Công suất đo lường điều gì, và khác với tốc độ ra sao
Công suất đạp xe là tốc độ mà người đạp thực hiện công cơ học, đo bằng watt. Ngược lại, tốc độ đơn giản là quãng đường đi được trên một đơn vị thời gian và phụ thuộc nhiều vào điều kiện bên ngoài: cùng một mức công suất tạo ra tốc độ rất khác nhau tùy theo độ dốc, gió và mặt đường. Một người đạp leo một con dốc gắt với tốc độ 10 km/h có thể đang tạo ra công suất lớn hơn nhiều so với chính người đó đi trên đường bằng ở tốc độ 30 km/h, vì phần lớn công suất trên đoạn leo dốc đang được dùng để nâng trọng lượng cơ thể và xe chống lại trọng lực, thay vì chuyển thành tốc độ tiến về phía trước.
Đây là lý do công suất đã trở thành thước đo nỗ lực được ưa chuộng trong tập luyện và thi đấu đạp xe: không giống tốc độ, nó không bị bóp méo bởi dốc, gió hay việc bám gió (drafting), vì vậy nó phản ánh trực tiếp năng lực sinh lý của người đạp, có thể so sánh giữa các buổi tập và giữa các người đạp khác nhau khi đã chuẩn hóa theo trọng lượng cơ thể.
Mô hình vật lý: ba lực cản
Một mô hình vật lý đã được xác lập vững chắc, được kiểm chứng đối chiếu với công suất đo trực tiếp trong các nghiên cứu như của Martin và cộng sự (1998), tính công suất cần thiết để đạp ở một tốc độ nhất định bằng cách cộng gộp ba lực cản rồi nhân với tốc độ, sau đó chia cho hiệu suất truyền động để tính đến hao tổn ma sát trong xích và ổ bi. Lực trọng trường là tổng khối lượng của người đạp và xe nhân với gia tốc trọng trường nhân với sin của góc mặt đường. Lực cản lăn là cùng tổng khối lượng đó nhân với gia tốc trọng trường nhân với cos của góc mặt đường nhân với hệ số cản lăn. Lực cản khí động học tăng theo bình phương tốc độ, nghĩa là công suất cần để vượt qua nó tăng theo lập phương tốc độ.
Vì các thông số cản gió và cản lăn thực tế của một người đạp và một chiếc xe cụ thể hiếm khi được biết nếu không có kiểm tra chuyên dụng, các giá trị đã công bố thường được dùng làm giả định cố định trong các công cụ tính theo mô hình vật lý: hệ số cản lăn (Crr) là 0,005, đại diện cho lốp đường trên mặt nhựa asphalt; diện tích cản gió hiệu dụng (CdA) là 0,32 mét vuông, đại diện cho một người đạp xe đường trường ở tư thế tay trên ghi-đông (hoods); mật độ không khí 1,225 kg trên mét khối, giá trị tiêu chuẩn ở mực nước biển tại 15 độ C; và hiệu suất truyền động 97,5%, phù hợp với các phép đo đã công bố về truyền động xích. Điều kiện gió lặng được giả định, không có gió xuôi hay gió ngược.
- P = (F_gravity + F_rolling + F_aero) x v / 0,975
- F_gravity = (m_rider + m_bike) x 9,8067 x sin(atan(grade% / 100))
- F_rolling = (m_rider + m_bike) x 9,8067 x cos(atan(grade% / 100)) x 0,005
- F_aero = 0,5 x 1,225 x 0,32 x v^2 (v in m/s)
Tại sao lực cản không khí chiếm ưu thế ở tốc độ cao hơn
Bảng dưới đây trình bày các ước tính theo mô hình cho một người đạp nặng 75 kg trên một chiếc xe nặng 9 kg, trên đường bằng, trong điều kiện gió lặng, sử dụng các giả định tiêu chuẩn nêu trên. Hãy chú ý tỷ lệ công suất dùng để vượt qua lực cản không khí tăng đều đặn theo tốc độ: lực cản khí động học tăng theo bình phương tốc độ gió tương đối, vì vậy công suất để vượt qua nó tăng theo lập phương, trong khi lực cản lăn gần như không đổi theo tốc độ.
| Tốc độ | Công suất ước tính | Tỷ lệ dành cho lực cản không khí |
|---|---|---|
| 20 km/h | ≈ 58 W | ≈ 59% |
| 25 km/h | ≈ 97 W | ≈ 70% |
| 30 km/h | ≈ 152 W | ≈ 77% |
| 35 km/h | ≈ 226 W | ≈ 82% |
| 40 km/h | ≈ 323 W | ≈ 85% |
Watt trên kilôgam như một chỉ số so sánh
Watt trên kilôgam chia công suất tạo ra cho trọng lượng cơ thể người đạp, và đây là phép chuẩn hóa tiêu chuẩn được dùng trong đạp xe vì tốc độ leo dốc trên các đoạn dốc gắt phần lớn được chi phối bởi công suất tương đối so với tổng trọng lượng hệ thống. Ngược lại, trên đường bằng, tốc độ phần lớn được chi phối bởi công suất tuyệt đối tương đối so với lực cản khí động học, vì trọng lực đóng vai trò rất nhỏ khi góc mặt đường gần như bằng không. Điều này được ghi nhận trong tài liệu tập luyện theo công suất, đáng chú ý là cuốn Training and Racing with a Power Meter của Allen, Coggan và McGregor, sử dụng watt trên kilôgam như một trục tiêu chuẩn để so sánh thành tích giữa các người đạp có kích thước cơ thể khác nhau.
