Aerodynamika bicykla Trek Madone Gen 8

Rok pred predstavením modelu Madone Gen 7 a systému IsoFlow začali naši technici pracovať na koncepčnom návrhu novej generácie ľahkého modelu Émonda. Vedeli sme, že Madone bol náš najaerodynamickejší cestný pretekársky bicykel, preto sme sa snažili zistiť, ako by sme mohli výsledky nášho aerodynamického výskumu preniesť aj do modelu Émonda.  

Pomerne rýchlo po vytvorení našich prvých konceptov bicykla Émonda, ktoré boli dosť radikálne, sme si uvedomili, že rozdiel v aerodynamických parametroch medzi modelmi Madone a Émonda by sa dal výrazne zmenšiť. Vtedy sme začali vážne diskutovať o možnosti vytvoriť jeden mimoriadne výkonný pretekársky bicykel. Najskôr sme však sami sebe museli dokázať, že naši jazdci a zákazníci nebudú musieť touto zmenou robiť kompromisy.  

Hmotnosť vs aerodynamika

Naše prvé koncepty v rámci projektu Émonda novej generácie boli „A1“ a „A2“. Naše testy v aerodynamickom tuneli a pomocou výpočtovej dynamiky tekutín (CFD) priniesli niekoľko sľubných výsledkov, ktoré zmenšili rozdiel medzi predchádzajúcou generáciou modelov Madone a Émonda. Ak by sme však chceli vyrobiť len jeden výkonný cestný pretekársky bicykel, stále by to malo za následok neprijateľnú aerodynamickú nevýhodu.  

Naším ďalším krokom bolo dokonale preskúmať konštrukčný priestor. Vytvorili sme ďalšie prototypy v poradí podľa zlepšujúcich sa aerodynamických vlastností, ktoré sme pridávali k ľahkému radu A až po prevažne aerodynamický rad E. Po stovkách iterácií výsledkov CFD a konštrukčnej analýzy sme bicykle radu A, C a E opäť zobrali do aerodynamického tunela.  

Vďaka výsledkom z aerodynamického tunela a odhadom hmotnosti pre všetky tri prototypy sme mohli prakticky otestovať, ako sa budú jednotlivé verzie správať v rôznych podmienkach pretekov. Pri zachovaní rozmerov kolies a plášťov sme chceli vytvoriť taký rám, ktorý by pri akomkoľvek stúpaní prekonal modely Madone Gen 7 aj Émonda.

Na grafe nižšie je zobrazený výkon prototypov Madone Gen 7 a Gen 8 v porovnaní s modelom Émonda pri stúpaniach od roviny (0 % stúpanie) až po strmé stúpanie (12 % stúpanie). Aerodynamický model Madone Gen 7 (prerušovaná biela čiara) je rýchlejší ako ľahší, ale menej aerodynamický model Émonda pri stúpaniach od 0 % až po trošku väčšie stúpanie ako 3 %, pretože rozdiel v hmotnosti má zanedbateľný vplyv pri jazde po rovine a do mierneho stúpania a jazdec sa pohybuje rýchlejšie, vďaka čomu má aerodynamika väčší vplyv.  

Keď sa pozrieme na prototypy, všetky sa v porovnaní s modelmi Madone Gen 7 a Émonda v istých podmienkach zlepšili, ale iba prototyp C3 je rýchlejší ako oba bicykle vo všetkých situáciách. Ľahký variant A1 výborne zvláda stúpania, ale nebol by ideálnou voľbou na rýchle šprinty na rovine. Aerodynamickejší variant E2 je najlepší na rovine, ale jazdci by museli oželieť schopnosti modelu Émonda pri stúpaniach.  

Vďaka týmto výsledkom sme zistili, že prototyp C3 má potenciál skombinovať nízku hmotnosť modelu Émonda s optimálnou aerodynamikou modelu Madone, čo (po ďalšej výraznej optimalizácii) vydláždilo cestu neuveriteľne výkonnému cestnému pretekárskemu bicyklu – Madone Gen 8. 

