая мощность (FTP) -- понятие из литературы по тренировкам на основе мощности, описанное в книге Allen, Coggan и McGregor Training and Racing with a Power Meter; оно обозначает наибольшую мощность, которую велосипедист способен поддерживать в квазиустойчивом физиологическом состоянии примерно в течение часа. Оно служит индивидуальным ориентиром: поскольку велосипедисты чрезвычайно сильно различаются по абсолютной мощности, выражение целевой интенсивности тренировки в процентах от собственного FTP спортсмена позволяет персонализировать тренировочные зоны, а не опираться на фиксированную мощность в ваттах, которая была бы бессмысленной для разных велосипедистов.
FTP -- не фиксированное на всю жизнь число: оно меняется вместе с изменением физической формы, поэтому программы тренировок на основе мощности периодически его переоценивают. В этой статье рассматривается только само понятие; конкретные протоколы полевого тестирования для оценки FTP здесь не описаны, поскольку методологию тестирования и правильную прогрессию интенсивности лучше доверить квалифицированному тренеру или первоисточникам тренировочной литературы.
Часто задаваемые вопросы
В чём разница между мощностью и скоростью на велосипеде?
Мощность -- это скорость механической работы, которую совершает велосипедист, измеряемая в ваттах, а скорость -- это просто пройденное расстояние за единицу времени. Скорость сильно искажается уклоном, ветром и ездой в группе -- одна и та же мощность даёт совершенно разную скорость на подъёме и на ровной дороге, -- поэтому мощность считается более прямым и сопоставимым показателем физиологического усилия.
Как рассчитывается мощность в велоспорте по физической модели?
Стандартная физическая модель суммирует три силы сопротивления -- силу тяжести, сопротивление качению и аэродинамическое сопротивление -- и умножает сумму на скорость езды, а затем делит результат на КПД трансмиссии. Типичные опубликованные константы (коэффициент сопротивления качению 0,005, фронтальная площадь 0,32 квадратного метра, плотность воздуха 1,225 кг на кубический метр и КПД трансмиссии 97,5%) обычно используются, когда собственные измеренные значения велосипедиста недоступны.
Какое значение ватт на килограмм считается хорошим?
Ватты на килограмм -- это мощность, делённая на вес велосипедиста, и этот показатель имеет наибольшее значение на подъёмах, где скорость в основном определяется мощностью относительно общего веса. Устойчивое значение ватт на килограмм чрезвычайно сильно варьируется в зависимости от тренировочного опыта, продолжительности усилия и возраста, поэтому единого «хорошего» числа для всех велосипедистов не существует; отслеживание собственного показателя во времени при сопоставимой продолжительности более информативно, чем сравнение с другими.
Что означает FTP в велоспорте?
FTP, или функциональная пороговая мощность, -- это наибольшая мощность, которую велосипедист способен поддерживать в квазиустойчивом физиологическом состоянии примерно в течение часа; это понятие описано в литературе по тренировкам на основе мощности (Allen, Coggan и McGregor). Оно служит персонализированным ориентиром: тренировочную интенсивность обычно выражают в процентах от собственного FTP спортсмена, а не как фиксированную мощность в ваттах.
Почему сопротивление воздуха сильнее влияет на высоких скоростях в велоспорте?
Сила аэродинамического сопротивления растёт пропорционально квадрату скорости воздушного потока, а мощность, необходимая для его преодоления, растёт пропорционально кубу скорости, тогда как сопротивление качению остаётся примерно постоянным независимо от скорости. В стандартной физической модели сопротивление воздуха составляет примерно 59% общей мощности при 20 км/ч, но вырастает примерно до 85% при 40 км/ч, поэтому аэродинамика доминирует в результативности велоспорта на гоночных скоростях.
Источники
- Martin JC, Milliken DL, Cobb JE, McFadden KL, Coggan AR. Validation of a mathematical model for road cycling power. Journal of Applied Biomechanics 1998; 14(3): 276-291.
- Wilson DG. Bicycling Science, 3rd edition. MIT Press, 2004.
- Allen H, Coggan AR, McGregor S. Training and Racing with a Power Meter, 3rd edition. VeloPress, 2019.
- International Civil Aviation Organization (ICAO). Standard Atmosphere -- sea-level air density 1.225 kg/m^3 at 15 degrees Celsius.
- American College of Sports Medicine. ACSM's Guidelines for Exercise Testing and Prescription, 11th edition. Wolters Kluwer, 2021.