Tyhmiä kysymyksiä nojapyöristä

[Härmäpyörä]

Onhan se niin, että painavampi pyörä ei sen kovempaa mene alamäessä? Nojakin (trike) sutjakka alamäkivauhti pystikseen nähden johtuu vain ilmanvastuksesta.
Onko laskettu kuinka kuinka paljon ilmanvastusedusta on hyötyä verrattuna lisäpainon vaatimaan lisävoimaan ylämäessä?

[Stapani]

Olen hiukan eri mieltä

Muutaman lenkin olen kilpa/hybridi yms porukoiden
kanssa KMX-trikellä heittänyt
ja olen vakaasti sitä mieltä että nimenomaan
triken paino, joka on vähintään 6-7 kiloa kilpureita enemmän
on se ratkaiseva tekijä alamäessä.
Itse painan tällä hetkellä n. 60 kiloa ja siitä huolimatta
alamäen jälkeen saan useasti ajella satoja metrejä vapaalla
kun muut jo pyörittävät......
Lukeneemmat varmaan tämänkin laskevat, mutta tämä on
ihan mutu fiilis.....

Tosin varmaan alamäen jyrkkyys ja pituus ovat myös ratkaisevia tekijöitä,
ja varmaan renkaatkin vaikuttavat jonkin verran.......

[Härmäpyörä]

No, tuolta se minustakin TUNTUU mutta fysiikan lait kai sanovat toisin. Eikös se höyhen ja kilon rautapaino putoa yhtä nopeasti vaikkapa kuussa?

Mutta odotellaan fysiikkaa tuntevien lausuntoja.

[Bysmyyr]

Perjaatteessahan tyhjiössä paino ei vaikuta kiihtyvyyteen mutta kun otetaan ilmanvastus huomioon, alkaa painosta olla hyötyä(alamäisssä). Jostai olen lukenut että ilmanvastus trikellä olisi sama kuin pystypyörällä. 2pyöränojakkihan voittaa sit pienemmöllä ilmanvastuksella.

[jviirret]

Eikös eripainoiset kappaleet tipahda yhtä nopeasti jos niiden ilmanvastus on sama? Raskaampi kappale kerää enempi liike-energiaa ja rullaa näin pidemmälle. Trikessä vielä kolmannen pyörän vierintävastus ja vauhtipyöräefekti sotkee kuvioita niin, että teorian sijaan varmaan parempi luottaa käytännön kokeisiin. Mun triket on olleet kaikki alamäessä saman korkuisia kaksipyöriä hitaampia.

Jukka

[Härmäpyörä]

Eikös eripainoiset kappaleet tipahda yhtä nopeasti jos niiden ilmanvastus on sama?

Jukka

ei kai nyt samankokoinen ilmapallo (ilmaa sisällä) ja rautakuula samaa aikaan ole maassa jos pudotetaan...siis ilmakehässä.

Jostai olen lukenut että ilmanvastus trikellä olisi sama kuin pystypyörällä.

Kyllä tuosta olen eri mieltä. Ja onhan niitä kovin erilaisia trikejäkin.

[jori]

Pyörää vie alamäkeen kokonaispaino (pyörä + kuski) ja tätä vastustaa vierintävastus, joka on em. painon murto-osa ja ilmanvastus, joka riippuu mm. otsapinta-alasta. Pyörän paino siis vaikuttaa rullausnopeuteen, milloin mäen jyrkkyys on vierintävastuksen vaatimaa kaltevuutta suurempi. Maksimi nopeus riippuu siis vierintävastukselta yli jäävän rullausvoiman = (mäen kaltevuusprosentti - vierintävastuskerroin)*kokonaispaino suuruudesta.

Tuo muutaman prosentin painoero vaikuttaa kuitenkin varsin vähän. Jos oletetaan mäki loivaksi n. 2% mäeksi, 1% mäen jyrkkyydestä menee vierintävastuksen voittamiseen ja vain tämän toisen prosentin osuuteen vaikuttaa tämä esim. 10% painoero. Ilmanvastuksen voittamiseen on siis käytettävissä n. 5% lisää voimaa. Tuo 5% voimaa lisää nopeutta ilmanvastuksen neliöllisen luonteen takia vain (neliöjuuri 105%) = 102% eli vain reilut 2%. Mitä loivempi mäki, sitä vähemmän painosta on hyötyä. 10% mäessä nopeus nousisi 10% painolisällä 4,4% ja vapaassa pudotuksessakin vain vajaat 5%.

Triken otsapinta-ala ja siten myös ilmanvastus on yleensä hitusen suurempi, kuin saman korkuisen kaksipyöräisen nojakin, mutta selvästi pienempi, kuin pystypyörän, kuten Jukka jo mainitsikin. Jos kuitenkin halutaan saivarrella ja verrataan aika-ajo varusteista kilpapyörää+pyöräilijää ja pystyä trikeä, vaikka Antrotechiä, voi ilmanvastussuhteet mennä myös toisin päin. Yleensä nojakki trike on kuitenkin liukkaampi kuin pystis, koska otsapinta-ala on nojakissa pienempi, vaikka etupyörät sitä hiukan kasvattavatkin.

