Комментарий к исследованию наката покрышек

[Nebel 544]

Сразу скажу, букв много, занудства много и здесь же спойлер - "я понял только то, что ничего не понял" и прочтение этой простыни, как мне кажется, может подтолкнуть вас только к такому выводу. Я предупредил.

 

Не так давно в чате обсуждались покрышки и Миша подкинул вот такую ссылку. Многие тогда высказались по теме, а я поехал кататься и пока ехал понял, что на тему данных испытаний, их точности, а так же применимости в полевых условиях мне мало того что есть что сказать, так еще и этого есть - очень много. 

 

Всем нам очень бы хотелось иметь объективный способ проверить и сравнить разные покрышки, а поскольку мы готовы платить за это деньги (покупая покрышки), то находится множество желающих так или иначе их испытать и опубликовать результаты - в коммерческих и не очень целях. И встречаются те, кто весьма ответственно подходит к задаче, как например, товарищи по упомянутой выше ссылке, демонстрирующие весьма серьезный подход. И так хочется верить им: ну вот же, все видно, численные результаты - что может быть однозначнее? Бери таблицу и спускайся вниз от лучших к последним, пока твой кошелек не одобрит цену. Но, на самом деле, естественно, все не так, хотя бы потому, что цена и накат - не единственные характеристики. Есть еще сцепление на различных поверхностях, стойкость к износу и проколам, управляемость, "злобность", масса и много-много еще всего. Но ведь с накатом стало ясно? А вот и нет. А вот и вообще нет. 

Почему?

Потому, что это результаты испытаний покрышек на модели , имитирующей движение велосипедиста. А поскольку это модель, а не сам велосипедист, то и результаты соответствовать не будут. Не в коем случае не хочу сказать, что результат - бесполезный хлам, но хочу обратить внимание на то, что бездумно хватать эти цифры тоже нельзя. Просто потому, что вы не электродвигатель, вращающий барабан, к которому прижато колесо. Результат любых испытаний на модели требует интерпретации. Иными словами, любая модель является лишь посильной имитацией оригинала, имеющая ряд допущений. На влияние этих допущений и будет отличаться поведение модели от поведения оригинала. Именно по этой причине, в любом мало-мальски приличном исследовании публикуются описания модели и сути эксперимента, и только вместе с ними корректно демонстрировать результат. А вот толкование результата, то есть его интерпретация к конкретному случаю - задача не менее сложная (а то и более), чем само исследование, поэтому эту часть оставляют читателю. Ваша практика - вы и разбирайтесь)

Как можно прочитать по ссылке, авторы детально описывают суть эксперимента. У нас есть барабан с беговой дорожкой имитирующей дорогу и электропривод известного кпд, затраты энергии которого (при разных давлениях в камере) и являются контрольной величиной. Так же указанна нагрузка 42,5кг, линейная скорость - 28,8км/ч и температура среды 22+-0,5 С*.

 

Теперь посмотрим что помешает нам получить точный результат, под которым я понимаю ответ на вопрос "так на каких же покрышках я буду быстрее всего кататься по асфальту при прочих равных условиях?".

 

 1. Несовершенство модели

1.1 Барабан - он круглый. Мы исследуем движение колеса не по ровной поверхности, а по "бесконечной кочке", которая проминает покрышку сильнее, чем реальная ровная дорога и изгибает её не плоскостью, а вогнутой к центру колеса поверхностью. В данном случае влияние такой величины как радиальная жесткость покрышки будет в модели преувеличено.

1.2 Колебания. В модели их нет, тогда как реальный велосипедист крутя педали раскачивает велосипед вверх-вниз (а так же вперед-назад), особенно если речь идет о спринте. Таким образом, реальное пятно контакта будет все время сужаться и расширяться в такт вращению педалей. Соответственно, "в бой" вступают более далекие от беговой линии участки покрышки, более крайние, и, возможно, начинают задевать землю шипы и другие элементы протектора, не участвующие в качении без колебаний. В данном случае более легко деформирующиеся (при равном давлении) покрышки спускаются вниз по фактическом рейтингу, как и обладатели рисунка протектора, который начинает работать при увеличении нагрузки.

1.3 Крен. Велосипедист при интенсивном движении, особенно в спринте стоя качает велосипед из стороны в сторону. При этом пятно контакта центральной беговой дорожки будет непрерывным, а боковые части будут зигзагообразно менять друг друга, что опять же задействует боковые элементы покрышки, не работающие в эксперименте. Покрышка будет нагружена не только радиально, но и поперечно. Поперечная жесткость и отсутствие шипов и других элементов вокруг беговой дорожки позволит покрышке подняться по фактическому рейтингу. Очевидно, что накат в условиях крена так же позволяет экономичнее проходить повороты.

