职业自行车手在环法自行车赛21个赛段中可能会骑上其赞助商提供的多种不同型号的自行车。他们会在品牌专用的空气动力学公路车、计时赛自行车和轻量级爬坡自行车之间切换，根据当天赛段的状况做出决定；海拔变化、风况、里程、地形等因素都需要仔细考虑，以确保车手拥有最佳的装备。车队力求控制一切可控因素。
我们最近收到了一位读者的一个发人深省的问题，正是这个问题启发了我们撰写这篇文章。由于我们自己不是空气动力学专家或工程师，我们从一些顶级公路自行车制造商那里征集了专业知识，他们的自行车在任何职业自行车队中都能看到。Specialized、Trek、Cervélo和Cannondale都对这个话题进行了有趣且富有洞察力的讨论，从简洁易懂到一些相当具有启发性的虚拟模拟的结果。
读者的提问：
“通常来说，对于职业车手，在8%左右的坡度下，重量开始超越空气动力学。显然，骑行和爬坡的速度越慢，这个坡度转折点就会受到影响。对于我们这些非职业车手来说，随着可用功率输出的降低，这个坡度转折点如何降低？”
正如我们即将从专家团队那里了解到的，这个问题的答案取决于具体情况。这些讨论不仅提供了对职业自行车队自行车选择的见解，还提供了一些关于我们业余自行车手应该选择哪种自行车的黄金建议。
我们的贡献者是：
马塞尔·凯瑟尔（Marcel Keyser），Specialized人类性能团队工程师 Cervélo工程部 Trek高级空气动力学专家约翰·戴维斯（John Davis） Cannondale工程师和空气动力学家内森·巴里（Nathan Barry）博士
内森·巴里博士，Cannondale工程师和空气动力学家
简单的答案是，骑手的功体比越低，爬坡速度越慢，空气动力学优势与重量优势之间的临界点坡度越低。但这只是这个现象的表层。要全面回答这个问题，重要的是回到支撑这一概念的基础科学，确保没有误解。在某个特定的坡度下，重量胜过空气动力学的陈述是对一些任意特定参数的过度简化。
骑行的基本力学，由骑行功率方程描述，表明空气动力学是速度的函数，与坡度或质量无关。相反，爬坡功率是质量、坡度和速度的强函数。以极端情况为例；在平坦的道路（0%坡度）上，骑手消耗0 W的爬坡功率。在恒定速度下，质量对所需功率的影响最小，因此骑手的绝大部分功率用于克服空气阻力。随着道路变得更陡，骑手必须消耗爬坡功率，从而减少克服阻力的功率，同时他们的速度下降。因此，在某些非常陡的坡度下，骑手的速度会非常低，以至于空气阻力变得最小，骑手的绝大部分功率用于克服重力。
因此，沿着这个梯度谱，一定存在一个交叉点，在这个点上，骑手克服风阻和爬坡所需的功率相等。然而，这还不是全貌。我们感兴趣的问题不是功率的大小，而是性能的差异。我们真正感兴趣的是风阻或质量的变化如何影响性能。一个简单的例子可能是轮组的选择。浅轮组可能更轻，但与经过精心设计的深轮组相比，其空气动力学效率有所牺牲。显然，在平坦的道路上，更深的、低阻力的轮组是首选。问题在于，道路需要多陡，轻量级轮组才能比重型但低阻力的轮组更快？这通常被称为临界点。
从这个例子可以清楚地看出，临界点出现的梯度取决于风阻和质量的相对差异。风阻大幅节省而重量略有增加的轮组将有更高的临界点，而风阻略有节省但重量大幅增加的轮组则相反。
临界点也是速度的函数。即使在爬坡时，骑手也在穿过空气，因此始终存在空气阻力。虽然在低速爬坡时的风阻会减小，但只要你在运动，它就不会降至零。正如问题陈述中所述，这就是专业人士临界点更高的原因。由于他们的功率更高（以及功体比），他们爬坡更快，在给定的坡度下，他们比业余爱好者行驶得更快，因此必须克服更高的空气阻力。空气动力学节省对性能有更大的影响。
第二个要叠加的概念是，这些骑手性能的差异与整个系统有关，而不只是部件或自行车。考虑一个减重100克的轮组升级——暂时忽略任何空气动力学差异。对于1600克级别的高性能轮组来说，100克的减重是一个很大的节省（6.3%）。对于一辆约7.5公斤的完整自行车来说，这意味着1.3%的重量减轻。然而，骑行性能是由总系统质量决定的——包括骑手。
