請問公路車換刀輪適合嗎?? - 公路車

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這個問題還滿有趣的,試著以小弟所學來探討一下。

首先,私以為輪子轉動時的動態方程式應為一非線性ODE:

J(dw/dt) + pw^2 + cw = r(t)

w為角速度、J為轉動慣量、p為空氣阻力係數、c為正比於角速度的其它阻力係數、
r(t)為輸入的扭力。


然後我不會解。(囧)

請原諒我First order ODE只會用三招解,其它可能就要跑模擬了XD


所以我簡化一下,把正比於角速度的那項給丟了,整合到c去變成C:

J(dw/dt) + Cw = r(t)

簡化為一階線性ODE,這就好解多了,有修過工數應該都會。


OK先來看簡單的,設輸入的函數為一定值r(t) = T,表示持續輸出一固定扭力:

J(dw/dt) + Cw = T

然後令初始條件:w(0) = 0,表示初始角速度為0,得w(t)的解:

w(t) = (T/C) * (1 - exp(-(C/J)t)

以上的式子可得出兩個結論:

1) 當時間t趨近於無窮大,exp()趨近於0,所以得到最終角速度w(t->無窮大):

w(t->無窮大) = T/C

這代表的是,不管慣量J是多少,當騎了一段時間之後的角速度只跟輸入扭力T
與阻尼係數C有關,與J完全無關。

啊靠,那J到底是幹啥的?

2)雖然最終速度與J無關,但J會影響到w(t)的暫態響應,也就是上式中exp()裡的
那一堆東東。

簡單來說,C/J這個數值如果越大,輪子就越快到達最終值T/C,反之若
越小,輪子就得花更多的時間才會達到終值T/C。

所以,如果阻力相同,擁有較大慣量J的輪組就得花更長的時間來加速,相較之下
小慣量的輪組會比較快到達需要的速度。

當然,暫態的差異不會只影響到速度的提升,當輸入扭力從T變為0時,擁有大慣量
的輪子速度會降低的比較慢,小慣量的輪子會降低的較快。


而位移正比於w(t)的積分,所以可以看到當輸入扭力為定值時,大慣量的輪子積分就是
會少掉正在加速的那一段,所以輸入扭力相同時,大慣量的會輸。


歐,或許扭力為定值T太理想了,用sin(ft)來當輸入好了,來模擬不斷加減速的狀態:

J(dw/dt) + cw = sin(ft)

得w(t):

w(t) = (J^2 * f^2 + c^2)^-1 * sin(ft - arctan((J*f) / C)))

所以,輸出的角速度是一個與輸入扭力頻率相同,但振幅跟相位角不同的函數。

假設阻力相同,J如果越大則振幅越小而且相位角越大,表示輸出的最大速度會較小且會
有「跟不上輸入的力量」的感覺;相反的,若J越小則輸出的最大速度會較大,且會有速
度隨傳隨到的感覺,因為相位角較小。


所以,從這些方向來看,我是看不到大慣量所帶來的優勢。


But,人生最厲害就是這個But,人畢竟不是波形產生器,不可能只從工程或物理的方式來
分析,每個人都是獨特的,不是每個人都喜歡慣性小到爆的輪組,說不定當踩踏頻率、J
和風阻這三個參數有特殊的組合時,對你來說騎起來才是最爽的。

結論,不管高慣性或是低風阻,只要買的起又騎的爽,就是好輪組啦科科

BTW,或許有人會認為這是簡化後的結果,不過小弟認為這應該能夠解釋大部分的情況,
如果有任何建議歡迎指教:P

4/23 Update:(關於功率這邊不要看啊啊啊!我耍笨了!)

睡醒才想到,我這篇討論的是定扭力而不是定功率,所以再來討論一下定功率:

假設功率一樣為定值H,因為H = 扭力T * 角速度w,所以T = H / w:

J(dw/dt) + cw = H/w

一樣設初始角速度為0,得解:

w(t) = sqrt( (H/C) * (1 - exp(-((2*C) / J) * t))

所以在定功率的情況下,速度一樣是由功率與阻力決定,跟慣性沒有關係~

打這麼多只是想說,騎士只要輸出定功率,不會因為慣性小而影響到最後的速度,而是慢
慢的達到一定速狀態,這點前面很多大大都有提到,只是我從另一個方向切入~


另外,關於W大提到的輪車問題,由於小弟沒有輪過車所以不太清楚實際的情況,所以就
我所了解的方式來解釋:

輪車應該是由最前面的騎士擋風,讓後面的騎士享受到低風阻的優勢然後以「等速前進」
,而根據前面的論述,等速情況下不管騎什麼輪,輸出的功率都相同。

接著擋風的退下由第二位騎士接手,此時第二騎士的阻力改變,所以c為一時變函數。

J(dw/dt) + c(t)w = H/w

呃,我不會解(再囧)

不過沒關係,假設輪車時速度都不變,也就是w在換人時為定值,此時(dw/dt)為零:

c(t)w = H / w

-> H = c(t) * (w^2)

所以換手時需要輸出的功率只跟角速度和阻力有關,與慣性無關。

這是假設速度不變的結果,不過如果速度會改變,慣量小的騎士也能夠更快的達到所需的
速度,所以結果應該是相同的,也就是慣量小的騎士占有優勢。


至於剛剛換手下來休息的騎士,雖然速度會掉的比較快,但因為輪車的關係,速度必須跟
輪車小組達到相同的速度,這時候慣量小慣量大就沒差了,反正速度一定要一樣。


不過還是要回到之前的結論,每個人的習慣不同,如果只看功率那就請選手都上訓練台測
個兩小時功率,最大的冠軍就好啦科科


4/23 再次update:

的確忽略pw^2這項會讓人覺得考慮不周全,所以下午用scilab模擬了一下這個ODE,並比較
其與忽略此項參數的方程式之結果:

http://ppt.cc/lSCI

藍線為有pw^2項的結果,而黑線(上面那條)為無該項之結果。

參數設定為:
J = 100;
p = 20;
c = 10;
H = 250;

從這張圖可以看到,就算多了一項pw^2,輸出的曲線跟一般的一階線性ODE是差不多的,
一樣會有個終值,只是終值不相同,所以我認為用線性ODE來揣測其性質是OK的。



接下來,再看有pw^2項之方程式,帶入不同的參數所得到的解:

http://ppt.cc/3~sn

紅色線的參數設定:
J = 100(虛線)、200(實線)
p = 10
c = 10
H = 從0開始輸入250W,然後在10秒時放鬆,輸入0W

藍色線的參數設定:
J = 100(虛線)、200(實線)
p = 20
c = 同上
H = 同上

這邊都使用scilab的ode()函式作模擬。這是超級強大的免費軟體,MatLab的基礎功能他大
概都做的到。

先說在前面,這些數字跟真實世界中的可能不符,不過我只是想看趨勢,如果有人能夠給
我真正的數字就再麻煩了,不然就這樣吧XD

從這張圖可以看到,虛線跟實線的差別是慣量相差兩倍時的結果,而紅藍顏色是風阻p相差
兩倍時的結果。所以,可以看到降低一半的風阻,速度直接增加40%啊啊啊~~當然這個趴
數可能不適用於真實世界,但我覺得從降低風阻得到的效益會比慣性的大小來得重要就是
了。

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All Comments

Ina avatarIna2014-04-25
呃~居然用到ODE
Kelly avatarKelly2014-04-30
你後面的結論:我想只是有些人騎習慣了慣性大的輪組
Joe avatarJoe2014-05-04
你叫他改騎慣性小的他會覺得不習慣而已,但在保持同樣
功率的騎乘下應該還是慣性小的輪組成績較佳
Zenobia avatarZenobia2014-05-09
你用比較複雜方式說明重輪加減速性較差(同你第2點)
Callum avatarCallum2014-05-13
當扭力T下降時重輪降速慢就是我說僅有的優勢
如果人是馬達,100km200km維持瓦數不降那完全沒有重
輪發揮空間(前面損失的距離永遠追不回來),而單車運
動不斷的找時間休息就是很重要的一環,頻率性的休息
很常見(正常公路賽如輪車),而就在頻率性的休息中重
Queena avatarQueena2014-05-15
輪速降慢優勢才會產生
Sandy avatarSandy2014-05-18
重輪降速後踩回去是不用作功的嗎?
Gary avatarGary2014-05-22
你略去的 Cw^2 正好是最重要的風阻,看到略去這項,
直接 end XDDDD
Agnes avatarAgnes2014-05-23
你的方程式基本上就是一般的阻尼振盪,這個課本就有
Ingrid avatarIngrid2014-05-28
←工數苦主,完全無法參與討論QQ