如何選擇高性能自行車輪組與車架

自行車輪組與車架的功能
1. 承載
車架是自行車用來承載騎士的主要結構,車輪則承載了車架、零件與騎士。
2. 傳動
車架與車輪將騎士的踩踏力量傳導到地面,藉由反作用力,驅使自行車前進。
輪組與車架如何發揮最大功能?
自行車架與輪組必須有足夠的剛性與紮實度。

足夠的剛性與紮實度,可以減低自行車騎乘時,車輪與車架因受力扭曲所造成的傳動力量流失。

Peloton採用實心發泡的技術,生產高剛性的碳纖維輪圈,搭配高剛性的DT鋼絲,加上CNC大傳動耳的超輕量花鼓,生產出高剛性、傳動紮實的輪組。Peloton車架組的設計,也是以剛性與紮實的傳動感,為車架性能設計與產品生產的目標。

自行車性能原理
從物理學的觀點,騎自行車是一種:加速、減速、再加速,的反覆動作。
加速,基本上是依賴人的力量。
但是,減速,就牽涉到三種不同的作用了:
1. 空氣擾流
自行車與騎士的外型,在騎乘前進時,必然造成空氣擾流(air drag),而產生了減速效果。
2. 動作部件的摩擦
自行車動作部件的摩擦,例如花鼓,會消耗騎士加諸自行車的傳動力,而產生減速的效果。
3. 位能的轉移
位能轉移就是指,上坡或是下坡騎乘。以同樣騎平路的力量去騎上坡,速度會比較慢。
同樣的騎士騎同一台車,所造成的空氣擾流與零件的摩擦,是恆定的。所以,理論上如果一條道路是100%水平的,那麼,在上面騎乘自行車就不會有位能的轉移,也就不會有位能轉移所造成的減速效果。

重量的迷思

除了剛性、紮實性以外,人們總是認為,較輕的自行車可以騎得比較快。因為,越輕的自行車,騎起來越省力、越快。
物理學理論告訴我們,這是錯的!但是,為什麼人們總是一再地以實際經驗去感受到輕量自行車所帶來的好處?

談到重量與速度間的關係,我們就必須使用一個概念,就是「動量」(momentum)。
物理學中,動量是與物體的質量和速度相關的物理量。
在經典力學中,動量(國際單位制中的單位為kg•m/s)表示為物體的質量和速度的乘積(kg × m/s)。一般而言,一個物體的動量指的是這個物體在它運動方向上保持運動的趨勢。(摘自維基百科)

我們用「動量」來表示移動中物體所代表的「力」(趨勢)。
物理學上,速度是一個有方向性的力加諸於物體上,所產生的結果。所以,移動中物體的「速度」是該物體所含有的「動量」的表現。但是,這只對了一半。速度(m/s)並沒有將重量(質量)的因素表現出來。我們要將一個物體推到一定的速度,必須將重量(質量)的因素考慮進去。重量較重的物體,需要更多的力量去產生一定的速度。
例如:一位75公斤重的騎士,要比騎一台6.8公斤重的自行車加速到時速45公里,花更多的力氣去騎乘一台7.8公斤重的自行車加速到時速45公里。75公斤重的騎士騎乘7.8公斤重的自行車以時速45公里行進的動量是:(75 kg + 7.8 kg) × 12.5m/s = 1035 kg m/s。而75公斤重的騎士騎乘6.8公斤重的自行車以時速45公里行進的動量是:(75 kg + 6.8 kg) × 12.5m/s = 1022.5 kg m/s。