Vì mức watt trên kilôgam có thể duy trì được biến thiên rất nhiều tùy theo nền tảng tập luyện, thời lượng nỗ lực, tuổi tác và nhiều yếu tố cá nhân khác, không có một con số duy nhất nào định nghĩa một giá trị «tốt» áp dụng cho mọi người đạp; so sánh chỉ số watt trên kilôgam của chính một cá nhân theo thời gian, ở một thời lượng nỗ lực nhất quán, nhìn chung mang tính thông tin hơn là so sánh với người đạp khác.
FTP là gì?
Công Suất Ngưỡng Chức Năng (FTP) là một khái niệm từ tài liệu tập luyện theo công suất, được mô tả trong cuốn Training and Racing with a Power Meter của Allen, Coggan và McGregor, chỉ mức công suất cao nhất mà một người đạp có thể duy trì ở trạng thái sinh lý gần như ổn định trong khoảng một giờ. Nó hoạt động như một điểm tham chiếu cá nhân: vì các người đạp khác nhau rất nhiều về năng lực công suất tuyệt đối, việc biểu thị cường độ mục tiêu của một buổi tập theo tỷ lệ phần trăm của FTP riêng của người đạp cho phép các vùng tập luyện được cá nhân hóa thay vì dựa trên một mức watt cố định vốn sẽ vô nghĩa giữa các người đạp khác nhau.
FTP không phải là một con số cố định mãi mãi -- nó thay đổi khi thể lực thay đổi, đó là lý do các chương trình tập luyện theo công suất định kỳ đánh giá lại nó. Bài viết này chỉ mô tả khái niệm; các quy trình test thực địa cụ thể để ước tính FTP không được đề cập ở đây, vì phương pháp kiểm tra và mức tiến triển cường độ phù hợp được hướng dẫn tốt nhất bởi một huấn luyện viên có chuyên môn hoặc tài liệu tập luyện gốc.
Câu hỏi thường gặp
Sự khác biệt giữa công suất và tốc độ khi đạp xe là gì?
Công suất là tốc độ thực hiện công cơ học của người đạp, đo bằng watt, trong khi tốc độ đơn giản là quãng đường đi được trên một đơn vị thời gian. Tốc độ bị bóp méo mạnh bởi độ dốc, gió và việc bám gió -- cùng một mức công suất tạo ra tốc độ rất khác nhau trên một đoạn leo dốc so với đường bằng -- đó là lý do công suất được coi là thước đo trực tiếp và dễ so sánh hơn về nỗ lực sinh lý.
Công suất đạp xe được tính từ vật lý như thế nào?
Một mô hình vật lý tiêu chuẩn cộng gộp ba lực cản -- trọng lực, lực cản lăn và lực cản khí động học -- rồi nhân tổng đó với tốc độ đạp, sau đó chia cho hiệu suất truyền động. Các hằng số đã công bố thường dùng (hệ số cản lăn 0,005, diện tích cản gió 0,32 mét vuông, mật độ không khí 1,225 kg trên mét khối, và hiệu suất truyền động 97,5%) thường được sử dụng khi không có các giá trị đo thực tế riêng của người đạp.
Giá trị watt trên kilôgam bao nhiêu là tốt?
Watt trên kilôgam là công suất chia cho trọng lượng người đạp, và nó quan trọng nhất trên các đoạn leo dốc, nơi tốc độ phần lớn được chi phối bởi công suất tương đối so với tổng trọng lượng. Mức watt trên kilôgam có thể duy trì được biến thiên rất nhiều tùy theo nền tảng tập luyện, thời lượng nỗ lực và tuổi tác, vì vậy không có một con số «tốt» duy nhất áp dụng cho mọi người đạp; theo dõi giá trị của chính một cá nhân theo thời gian ở một thời lượng nhất quán mang tính thông tin hơn là so sánh giữa các người đạp.
FTP nghĩa là gì trong đạp xe?
FTP, hay Công Suất Ngưỡng Chức Năng, là mức công suất cao nhất mà một người đạp có thể duy trì ở trạng thái sinh lý gần như ổn định trong khoảng một giờ, một khái niệm được mô tả trong tài liệu tập luyện theo công suất (Allen, Coggan và McGregor). Nó đóng vai trò một điểm tham chiếu cá nhân hóa: cường độ tập luyện thường được biểu thị theo tỷ lệ phần trăm của FTP riêng của người đạp thay vì một mức watt cố định.
Tại sao lực cản không khí quan trọng hơn ở tốc độ đạp xe cao hơn?
Lực cản khí động học tăng theo bình phương tốc độ gió tương đối, và công suất cần để vượt qua nó tăng theo lập phương tốc độ gió tương đối, trong khi lực cản lăn gần như không đổi bất kể tốc độ. Trong một mô hình vật lý tiêu chuẩn, lực cản không khí chiếm khoảng 59% tổng công suất ở tốc độ 20 km/h nhưng tăng lên khoảng 85% ở tốc độ 40 km/h, đó là lý do khí động học chi phối thành tích đạp xe ở tốc độ thi đấu.
Tài liệu tham khảo
- 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.