Po lewej: Znaczniki przy suporcie. Po prawej: Monitorowanie położenia suportu.

Bieżnia pozwala nam przejeżdżać powtarzalne „okrążenia” odpowiedniej nawierzchni, co umożliwia porównania i uśrednienie w celu oszacowania typowego ruchu roweru i jego powtarzalności. Na przykład poniższy wykres przedstawia wyniki tej metody dla testu sztywnego roweru gravelowego przy prędkości 19,3 km/h. Cienka czerwona linia wskazuje ruch w osi pionowej suportu podczas indywidualnych okrążeń, gruba biała linia pokazuje przeciętne okrążenie, a jaśniejsze przerywane słupki wskazują zróżnicowanie (odchylenie standardowe ± 1)

 

 

Można zauważyć, że przeciętne okrążenie dobrze oddaje ogólne zachowania, dzięki czemu może być wykorzystane do porównania rowerów. Niezależnie od prędkości CheckOUT wykazuje 37% ograniczenie ruchów w osi pionowej z oponami 50c (identycznymi jak na rowerze bez zawieszenia) oraz 40% spadek z oponami 55c. 

 

Ruch w osi pionowej przy supoercie. Po lewej: Przykładowe nieprzetworzone dane przy prędkości 19,3 km/h. Po prawej: Dane zbiorcze dla wszystkich prędkości. Uwaga: Ciśnienia opon z przodu i z tyłu to odpowiednio 19,5/20 psi (55c) i 23,5/24,5 psi (50c), zgodnie z zaleceniami popularnego kalkulatora ciśnień.  

 

Badanie interakcji rower-rowerzysta również wyraźnie wskazuje korzyści z CheckOUT. Znaczniki w okolicy kości krzyżowej rowerzysty umożliwiają uchwycenie jego podstawowych ruchów, a znaczniki na siodle monitorują rower. Porównując ich położenie, możemy sprawdzić stałość kontaktu rowerzysty i roweru. Zazwyczaj jadący wygodnie rowerzysta siedzi pewnie na siodełku i krzyż oraz siodełko poruszają się w jednolity sposób. Jednak w trudniejszym terenie może być podrzucany na siodełku, wstać, jak i „unosić się” nad siodełkiem w celu ograniczenia uderzeń o nie. Na te przypadki wskazuje zróżnicowanie odległości mierzonej od siodełka do krzyża, co oznacza niewygodną jazdę wymagającą dodatkowego wydatku energii. Po uśrednieniu wszystkich prędkości CheckOUT wykazuje 27% ograniczenie omawianego zróżnicowania z oponami 50c oraz 32% z oponami 55c. 

 

 

 

Po lewej: Znaczniki siodełka. Po prawej: Monitorowanie siodełka i kości krzyżowej.

 

 

Odległość siodełka do krzyża. Po lewej: Przykładowe nieprzetworzone dane przy prędkości 19,3 km/h. Po prawej: Dane zbiorcze dla wszystkich prędkości.

 

Ostatnim krokiem jest ocena prowadzenia poprzez pomiar zmienności w kącie skrętu. Można założyć, że mniejsze korekty podczas jazdy wskazują na pewniejsze i wygodniejsze prowadzenie. Dane sugerują poprawę w CheckOUT na poziomie 23% ograniczenia w zmienności kąta w przypadku CheckOUT z oponami 50c oraz 16% z oponami 55c. 

 

Po lewej: Znaczniki kąta skrętu. Po prawej: Średnia zmienność kąta skrętu przy wszystkich prędkościach.

 

Podsumowując, rejestracja ruchu 3D pokazuje dynamikę układu rower-rowerzysta i przekonywująco demonstruje korzyści z zawieszenia CheckOUT, wskazując na nie zarówno w zakresie komfortu, jak i kontroli. W rozdziale drugim zgłębiamy obliczenia dotyczące komfortu wibracyjnego na podstawie danych z czujników na rowerze, a w rozdziale trzecim wiążemy te dane z wysiłkiem rowerzysty i prędkością, korzystając z ergospirometru. 

 

Rozdział 2: Czujniki na rowerze

Czujniki na rowerze i nowe teorie uchylają rąbka tajemnicy fizycznych aspektów komfortu wibracyjnego

Wibracje a człowiek 

Od 2010 roku inżynierowie Treka jeżdżą po całym świecie i mierzą wibracje na rowerze za pomocą zaawansowanych akcelerometrów i technik analizy. Ich badania pozwoliły uzyskać wgląd w kluczowe aspekty dynamiki jednośladu i jego projektowania. 

 

Akcelerometry, testy i analizy, ok. 2010-2014.