通常，自行车只占总系统重量的约10%。对于一辆75公斤的骑手来说，100克的重量节省只相当于系统质量的0.1%的减轻。因此，这种变化带来的爬坡性能提升将成比例地减小。空气动力学阻力的差异也是如此。必须将风阻的变化视为整个系统的函数。然而，考虑到只有自行车时，系统质量不可能减少10%，但考虑到没有空气动力学优化的自行车与专门降低风阻的自行车相比，这是可能的。
骑手功率如何影响梯度过渡？这个问题没有一个答案，它取决于这三个关键变量：风阻变化、质量变化和骑手功率重量比。对于给定的配置（给定的风阻和质量差异），你可以为临界点与骑手功体比绘制一条曲线。这将显示你的性能与具有明显更高功率重量比的专业人士的性能相比如何。但这只适用于该特定设备配置。一旦改变风阻和质量的相对差异，该模型将不再相关。这很难简化，因为差异可以广泛地变化。从轮组、车架、把组、头盔和服装来看，风阻和质量都可以有很大的差异。
为了向那些不想将所有这些内容构建到电子表格中的人提供一些见解，我们可以使用一个非常简单的案例研究以一种不太复杂的方式来阐述这些原则中的某些原则。
考虑当你给自行车增加1公斤的死重时会发生什么，即没有减少风阻的好处。在高性能公路自行车的背景下，这是自行车重量的一个很大的变化。当然，骑手在拿或捡起自行车时会感觉到这一点。大多数公路骑手会认为这对性能有巨大的影响。如果我们以一个业余骑手的案例研究为例：75公斤的骑手，7.5公斤的自行车，7%的坡度爬坡，15公里/小时的骑行速度。以这种速度和坡度爬坡需要约275瓦。对于这个体型的健康业余骑手来说，这是一个可持续的量（3.7瓦/公斤）。增加1公斤的死重将在这些条件下增加只有3瓦的阻力。这并不算什么，但这只是阻力略微增加了1%多一点。对于一个没有在高水平上竞争的骑手来说，这种差异不会影响他们的骑行。事实上，这相当于在5公里的爬坡中损失不到0.5秒的时间。如果我们将性能降低到2.5瓦/公斤，则功率差为2瓦，时间差为0.5秒，达到相同的有效数字。基本上，可用功率的减少降低了骑行速度，从而减少了功率差异的幅度，但增加了节省的时间——因为骑手的总时间在该路段上成比例地更长。
重量并不像大多数骑手可能认为的那样重要。即使没有空气动力学改进，1公斤的差异对骑行速度的影响相对较小。相反，如果你从一个相对高阻力的设置开始，1公斤的质量差异可以用于大量的空气动力学优化。对于相同的骑手和功率输出，当比较经典的圆管车架和低框轮组与现代竞赛自行车时，你可以在平坦道路上看到至少20瓦的功率节省。因此，也许一个更简单的问题来解决这个问题是骑手应该关心重量还是空气动力学？虽然自行车重量更容易感受到和测量，但对于几乎所有骑手和场景来说，空气动力学优化对你的骑行速度的影响要比减轻自行车重量大得多。
如果我们回顾早些时候的轮组比较，我们可以考虑一个特定的设备选择并检查我们75公斤的骑手在275瓦时的临界点的计算。考虑两个轮组：第一个是轻量级的1300克，风阻高的低框轮圈。第二个使用高框空气动力学轮圈，重量为1500克，风阻降低了0.010平方米。这是基于风洞测试结果对一辆完整自行车上的两对轮组的真实数字。
骑手功率作为梯度的函数的分布如下图所示。该模型有效地使骑手保持恒定的功率输出，并根据每个梯度的要求重新分配该功率。从经验来看，我们知道坡度的增加与速度的降低相伴。在0%时，骑手移动非常快（约38公里/小时），而在10%时则非常慢（约11公里/小时）。该图突出了骑手功率分布随着道路变得更陡而变化的情况。随着坡度的增加，需要更多的功率来克服海拔增益，留给维持平坦道路上看到的速度的功率就更少了。随着速度下降，空气动力学功率要求也下降。
对于两轮自行车，我们可以计算出每种配置下的功率分配。通过比较两组数据，我们可以得出倾斜点出现在6%的坡度上。请记住，这是一个拐点。在任何小于6%的坡度上，更重、阻力更小的轮组都更快。只有当坡度超过6%时，轻轮组才有优势。请注意，在上图中，在6%的坡度下，骑手的功率有更多的部分分配给爬坡而不是空气阻力，但两种配置的性能在这个坡度上是相同的。这是由于这些差异对性能平衡的相对影响。如前所述，改变骑手的功率、阻力节省或重量节省将改变倾斜点的值。