Pienemmästä ilmanvastuksesta on sitä enemmän hyötyä, mitä kovempaa ajetaan. Mummomallisella pystypyörällä saman suuruisen ilmanvastuksen ja vierintävastuksen tuottaa jo 4 m/s eli alle 15 km/h. Alla taulukko jossa nopeus ja sitä vastaava ilmanvastuksen ja vierintävastuksen suhde:
15 km/h - 1:1
21 km/h - 2:1
25 km/h - 3:1
29 km/h - 4:1
32 km/h - 5:1
38 km/h - 7:1
45 km/h -10:1

Jori

[Teemu Kalvas]

Pitäisköhän tuoda sinne lowrideen pystypyöräkin niin voidaan tehdä hienoja vertailuja. Eri asia montako pyörää pystyn tunkemaan kerralla noin pieneen autoon.

[Härmäpyörä]

Saisinko vielä rautalangasta?

Kuussa kun ilmanvastusta ei ole ilmapallo ja rautakuula putoavat samalla nopeudella, kun ilmanvastusta ei ole?

Ilmapallo, jalkapallo ja rautakuula putoavat eri nopeuksilla ilmakehässä?

kevyempi mutta saman ilmanvastuksen omaava pyörä menee hiljaisempaa vauhtia mäkeä alas.

Onko jopa niin, että kun raskaampaa trikeä (tai vyötäröllä olevaa lisäpainoa) vääntää mäkeä ylös, niin voi lohduttautua sillä, että kaiken saa (korkojen kera?) alamäessä takaisin?

Mikä fyssikan laki siis antaa vauhtia alamäessä ominaispainon suhteessa?

[jori]

Saisinko vielä rautalangasta?
Mikä fyssikan laki siis antaa vauhtia alamäessä ominaispainon suhteessa?

Ominaispainoa kasvattamalla kasvaa painon ja otsapinta-alan suhde. Ominaispaino on massaa tilavuutta kohti, jossa tilavuus koostuu otsapinta-alasta ja pituudesta.

Lisäpaino, niin pyörän kuin kuskin tai tavaroiden, suurentaa nopeusvaihtelua. Pyörä kulkee samalla teholla hitaammin ylämäkeen, mihin menee kauan aikaa, mutta nopeasti alamäkeen, mihin menee vain lyhyt aika. Suurimman osan matka-ajasta lisäpaino siis hidastaa kulkua ja vain lyhyen aikaa hyödyttää, eikä silloinkaan kovin merkittävästi ilmanvastuksen neliöllisyyden takia. Valitettavasti.

Jori

[Härmäpyörä]

Suurimman osan matka-ajasta lisäpaino siis hidastaa kulkua ja vain lyhyen aikaa hyödyttää,

Jori

Mitenkä suurempi paino (jos vaikka identtiset pyörä mutta lyijyä piilotettu toisen runkoputkeen) hidastaa kulkua tasaisessa vauhdissa.
Kitka?

[jori]

Suurimman osan matka-ajasta lisäpaino siis hidastaa kulkua ja vain lyhyen aikaa hyödyttää,

Mitenkä suurempi paino (jos vaikka identtiset pyörä mutta lyijyä piilotettu toisen runkoputkeen) hidastaa kulkua tasaisessa vauhdissa.
Kitka?

Piilotettu lyijy tuottaa vierintävastukseen hyvillä renkailla vajaan prosentin painostaan. Sata grammaa lyijyä tuottaa siis vajaan gramman painon suuruisen voimalisän vierintää vastustamaan, tai kilo, kymmenen gramman voiman.

Vierintävastus riippuu siis ajoneuvon kokonaismassasta. Jos massa kasvaa, kasvaa vierintävastus samassa suhteessa. Vierintävastuslisä ei kuitenkaan ole olennaisin tekijä lisäpainon yhteydessä. Normaali vierintävastus vastaa siis noin sadasosaa, eli noin prosentin vastamäkeä. Jos tämän lisäksi on oikeaakin vastamäkeä, lisääntyy kulkuvastus kyseisen mäen jyrkkyysprosentin suhteessa. 10% ylämäessä sama sata grammaa lisälyijyä vastustaa jo kymmenen grammaa ylämäen takia ja yhden gramman (painovoiman) verran renkaiden vierinnän takia.

Tilanteen hahmottamiseksi kannattaa kuvitella vierintävastus jatkuvasti alla olevaksi noin 1% ylämäeksi, johon sitten ylä- ja alamäet lisätään ja summaprosentilla kerrotaan ajoneuvon kokonaispaino, niin saadaan kulkuvastusvoima hitaalla nopeudella. Kävelyvauhtia suuremmalla nopeudella täytyy sitten huomioida myös ilmanvastus.
Tuo prosentilla kerrottu kokonaispaino ei oikeastaan ole voimaa, vaan se täytyy kertoa vielä maan vetovoiman kiihtyvyydellä, eli 9,81 m/s², jotta tulos olisi voimaa, eli Newtoneita. Nämä Newtonit voi sitten kertoa nopeudella (m/s), niin tulos antaa ylämäkeen ja vierintävastukseen käytetyn tehon.