Nový systém aerodynamického tvarovania rúr Full System Foil

Ako sa dajú vytvoriť koncepty ako A1 až E2, od mimoriadneho ľahkého až po dokonale aerodynamický, bez rokov márnych pokusov a omylov? Odpoveď sa skrýva v našom novom systéme tvarovania rúrok Full System Foil.  

Pred aerodynamickým tvarovaním rúr Full System Foil sme využívali predovšetkým tvarovanie rúr Kammtail Virtual Foil (KVF). Tieto tvary boli v tom čase revolučné a mali za úlohu maximalizovať aerodynamický výkon s dnes už neplatným pravidlom UCI o pomere dĺžky k šírke rúrky 3 : 1. Tvarovanie rúr Kammtail je veľmi aerodynamické, ale výkonnosť sa znižuje, keď sa začnete odchyľovať od pomeru 3 : 1 tradičnejších aerodynamických bicyklov.

Aby sme dokázali vylepšiť tvarovanie rúr KVF, vytvorili sme flexibilný generátor tvarov, ktorý dokáže generovať tvary s obrovskou variabilitou tým, že umožní softvéru modifikovať („tlačiť“ a „ťahať“) steny tvarov. Potom sme tento základný tvar prepojili s optimalizačným algoritmom, ktorý tlačením/ťahaním generuje nový tvar a prakticky testuje jeho aerodynamické vlastnosti a konštrukčnú účinnosť. Optimalizácia sa učí z predošlých otestovaných iterácií návrhu a s dostatočným časom a výpočtami dospeje k Paretovej krivke, čo je súbor tvarov, ktoré predstavujú najlepšie kombinácie parametrov týkajúcich sa hmotnosti a aerodynamiky.   

Táto animácia zobrazuje malý súbor niektorých tvarov, ktoré optimalizačný algoritmus otestoval. Ako vidíte, flexibilná povaha postupnej modifikácie tvaru umožňuje vzniknúť aj niektorým šialeným tvarom, ktoré by nikdy neboli praktické, ale umožňuje nám to preskúmať úplne všetko – dokonca aj nevhodné návrhy. Toto rozsiahle skúmanie je dôležité, pretože dokáže generovať tvary, ktoré by dizajnérom nemuseli ani len prísť na um. 

Pri monitorovaní nášho postupu optimalizácie sme si všimli, že vo všeobecnosti mali generované tvary okrúhlejšie zadné konce ako rúrky s tvarovaním KVF a vykazovali lepšiu aerodynamiku v reálnych podmienkach nestabilných aerodynamických situácií, keď sa rýchlo mení smer vetra. Predné konce mnohých konštrukčne účinných tvarov boli relatívne obdĺžnikové, čo intuitívne dávalo zmysel.  

Keď aerodynamika nie je všetko 

Vyzbrojení súborom tvarov od konštrukčne účinných (mimoriadne ľahkých) až po absolútne aerodynamické sme sa pustili do ďalšieho kroku, ktorým bolo určiť, kde na ráme umiestniť príslušné tvary. Tento postup je pravidelnou súčasťou navrhovania rámov našich bicyklov, ale v prípade modelu Madone Gen 8 sme ho posunuli na vyššiu úroveň, pričom sme použili tisícky simulácií v rámci CFD a analýzy konečných prvkov (FEA) na identifikovanie najlepších miest na ráme pre všetky tvary.  

Napríklad tvar dolnej rúrky uprednostňuje konštrukčnú účinnosť pred aerodynamikou, pretože pomaly sa pohybujúca vzduchová stopa za predným kolesom minimalizuje relevantnosť tvarov s nízkym odporom vzduchu v tejto oblasti. Naopak, horná časť sedlovej rúry, systém IsoFlow a sedlovka sú navrhnuté s mimoriadne aerodynamickými tvarmi, pretože prúdenie vzduchu sa zrýchľuje medzi nohami jazdca a zväčšuje odpor vzduchu v tejto oblasti. Každý tvar je v podstate navrhnutý s ohľadom na to, ako sa vzduch pohybuje cez tvary pred ním a za ním.   