 

Szybko jednak odkryliśmy, że same akcelerometry na rowerze nie wystarczają do uzyskania wartości liczbowej, która uchwyciłaby subiektywny komfort rowerzysty. Jak omówiono w rozdziale 1 rower i rowerzysta mogą poruszać się w zupełnie różny sposób, więc powiązanie danych z akcelerometru z wygodą rowerzysty nie jest zawsze proste. 

 

Interakcje rower-ciało zaobserwowane podczas prób na bruku w Trouée d'Arenberg w 2013 roku.

 

Rowerzysta nie tylko wykonuje ruchy na poziomie stawów i unosi ciało, traktując je jak zawieszenie, ale też tkanki ciała rowerzysty zachowują się jak układ sprężyna-masa-tłumik, którego rezonans wpływa na przenoszenie i pochłanianie wibracji. W rezultacie występuje ciągła interakcja między rowerem i ciałem. 

 

Rezonanse ciała ludzkiego [1,2]

 

W celu uwzględniania ruchów ciała ludzkiego w wielu branżach komfort jest określany przy wykorzystaniu unormowanych „funkcji ważenia ISO”, które pozwalają przeskalować pomiary z akcelerometrów w punktach styku człowieka z maszyną. Stwierdziliśmy jednak, że funkcje te i powiązane wskaźniki, takie jak wartość dawki wibracji (VDV) [3] często nie oddają dynamicznej natury rowerzysty podskakującego podczas jazdy w trudnym terenie. 

Po lewej: Funkcje ważenia ISO dla wibracji człowieka [3, 4]. Po prawej: Wibracje ciała ludzkiego ulegają znacznym zmianom nawet przy statycznych zmianach w wykorzystaniu mięśni [5].

 

Siła kontaktu

Komfort wibracyjny zależy nie tylko od wibracji roweru, ale również stopnia kontaktu między nim a rowerzystą. Na przykład, kiedy dochodzi do uderzenia o nierówność rowerzysta intuicyjnie ogranicza kontakt poprzez zrelaksowanie łokci lub uniesienie się nad siodełko. Kontakt można przeliczyć poprzez pomiar siły kontaktu między rowerem i rowerzystą w punktach styku.

Pomiar siły jest znacznie trudniejszy niż pomiar przyspieszenia i przeszliśmy przez wiele konstrukcji mostków, sztyc podsiodłowych, siodełek i kierownic z tensometrami oraz wbudowanymi przetwornikami siły. 

 

Różne przyrządy do wykrywania siły wykorzystywane przez lata badań i rozwoju.

W obecnej wersji nasze wyposażone w specjalne oprzyrządowanie jarzmo siodełka i kierownica mierzą te siły (i przyspieszenia) w pionie i w poziomie przy siodełku, lewej dłoni i prawej dłoni, z częstotliwością próbkowania ponad 5000 na sekundę. 

Pomiar siły i ruchu pozwala nam zwizualizować wszelkie fizyczne aspekty układu rowerzysta-rower i określić korzyści w zakresie komfortu wynikające z jazdy na CheckOUT. 

Siła (koloryzowana) i wektory (przy 10x zwolnieniu) na powiększonych chmurach punktów dla przesunięcia przy 19,3 km/h.

 

 

Wycinek danych historycznych w funkcji czasu dla siodełka roweru sztywnego (oś pionowa) przy prędkości 19,3 km/h.

 

Zmiana przybliżenia z 0,5-sekundowego wycinka pozwala zwizualizować całą 40-sekundową próbę dla danych siły-prędkości-mocy w tym koloryzowanym wykresie krzyżowym. NA wykresie przedstawionym z lewej widzimy ten sam przebieg jak powyżej dla roweru sztywnego, z tymi samymi momentami w czasie oznaczonymi jako kropki na wykresie. Po prawej przedstawiono porównywalne warunki dla CheckOUT. Wykres dla sztywnego roweru gravelowego wykazuje szeroki rozrzut, w szczególności w górnej prawej strefie, gdzie siła i prędkość skaczą jednocześnie, powodując najbardziej wyczuwalne uderzenia skierowane ku górze, a wykres dla CheckOUT jest bardziej wygładzony i zawiera mniej punktów o wysokiej mocy.

 

 

Wykres krzyżowy siła-prędkość dla siodełka roweru sztywnego (w osi pionowej) przy 19,3 km/h. 