1.4 Аэродинамика. В опыте колесо лишь вращается, а на практике - еще и движется вперед. Кроме того, скорость в 28,8 км/ч из опыта не так уж велика, но не забывайте, что верхняя часть колеса велосипеда несется вперед с двойной скоростью (а это почти 60км/ч), а нижняя стоит на месте. Сложно сказать, как сильно влияет протектор на воздушное сопротивление, но точно одно - более шипованные покрышки проиграют лысым.

1.5 Крутящий момент. Результаты опыта применимы для переднего колеса, а в случае с задним покрышка должна передавать приводное усилие от колеса к дороге, которое обуславливает продольную нагрузку на покрышку. Более жесткая в продольном направлении покрышка выиграет на заднем колесе за счет меньших потерь на деформацию и разогрев, тогда как на переднем колесе это не играет роли. А еще рисунок протектора тоже участвует в этом процессе: если вы будите изгибать шипы крутящим моментом (которые в следующее мгновение вернутся на исходную лишь оторвавшись от земли), это тоже потребует части усилий.

1.6 Распределение нагрузки. Колеса велосипеда нагружены не равномерно, примерно 2/3 веса всадника приходится на заднее колесо и лишь 1/3 - на переднее (конечно, все зависит от модели и вообще цифры спорные, но суть это особо не меняет). Кроме веса всадника колеса держат еще вес велосипеда, рюкзака, гидратора и прочих всяких багажников, условно все вместе порядка 15 кг. Учитывая сказанное, не ясно на чье колесо ориентируются испытатели: на переднее колесо 110кг мужика, или на заднее колесо девушки 50кг весом.

1.7 Модель дороги. Реальная дорога, естественно куда разнообразнее чем поверхность барабана. Даже качественный асфальт совсем не ровный фактически, а имеет рельеф. Понятно, что рельеф взаимодействует с протектором более активно, чем ровный барабан. Не буду гадать к каким движениям по таблице результатов это приведет.

1.8 Управляющие воздействия. Влияние исчезающе мало, но для научности, вспомним и про него. Реальный велосипедист не едет прямо, он немного подруливает, вынужденно компенсируя воздействия, выводящие из равновесия. Неровности рельефа и дороги, ветер, свои движения. При маневрах воздействие на колесо уже не будет идеально радиальным, возникнет поперечная составляющая, жесткость в направлении которой будет определять экономичность подруливания.

 

 2. Погрешность измерений

Прежде чем начать здесь, нужно разобраться как именно  и что измеряют. Нас бы интересовал момент сопротивления качению покрышки, но измерить его непосредственно слишком сложно, поэтому измеряют мощность двигателя, которая измеряется очень даже не трудно. Почти уверен, что это делается путем произведения потребляемого двигателем тока на напряжение в сети питания.

2.1 Косвенное измерение. Мы хотим знать момент, а вычисляем мощность потерь в покрышке. Для этого используется формула P = (U * I * кпд-двигателя * кпд передачи)-P1, где Р - мощность потерь в покрышке, Р1 - суммарная мощность потерь в подшипнике втулки и подшипнике барабана, U - измеренное напряжение, I - измеренный ток, кпд-передачи возникает из за не прямого подключения двигателя, кпд-двигателя - оно и есть. Каждая из величин в формуле известна нам не с абсолютной точностью.

2.1.1 Ток и напряжение измеряются приборно. Всем со школы известно, что *занудным голосом* "погрешность измерения равна половине цены деления". Даже общедоступные современные приборы позволяют измерить ток и напряжение с весьма высокой точностью, но все же не абсолютной. Каждое измерение будет иметь свою погрешность.

2.1.2 КПД двигателя. Не известно откуда они взяли эту величину, но тут все совсем не просто. Свой легендарный КПД не далекий от 100% электродвигатель выдаёт только на номинальных оборотах. А они здесь вряд ли такие. Измерить КПД на конкретных оборотах задача реальная, но вот в зависимости от нагрузки КПД будет разным. С одними оборотами, но при разной нагрузке это будут разные цифры. Возможно их хваленые "компьютеризированные измерения" это учитывают, в противном случае этот пункт будет влиять по разному на разные покрышки.