Valce sú pomalé

Dlho vieme, že valce nie sú z aerodynamického hľadiska veľmi dobrý tvar. Pracovníci Národného poradného výboru pre letectvo (NACA), čo bol predchodca agentúry NASA, ešte v roku 1953 dokázali, že obyčajná zmena valca na elipsu s pomerom 2 : 1 znižuje odpor o 40 %.

Už dávno predtým, ešte v roku 1912, Gustave Eiffel (áno, ten Eiffel) pri pádových testoch z Eiffelovej veže zistil, aký veľký odpor vzduchu vytvárajú tvary ako valce.

Prečo teda používame fľaše na vodu v tvare valca na mimoriadne aerodynamicky optimalizovaných pretekárskych bicykloch? Aerodynamicky tvarované fľaše nie sú nový koncept, ale na pretekoch sa až tak často nepoužívajú kvôli praktickosti. Pre jazdcov tímu Lidl-Trek sme sa rozhodli navrhnúť fľašu na vodu a držiak, ktoré by boli praktické aj počas pretekov. Jazdci tímu a naši pracovníci stanovili dve hlavné požiadavky: aerodynamický držiak na fľašu musí byť kompatibilný aj so štandardnými fľašami na vodu a fľaše na dolnej aj sedlovej rúrke musia byť identické (zameniteľné).  

Tieto požiadavky neumožňovali použiť mimoriadne optimalizovanú fľašu na vodu, ako je napríklad fľaša na vodu používaná na dolnej rúrke modelu Speed Concept. Aby sme to vykompenzovali, navrhli sme také rozmery fliaš na dolnú aj sedlovú rúru, aby dokonale fungovali v spojitosti s tvarovaním rúr a rozmermi kolies a aby vytvorili virtuálne aerodynamické krídlo. Na obrázku nižšie z našich simulácií v rámci CFD je pomaly sa pohybujúci vzduch zobrazený sivou farbou. Rýchlo sa pohybujúci vzduch vníma tieto pomaly sa pohybujúce vzduchové stopy podobne ako pevné objekty a plynulo ich obteká, čím znižuje odpor vzduchu.  

Naše fľaše na vodu RSL Aero vám ušetria až 1,8 W pri rýchlosti 35 km/h v porovnaní so štandardnými fľašami s objemom 0,62 l a umožňujú dosiahnuť vyššiu rýchlosť ako pri použití iných fliaš.

Tieto fľaše na vodu boli optimalizované na používanie na bicykloch Madone Gen 8. Zároveň však boli testované s využitím výpočtovej dynamiky tekutín (CFD) aj na iných rámoch bicyklov a vo všetkých prípadoch znížili odpor vzduchu v porovnaní so štandardnými fľašami na vodu.  

Dizajn vychádzajúci zo systému jazdca 

Bicykle nejazdia samotné a jazdec má obrovský vplyv na prúdenie vzduchu okolo bicykla. Preto testujeme celý systém jazdca (bicykel, jazdec, komponenty, fľaše/držiaky na fľaše) a do nášho aerodynamického návrhu zahŕňame jazdca od prvých počítačových simulácií až po testy v aerodynamickom tuneli, kde používame pedálujúcu figurínu Mannyho. Tento dôraz na aerodynamiku jazdca viedol napríklad k vývoju systému IsoFlow na bicykli Madone Gen 7. Systém IsoFlow sa vracia na model Madone Gen 8 mierne optimalizovaný, vďaka čomu ešte viac zvyšuje komfort jazdca a zároveň prináša konštrukčné a aerodynamické výhody.  