 

Chociaż chmury punktów są same w sobie fascynujące, pokazanie każdej kombinacji wymagałoby 90 wykresów (3 konfiguracje roweru x 5 prędkości x 3 punkty styku x 2 kierunki). Aby umożliwić porównanie w praktyce, ostatecznym krokiem jest agregacja danych mocy chwilowej w jeden wskaźnik komfortu wibracyjnego dla każdego przebiegu.
W przełomowym badaniu na temat mocy wibracji z 1966 roku badacze wojskowi z USA zaproponowali po raz pierwsze proste obliczenie „średniej pochłoniętej mocy” [7]. Z kolei w 2022 roku badacze z Uniwersytetu w Sherbrooke wykonali rozległe porównanie danych dotyczących wibracji, siły, mocy i energii. Stwierdzili, że moc RMS i energia są najbliżej skorelowane z komfortem w ruchu, wykraczając ponad wskaźniki oparte wyłącznie na danych z akcelerometrów lub siły, nawet przy zastosowaniu ważenia ISO [8].  
Mając na względzie te najnowsze badania, przedstawiamy poniżej wykresy mocy wibracji RMS na poziomie siodełka i kierownicy. W celu uniknięcia pomylenia z mocą pedałowania określamy zarówno moc wibracji (W), jak i energię (J) łącznie jako energię wibracji. 

 

 

Sumaryczna „energia wibracji” (moc RMS) dla wszystkich punktów styku i kierunków.

 

Na wykresach tych widzimy, że korzyści na poziomie wibracji w przypadku CheckOUT są spójne na poziomie siodełka, jak i kierownicy przy wszystkich prędkościach wykorzystywanych podczas prób, z

41,5% całkowitym ograniczeniem energii wibracji.

Ponadto widać, że korzyść z zawieszenia CheckOUT znacznie wykracza ponad tę z samego zastosowania większych opon 55c.

Dla zapewnienia kompleksowego spojrzenia na wyniki, potwierdzamy nasze stwierdzenia względem alternatywnych pomiarów i podejść, które zostały podsumowane w poniższej tabeli. Usunięcie sił statycznych umożliwia odizolowanie sił wynikających z uderzeń [8], a filtr górnoprzepustowy z charakterystyką zero-fazową zapobiega sztucznemu dryfowi podczas obliczeń relacji przyspieszenia do prędkości. Zazwyczaj stosujemy odcięcie 5 Hz w celu usunięcia pedałowania (~2–3 Hz, 60–90 obr./min), ale odnotowujemy też wariant 1 Hz w celu uwzględnienia efektów pedałowania. We wszystkich wariantach przetwarzania ograniczenie dla CheckOUT mieści się w zakresie 37-42%. 

 

 

Walidacja w ramach wielu wersji wskaźników mocy i energii.

 

Analiza częstotliwościowa

Na koniec obliczamy gęstość widmową mocy krzyżowej siły-prędkości (CPSD), czyli korzystamy z zaawansowanej techniki mającej na celu odkrycie głębszych fizycznych aspektów przepływu energii wibracji do ciała [10-13] (o ile nam wiadomo, nikt tego nie robił w kolarstwie).

CPSD wskazuje rozkład energii przenoszonej na ciało rowerzysty w całym widmie częstotliwości. Poprzez porównanie fazy między siłą a prędkością dochodzi do oddzielenia energii pochłanianej przez ciało (jak tłumik) z energią, którą ciało zwraca do roweru (jak sprężyna) [10, 11, 14]. Powszechnie zakłada się, że energia pochłonięta powiązana jest ze stratami energii, zmęczeniem i obciążeniem tkanek, a energia zwracana z podskakiwaniem i dyskomfortem [10, 15, 13]. 

Poniżej pokazano widma energii pochłoniętej i zwróconej dla wibracji w osi pionowej przy siodełku. Wykresy te pokazują nie tylko ogromne ograniczenie energii w przypadku CheckOUT, ale również zapewniają wyjątkowy wgląd w reakcje ciała na wibracje roweru. Nie powinno zaskakiwać, że większość energii współgra z naturalnymi częstotliwościami ciała ludzkiego w pozycji siedzącej [1-5]. 

 

 

Wartość siły-prędkości CPSD przy siodełku (oś pionowa) uśredniona dla wszystkich prędkości. Z lewej: widmo pochłoniętej mocy ℜ{𝑆𝐹𝑣(𝑓)}. Z prawej: widmo mocy reaktywnej ℑ{𝑆𝐹𝑣(𝑓)}.

 

Ponadto możemy korzystać z danych wyjściowych fazy i koherencji CPSD w celu zgłębienia układu rower-rowerzysta, ale pozostawimy tę część jako wyłącznie wgląd w misję Trek Performance Research, którą jest wyjście ponad granice nauki o kolarstwie i odkrycie wyjątkowych czynników napędzających innowacje, takie jak CheckOUT. 