2.1.3 КПД передачи. Для опыта нужны 200 об/мин, а для электродвигателя это частота очень низкая. Соответственно, чтоб получить желаемое придется либо управлять скоростью вращения двигателя, либо применять редуктор. Первое зависит от типа двигателя и метода управления, что почти всегда приводит к падению кпд двигателя. Второе имеет свой КПД. И в обоих случаях, мы хоть и будем иметь весьма точное представление о размере кпд - оно будет расчетным или измеряемым, что тоже вносит погрешность в основную задачу.

2.1.4 Потери в подшипнике втулки и подшипнике барабана измеряются скорее всего между опытами, но как и в других случаях - это измерение и еще одна погрешность.

2.2 Систематические погрешности. Товарищи позаботились даже о температуре среды, что похвально, но вот для контроля других факторов, очевидно надо куда больше ресурсов.

2.2.1 Атмосфера. Влажность и давление будут влиять на результат. Влажность меняет плотность воздуха (аэродинамика). А с давлением все вообще интересно. Дело в том, что ребята накачивали колесо каждый раз до четырёх контрольных величин, используя манометр, который измеряет не фактическое давление, а разницу между атмосферным давлением и давлением внутри камеры. Таким образом при разном атмосферном давлении покрышки будут иметь одинаковое относительное давление и разное абсолютное, что заставит их вести себя не совсем предсказуемо. Нормально атмосферное давление составляет 14.7psi и свободно может колебаться по естественным причинам в рамках +-5%, а это уже почти 1.5psi разброса, на которые и будет отличаться абсолютное давление в камерах, накаченных в разную погоду. При этом относительное давление (которое мы видим на манометре) у них будет одинаковое. Если же ребята руководствовались абсолютным давлением в камерах, то различным будет относительное - то, которое мы ощущаем ощупывая колесо - тоже влияет, да еще как! И что то мне подсказывает на уровне интуиции, что вряд ли у них там лаборатория в барокамере, чтоб управлять атмосферой.

Атмосфера так же может влиять на другие вещи, участвующие в опыте. К примеру ремень ременной передачи, если таковая применена (мы не знаем этого) может набухать и напротив - сохнуть, меняя свою гибкость и силу натяжения. И это не говоря уже о влиянии на сами покрышки.

2.2.2 Износ оборудования. Мы видим, что опытов поставлено очень много. Речь идет о сотнях типов покрышек, для каждой из которых 30 минутный прогрев и по три 30 секундных пробега на каждом из четырех давлений, если я все верно понял. То есть, как минимум 36 минут работы для каждой покрышки. Не стал выяснять сколько их, на глаз - две-три сотни во всех категориях. А это, на минуточку, более 100 часов работы. 100 часов для машины не так уж много, но явно достаточно, чтобы появились ощутимые свидетельства износа и выработки смазки, выражающиеся в изменении кпд двигателя, передачи, потерь в подшипниках.

 

 3. Интерпретация результатов

Даже если модель абсолютно точна, а измерения не имеют погрешностей, остаётся все таки применить результат опыта к конкретному случаю. А что такое конкретный случай? Что это за условия? А каждый день - разные. Меняется погода, давление, влажность, температура воздуха и солнечная активность (которая не хило так подогревает черные покрышки прямыми лучами. кстати, цвет! даже цвет покрышек здесь имеет значение!!!). Меняются дороги, ведь асфальт асфальту - рознь, а так же количество луж. Меняется давление в камерах. Меняется вес райдера, его физическое состояние и его настроение, которое может заставлять его лететь лосем или матрасить, считая ворон. Наконец, сами покрышки не вечны. даже через сотню другую вы будите иметь уже не новую покрышку исследованную в лаборатории, а подтертую с искаженными свойствами. Способность сохранять свойства изнашиваясь разная у каждой покрышки, как и сопротивление износу. Так что после -тцати километров мы уже будем иметь нечто между "вау, новенькая" и "фу, выбрось". И еще куча переменных.

И вся эта куча меняется день ото дня. Сегодня у нас есть 1.5 часа на покатушку после работы, пасмурная погода, лужи, хорошее самочувствие и настроение "дать жару на крутых поворотах". А через пару месяцев у нас, видите ли, плохое настроение, отчего мы нажрались тортов и нагуляли лишние килограммы и ощущаем себя ничтожеством; куча свободного времени - хоть весь день, жаркая сухая погода и изношенные покрышки, которые мы случайно перекачали и желание уехать на край света. А в другой раз....... и таких сочетаний может быть неограниченное количество. Для каждого из них можно подбирать свою покрышку.

