空气动力学基础

关于自行车空气动力学的基本原理，包括阻力组成部分及其对性能优化的影响。

在更高的骑行速度下，骑手的大部分功率用于克服空气动力阻力（Martin 等，1998）。

随着速度增加，风阻呈指数级增长，这意味着速度的微小增加需要不成比例地更多功率来维持。研究表明，在高速情况下，高达骑行者输出功率的80–90%用于克服空气阻力（Bassett 等，1999；Faria，2005）。这是由于速度与阻力之间的关系，克服阻力所需的功率随速度的三次方增加（Martin 等，1998）。因此，通过改变身体姿势、装备或服装来减少阻力，可以对骑行表现产生重大影响，尤其是在计时赛或保持高速度至关重要的公路比赛中（Faria 等，2005）。

空气动力阻力定义为物体在流体（如空气）中运动时所遇到的阻力。它主要由物体前后表面之间的压强差和空气与其表面之间的摩擦引起。空气动力阻力的公式为：

空气动力阻力公式，显示阻力与空气密度、速度的平方、迎风面积和阻力系数之间的关系

……这告诉我们空气动力阻力与四个因素有关：

• 空气密度（rho）

• 空气相对骑手的速度（实际上是速度的平方）

• 迎风面积（A）

• 阻力系数（Cd）。它量化了物体在流体环境（如空气或水）中的阻力或阻碍程度。它表示物体的流线型程度，即物体切过流体的效率。Cd 的值取决于物体的形状、表面粗糙度和周围的流动条件。较低的值表示更具空气动力学的物体，而较高的值则反映更大的阻力。

在骑行中，我们关注的是最小化空气动力阻力，以便运动员产生的更多功率用于提高速度。我们能控制哪些因素？

• 我们无法控制空气密度

• 仅为减少空气动力阻力而降低速度是适得其反的，因为速度是我们总体上试图最大化的目标

• 我们可以通过改变骑手和自行车的形状（姿势）和表面粗糙度来控制阻力系数

• 我们可以通过改变骑手的姿势来控制迎风面积。

因此，空气动力优化的大部分努力都集中在 Cd 和 A 这两个因素上。

参考文献

Fox, R.W., & McDonald, A.T. (1973). 流体力学导论（第2版）。纽约：Wiley。

Martin JC, Milliken DL, Cobb JE, McFadden KL, & Coggan AR (1998). 路面骑行功率数学模型的验证。应用生物力学杂志，14(3)，276-291。

Bassett, D. R. Jr., Kyle, C. R., Passfield, L., Broker, J. P., & Burke, E. R. (1999). 比较1967–1996年的自行车一小时世界纪录：模拟人机界面。医学与运动科学，31(11)，1665-1676。

Faria, E. W., Parker, D. L., & Faria, I. E. (2005). 自行车科学：影响表现的因素——第2部分。运动医学，35(4)，313-337。