Riadidlá modelu Madone Gen 8 môžu na pozorovateľa pôsobiť menej aerodynamicky ako riadidlá modelu predchádzajúcej generácie. To preto, lebo menej aerodynamické naozaj sú! Teda ak sa na pozeráte izolovane.  

Prierez hornej časti riadidiel modelu Madone Gen 8 je hrubší a okrúhlejší ako na modeli Madone Gen 7. Ak budeme v aerodynamickom tuneli testovať len samotný bicykel, tieto riadidlá zvýšia odpor vzduchu. Keď sa ich však drží jazdec a pedáluje, vzduchová stopa za hrubšími riadidlami mierne znižuje odpor vzduchu nôh jazdca pri pedálovaní tým, že spomaľuje vzduch pred nimi. Tento účinok je malý, ale nohy sa pri pedálovaní najviac podieľajú na celkovom odpore vzduchu systému jazdca, takže vplyv môžu mať aj malé zmeny prúdenia vzduchu. Prierez riadidiel bol optimalizovaný rovnakým spôsobom ako naše tvarovanie rúrok Full System Foil, ale v tomto prípade sme brali do úvahy aj vplyv nôh za riadidlami. 

Výsledky

Keď sme dokončili testy, výsledky z aerodynamického tunela ukázali, že bicykel Madone Gen 8 je z aerodynamického hľadiska o triedu vyššie ako Émonda. V porovnaní s modelom Madone Gen 7 zaznamenal model Gen 8 väčšinu aerodynamických zlepšení pri nízkych uhloch stáčania, s ktorými sa jazdci stretávajú najčastejšie.

Bicykle sme testovali v aerodynamickom tuneli pri rôznych rýchlostiach, aby sme vytvorili simulácie najrôznejších situácií na pretekoch. Nižšie sú uvedené výsledky pri rýchlosti 35 km/h v tuneli, čo je síce nižšia rýchlosť a testovanie je vďaka tomu trochu náročnejšie, ale je jednoduchšie dosiahnuteľná ako tempo profesionálneho pelotónu. Robili sme aj testy pri rýchlostiach do 64 km/h, aby sme mohli robiť simulácie aj pre našich profesionálnych jazdcov tímu Lidl-Trek (viac o tom nižšie).  

Simulácie jazdcom tímu Lidl-Trek jednoznačne dokázali, že bicykel Madone Gen 8 nebude v kritických situáciách vyžadovať žiadne kompromisy v porovnaní s modelmi Madone Gen 7 alebo Émonda. Atakovanie úniku pri 10 % stúpaní je tradične situácia, kedy by jazdci chceli sedieť na modeli Émonda kvôli jeho najnižšej hmotnosti. Bicykel Madone Gen 8 však v tejto situácii prekoná dokonca aj model Émonda. Obe generácie modelu Madone sú pri šprintoch, ktoré kladú najväčší dôraz na aerodynamiku, bicykle vo svojej samostatnej kategórii. Model Gen 8 však v oboch prípadoch prekonáva model Gen 7 – o trošku pohodlnejšie v cieľovom stúpaní.

Vo všetkých týchto scenároch sa simulujú účinky zrýchlenia. Hoci nejde o výrazný rozdiel, na modeli Madone Gen 8 s ľahším rámom sa dostanete do rýchleho tempa jednoduchšie ako napríklad na modeli Madone Gen 7. 

Nakoniec z toho, čo sa začalo ako vylepšenie modelu Émonda, vznikol dokonalý bicykel na stúpania a šprinty. Vyniká aj v náročných situáciách, v ktorých sa často ocitajú jazdci nášho tímu Lidl-Trek, a zároveň prináša vzrušujúce zážitky z jazdy na ľahkom a výkonnom pretekárskom bicykli všetkým, ktorí o šprinte pri výkone 1 500 W môžu len snívať (napríklad ja).