Esimerkki: Ajetaan kokonaispainoltaan 100 kg ajoneuvolla 2% ylämäkeen nopeutta 20 km/h. (g = 9,81m/s²)
Lasketaan ensin tarvittava teho ilman ilmanvastusta.
Ylämäki 2% + vierintävastus 1% = 3% = 3/100
Vastusvoima = Paino x vastusprosentti x g = 100kg x 3/100 x 9,81 m/s² = 29 N
Nopeus (m/s) = nopeus (km/h) : 3,6 = 20 km/h : 3,6 = 5,55 m/s
Teho (W) = vastusvoima x nopeus = 29 N x 5,55 m/s = 163,5 W

Ilmanvastus
Mummopyörän ilmanvastus on summittain 0,5 x nopeus potenssiin 3, nojakilla summittain puolet tästä.
tuolla 20 km/h vauhdilla ilmanvastusteho mummiskalla tyynessä kelissä olisi siis 0,5 x 5,55³ = 86 W

Yhteensä
Mummiskalla 2% Ylämäkeen 20 km/h vaatii siis yhteensä 163,5+86 = 249,2= 250W tehon.
5 kg painavammalla ilmanvastukseltaan puolet mummiskasta nojakilla samaa mäkeä ja vauhtia.
171.7 W + 43 W = 214,7 W = 215 W

Sama muuten, mutta nopeus vain 15 km/h
Mummis 29 N x 4,166 m/s = 120 W + 0,5 x (4,166 m/s)³=36 W yht. 156 W
Nojis 1,05 x 29N x 4,166 = 127 W + 0,25 x (4,166 m/s)³=18 W yht. 145 W

Sama pari, mutta tasaisella ja vauhti on 30 km/h
Mummis 9,81 N x 8,33 = 82 W + 289 W yht. 371 W
Nojis 10,3 N x 8,33 = 86 W + 145 W yht. 230 W

Sama pari parin prosentin alamäessä vauhdilla 40 km/h
Mummis -109 W + 686 W Yht. 577 W
Nojis -114 W + 343 W yht. 229 W

Jori

[Härmäpyörä]

Ymmärsinkö oikein: jos ajelen nojakilla tasaista vauhtia tasaisella niin painon lisä (itse pyörässä, vyötäröllä tai kuormana) ei paljon vauhtiin/voimantarpeeseen vaikuta?

Ylämäessä on lisäpaino rasite mutta alamäessä siitä taas on hyötyä?

Mikä on kokonaissaldo identtisillä pyörillä joissa kokonaispainot vaikkapa 100/105 kg kun kohdataan mäki ja alamäen vaikutus on ohi?

[jori]

Mikä on kokonaissaldo identtisillä pyörillä joissa kokonaispainot vaikkapa 100/105 kg kun kohdataan mäki ja alamäen vaikutus on ohi?

Kyhäsin taulukkolaskentaohjelmaan mallin, jolla laskin tasaisella nopeudella noustun ja lasketun mäen ylityksessä tarvittavan energian (keskitehon).
Näyttäisi siltä, että loivan 2% mäen ylitys 20 km/h 105 kg kokonaispainoisella ajoneuvolla kuluttaa 2% enemmän energiaa kuin 100 kg painoisella, tai 110 kiloinen 4% enemmän jne. ja 200 kiloinen 40% enemmän. Eli jokainen painon lisäprosentti nostaa energiankulutusta 0,4 %. Suuremmalla nopeudella ero pienenee, ollen 30 km/h nopeudella noin puolet edellisestä (0,22%). Tämä johtuu siitä, että pyörän ilmanvastuksen suhteellinen osuus kasvaa, eikä painon aiheuttama vierintävastuksen kasvu enää tunnu niin suurelta.

Jori

[jviirret]

Ymmärsinkö oikein: jos ajelen nojakilla tasaista vauhtia tasaisella niin painon lisä (itse pyörässä, vyötäröllä tai kuormana) ei paljon vauhtiin/voimantarpeeseen vaikuta?

Ylämäessä on lisäpaino rasite mutta alamäessä siitä taas on hyötyä?

Ylämäessä paljon suurempi rasite kuin vastaavassa alamäessä hyöty, koska ylämäkeen ajo kestää paljon kauemmin, ylämäen vaikutus keskinopeuteen on paljon suurempi kuin alamäen. Jos ajat ylämäen 10km/h nopeudella ja saman mäen alas 30km/h nopeudella, niin keskinopeus ei ole 20km/h, vaan paljon alle. Jos saat ylämäen nousuvauhtiin 5km/h lisää, niin sen vaikutus keskinopeuteen on paljon suurempi kuin saman nopeuden lisän saaminen alamäkeen.

Lisäksi painosta on haittaa kiihdytyksissä ja jarrutuksissa. Kolmipyöräisissä myös kaarteessa koska se lisää kaatumisherkkyyttä ja lisää renkaiden sivuttaisrasitusta.
Mutta sillä ei ole juurikaan merkitystä, vähennetäänkö paino pyörästä, kuskista vai varusteista.

Jukka