Можно подготовиться так, чтоб в определенных условиях быть на коне. И если вы точно можете сформулировать эти условия, то дерзайте, и пусть плацебо от "уж точно правильного выбора" придаёт вам сил.

Эти все маневры и теория имеют смысл для спортсменов, которым тренер на выступление поставит такую резину, которая подойдет именно ему и именно сегодня. Простые же смертные могут извлечь из данного исследования лишь примерное, даже не численное (хоть числа и приведены) соотношение фактических накатов разных покрышек. Понятно, что затраты в 7 ватт против 20 ватт скорее всего будут заметны, но что касается разницы между 15 и 20 - уже вопрос, с учетом описанного выше.

 

А уж что касается именно выбора покрышек (а не выяснения, у которой накат по сферическому асфальту в вакууме лучше), то это компромисс между целым рядом из подобных характеристик и поберегите свое душевное состояние - не пытайтесь вникать в каждую из них так глубоко)))

Так что закончить это безобразие логично будет на философской ноте: раз все это настолько сложно и неопределенно, так может ну его? Смотрите на цифры, но доверяйте интуиции.

 

PS

Признаю, что по ряду затронутых моментов могу быть не правым. Цель данного обострения графомании не в том, чтоб кого то в чем либо убедить или пролить свет истины на что либо, а лишь обратить внимание на то, что "не все так однозначно".

Изменено 12 августа, 2020 пользователем Nebel

[25080205 1 126]

Измерение, понитно, без претензий. И результат "в попугаях". Однако как почва для умозаключений - годится, модель товарищей явно есть за что критиковать, но, выбирая покрышки можно одним глазом поглядывать в табличку...

Есть книга "Смотри в корень" и глава в ней про то, сколько весит яблоко. Стебная такая. Так вот, исследование имеет практическую область область применимости. Если случайные факторы в работе системы, после определенного момента, с высокой вероятностью превзойдут погрешности измерений и недостатки модели в приближенности к реальности, то модель и измерения можно считать пригодными, а дальнейшее уточнение можно посчитать нецелесообразным.

Напомню, речь зашла об универсальных покрышках, которые имеют наилучший накат по асфальту и приемлемые сцепные свойства для средней покатушки ВелоКаменска. Не рекламирую, но после некоторого анализа выбор пал на Schwalbe SmartSam. А далее уже пошло теоретизирование ради теоретизирования.

А еще я обнаружил в продаже серийно производимый стенд для тестирования велосипедов... Если такая штука продается - значит и покупается (не дешевая ни разу), т.е. различное тестирование ведется активно, просто результаты не всегда выкладывают в открытый доступ...

[Йожж 282]

Дополню по весу резины :)
http://www.biketechreview.com/reviews/wheels/63-wheel-performance

 

И, для сравнения, влияние массы велосипедиста, аэродинамики ездока и вела и сопротивления качения покрышек.


Так что начинать надо с замены любимых широченных штанин на гейские аэродинамические труселя

[diz8el 396]

По атмосферному давлению: обладаю часами с барометром и постоянно его мониторю, за 7 лет мониторинга установлено, что в нашей местности нормальное атмосферное давление составляет порядка 992гектаПаскаль, а среднее суточное колебание давления, при отсутствии резких смен циклонности укладывается в 10гПа, что составляет около 1%, полный годовой разброс давлений укладывается в 50гПа, на изменение давления на 1гПа редко уходит менее 2 часов, обычно это ближе к 6 часам. Но это в нашей спокойной зауральской местности, в прибрежном Питере часовой уход давления мог превышать 5гПа и так на протяжении долгих и мучительных для сердечников 6..12 часов, а то и суток, при том, всё в одну сторону.

Так что от местности и погодных условий величина соответствующей погрешности может варьироваться от несущественной до слабо ощутимой, потому что на атмосферную зависимость наката влияет уход одного из давлений = изменения отношения давлений за время эксперимента, что за время експеримента в 36минут даже в худшем случае не будет превышать 0.3%, которые надо ещё помножить на коэффициент влияния давления на накат.

Но больше всего эта погрешность будет ощущаться на реальном ездоке: когда давление стремительно падает, то у людей, склонных к гипотонии, покрышки будут катить хорошо, а при росте давления - плохо, у людей, склонных к гипертонии, всё наоборот.

Изменено 13 августа, 2020 пользователем diz8el