 

Rozdział 3: Ergospirometr

Ergospirometr pokazuje zależność między komfortem i prędkością

Udało się nam udowodnić, że CheckOUT zapewnia płynniejszą i wygodniejszą jazdę, ale czy znane powiedzenie „płynniej = szybciej” wciąż pozostaje prawdziwe? Aby sformułować to pytanie w bardziej techniczny sposób – czy ograniczenie energii wibracji przenoszonej na ciało przekłada się na wydłużenie czasu do wystąpienia zmęczenia? W tym celu mierzymy za pomocą ergospirometru VO2 Master koszt fizjologiczny poniesiony przez rowerzystę na pedałowanie i kontrolowanie roweru, czyli włożoną w to energię. 

W tej serii testów rowerzysta pedałuje w trudnym terenie przez pięć minut na każdą rundę na CheckOUT i na sztywnym roweru gravelowym. Wszystkie kombinacje warunków są powtarzane, jak i cały test powtarzany innego dnia w celu zapewnienia powtarzalnych wyników.  

Wszystkie badania wydajności wykonywane w laboratorium Trek Performance Research realizowane są przy użyciu przenośnego ergospirometru VO2 Master. Jego przenośna natura umożliwia korzystanie z niego podczas prób na szosie i w terenie, a także bezpieczne badania na bieżni z nierówną nawierzchnią w laboratorium. Zwróciliśmy się w stronę prób wydolnościowych z prostego powodu: mierniki mocy uchylają jedynie rąbka tajemnicy.

Jest to szczególnie prawdziwe stwierdzenie w przypadku trudnego terenu, ponieważ rowerzysta stara się naturalnie wygładzić nawierzchnię odginając i lekko unosząc swoje ciało nad rowerem w celu kompensacji braków w zawieszeniu. Wspomniane „wygładzanie” wiąże się w wysokim kosztem fizjologicznym, czyli dużym wydatkiem energii, która nie zostaje spożytkowana pedałowanie. Oznacza to, że miernik mocy zupełnie nie odnotowuje tego wysiłku. Nie rejestruje również kosztu fizjologicznego pochłaniania przez ciało opisanej wcześniej energii z wibracji.

Podczas prób rowerzysta wspomniał o uczuciu „pieczenia” w ramionach po przejazdach na sztywnym rowerze gravelowym. Takie uczucie w mięśniach występuje, gdy odbywa się glikoliza, czyli rozkład glukozy. W procesie tym w pracujących mięśniach pojawia się pirogronian. Pirogronian z kolei zostaje przekształcony w mleczan – bardzo użyteczne paliwo dla pracujących mięśni – który z kolei prowadzi do powstania jonów wodorowych. Odkładanie ich w komórkach mięśniowych obniża pH mięśni, co powoduje „pieczenie”. Nie mamy co prawda „pieczeniomierza”, ale można zmierzyć bezpośrednio inną zmianę zachodzącą, gdy rowerzysta w większym stopniu wykorzystuje glikolizę: zwiększone zużycie tlenu.  

Po lewej: Kalibracja ergospirometru. Po prawej: Rejestracja danych.

Glikoliza powoduje wzrost poziomu dwutlenku węgla we krwi, co prowadzi ciało do zwiększenia wentylacji płuc w celu jego wydalenia. Wentylacja [l powietrza/min] to wynik pomnożenia powietrza wymienionego na oddech [l/oddech] i częstotliwości oddechu [oddechy/min]. Ergospirometr VO2 Master mierzy wenylację za pomocą czujnika natężenia przepływu powietrza. Poniższy wykres porównuje wentylację podczas jazdy na CheckOUT i sztywnym rowerze gravelowym na podstawie danych z ostatnich 3,5 minut po stabilizacji przez 1,5 minuty. 

Jak widać na wykresie, u rowerzysty występuje 7,3% ograniczenie wentylacji podczas jazdy po wymagającej nawierzchni na CheckOUT w porównaniu ze sztywnym rowerem gravelowym. Tłumaczenie: Kiedy teren robi się trudny, na CheckOUT pojedziesz dłużej, nim się zmęczysz! 

Rozszerz strefę komfortu

 

Przez ponad dziesięć lat dział Trek Performance Research stworzył komplet innowacyjnych przyrządów, metod i teorii w celu zgłębienia zagadnień związanych z fizyką w kolarstwie i wykorzystuje tę wiedzę do tworzenia lepszych rowerów do lepszej jazdy. W tym badania wszystkie narzędzia mówią jedno: CheckOUT ustanawia nową normę dla kontroli, komfortu i wydajności na gravelu, i jest gotowy na wszelkie przygody, które sobie wymarzysz!