此時我們有兩件物體(騎士、自行車合體是單一件物體)以同樣速度前進,但是擁有不同的動量1035 kg m/s 及 1022.5 kg m/s。因為,這是同樣的騎士騎兩台不同的自行車,所以,騎的不同重量的車也一定是同樣尺寸。如果這兩台不同的自行車是屬於同樣的尺寸、品牌、型號,並採用同樣的零件,只是重量不同。所以,這兩個物體以同樣速度行進,所產生的空氣擾流與活動部件的摩擦,都是一樣的。而這兩個有著同樣外型、空氣擾流與活動部件摩擦的物體,以同樣速度前進時,所產生動量較低的物體,減速率較快。因為,較低動量的物體所擁有的造成前進速率的「力」(趨勢)較小。
所以,實際經驗上,騎士比較容易騎乘一台較輕的自行車加速到時速45公里。但是,因為較輕的總重量所擁有的動量較小,所以,雖然省力、容易加速,但也更容易減速。於是,騎士得做更多的踩踏工作,去維持45公里的時速,結果又多花了一些力氣。如此一來一往,在理想的狀況下,騎較輕的自行車與騎較重的自行車維持同樣的速度,所消耗的騎士的力量幾乎是差不多的。

實際上,如果我們想騎得更快,自行車的重量沒有「那麼的」重要。最重要的是騎士踩踏「力」的大小。當我們把考量的狀況放大到實際公路賽的場景,重量對於競賽成績還是有影響的,只是沒那麼直接。「如果」騎士可以輕鬆克服身體加上自行車的總重量(不論多重),輸出足夠的力量去達到一定的速度,那麼要騎得快,自行車是否更輕就沒那麼大的關連了。

無論如何,這個世界上沒有100%水平的公路,所以,位能轉移(上、下坡)還是會造成重量對速度的影響。輕量在上坡取得的好處(低動量、高加速率),在下坡(低動量、高減速率、多踩踏)應該會吐出來。但如果比賽的終點是在坡頂,尤其是長距離陡爬坡的坡頂,那麼在最後終點前的上坡騎乘,重量就有可能扮演影響結果的具有意義的角色了。因為,上完坡後不必再下坡,所以,輕量在下坡的缺點就不會抵消在上坡的優勢。

關於空氣動力學
因為空氣擾流會造成自行車騎乘的減速效果,如果,我們可以藉由自行車的外型設計與調整騎乘姿勢,來將空氣擾流降到最低,這樣就會對騎乘速度有所貢獻。但是,在集體出發的自行車公路賽場上,選手通常會以集團前進,以降低空氣擾流,或是避免直接頂風。個別的騎士在集團中,就沒有任何個別的空氣動力學的顧慮了。當選手想單獨突圍領先時,可以調整姿勢來減低空氣擾流,但是,要增加速度最直接的還是選手更多的力量發揮。因為,騎士籠罩了自行車的上半部,同時雙腳踩踏,又不斷的製造空氣亂流,我們不認為公路自行車的空氣動力學設計,是贏得比賽的關鍵因素。而且,集團的空氣動力學效益,遠大於個人的空氣動力學效益,可以去追回個別突圍者。所以,我們主張,在集體出發的公路賽中,自行車以及選手的空氣動力學是最後才需要考慮的一項因素。

最後回到主題:自行車輪子與車架,如何能達到最佳的重量支撐與傳達動力?
必須有足夠的剛性與紮實度,只有剛硬與紮實,輪子與車架才能最佳的支撐重量與傳達騎士的力量。

結論:良好的剛性與紮實度,可以讓輪子與車架表現良好的支撐性與力量傳導性,這也是Peloton提供給消費者的高性能自行車架與輪組。

後記:自行車架角度尺寸 (geometry) 的意義

自行車架角度尺寸包括了車架管件的長度與角度。角度尺寸對於自行車騎乘有兩項作用:決定適合於騎士騎乘的車架尺寸,以及騎乘特性(車感)。

參考角度尺寸,騎士可以選用適合自己尺寸的車架來騎乘。
至於騎乘特性:
Peloton認為,一台性能優越的自行車,應該同時達到騎乘的穩定性、操控的靈敏性以及最大的傳動性。在這樣的目標下,Peloton的車架設計,採用了,中等的上管長度、較後傾的中管角度、叫直立的頭管角度、較低的7公分的大尺盤中軸心與輪軸的落差。

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