上图显示了基于固定速度的功率差异（如第一种配置中较重、阻力较小的设置所计算的那样）。在这种情况下，正值表示轻轮组所需的额外功率，负值表示轻轮组在重轮组上节省的功率。6%的水平截距表示倾斜点。请注意，两种配置之间的功率差异的幅度并不相同。虽然轻轮组在6%以上更快，但节省的功率比低坡度上低阻力轮组节省的功率小一个数量级。
Cervélo 工程部
空气动力学影响随速度增加而非线性增长
专业骑手产生更多的功率且体重更轻，这导致更高的平均速度，这意味着绝对空气动力学影响更大。
相对而言，在平地上，业余骑手将比专业骑手从空气动力学车架中受益更多，因为他们产生的功率更少且通常体重更重，空气动力学的阻力减少占其总功率输出的比例更大。
然而，一旦上坡，重量成为决定性因素，速度下降。专业骑手仍将产生更多功率且体重更轻，因此他们将保持更高的速度，从而维持空气动力学性能。业余骑手体重更重且产生的功率更少，因此他们的速度将比专业骑手下降更快，从而也降低自行车的空气动力学影响。
假设自行车重量相同，并遵循上述关于功率输出和骑手体重的假设，对于平均骑手而言，重量与空气动力学之间的平衡点可能在约 4-5% 的坡度，而对于专业骑手则约为 8%。
约翰·戴维斯，Trek高级空气动力学工程师
读者提到的8%临界点在几年前对于专业速度下典型空气动力学自行车和轻量级自行车之间的权衡是准确的。然而，随着如今大多数比赛自行车都接受了空气动力学处理，该临界点已经降低。
每小时节省的秒数（2023 Madone对比2021 Emonda）（正值表示Madone更快）与坡度对比
（假设：无风，73公斤骑手，两辆自行车滚动阻力相同，基线CdA为0.3，双手在两辆自行车上保持相同把位宽度。）
请记住，在环形赛道上，你必须下降您所爬升的高度。考虑到下降因素，对于150瓦的骑手，Emonda与Madone之间的临界点从约3%变为约6%（这种简单的计算忽略了刹车损失）。
现在，几乎所有的比赛自行车都接受了一些空气动力学处理，这使得临界点从读者所问的约8%水平降低了。这个例子比较了我们的2018年Emonda和我们的2021年Emonda，而且在整个行业中经常可以看到同样的趋势。
其他影响因素：
我假设无风；逆风和大多数侧风将推动临界点有利于空气动力学自行车，而顺风将推动临界点有利于爬坡自行车。
骑手体重的增加将推动临界点有利于爬坡自行车，而体重的减轻将推动临界点有利于空气动力学自行车（在这个例子中，大约每10公斤增加0.2%的坡度）。
马塞尔·凯瑟尔，Specialized Human Performance Team工程师
为了模拟，我们创建了三辆“虚拟”自行车——重量、CdA（空气动力阻力系数）和一致的滚动阻力——并在多种情况下进行测试。我们使用了我们的Tarmac SL7、Aethos，以及基于我们对各种制造商的众多专用空气动力学公路平台的了解而创建的“纯”空气动力学自行车。
骑手体重70公斤，装备1公斤。滚动阻力类似于优质的Turbo轮胎。
模拟自行车 | CdA | CdA Delta | 自行车重量 |
Tarmac | 0.2950 m² | 0 m² | 7.05 kg |
“纯”空气动力学 | 0.2935 m² | – 0.0015 m² | 7.6 kg |
Aethos（轻量级） | 0.3120 m² | + 0.0170 m² | 6.45 kg |
结论
A. 一般
2. 更强的骑手由于更高的平均速度而更多地对抗空气阻力。
B. Tarmac SL7 vs. Aethos（轻量级）
2. 有趣的是，不同的骑手速度对Aethos与Tarmac的选择何时能带来优势起着很大的作用。
基于3 W/kg、4.5 W/kg和6 W/kg，分别代表业余、强业余和职业骑手——我们知道它开始在5%以上的坡度上发挥作用，但大差距直到更陡的坡度才出现，因此我们计算了在Tarmac与Aethos上骑行1小时10%坡度的每位骑手的时差（变化）。本质上，Aethos在1小时内覆盖Tarmac SL7行驶距离的速度有多快。你将在下面的摘要图表中看到这一点以及节省的瓦特。
在3 W/kg时，Aethos在1小时内比Tarmac SL7快25秒。 在4.5 W/kg时，Aethos在1小时内比Tarmac SL7快19秒。 在6 W/kg时，Aethos在1小时内比Tarmac SL7快14秒。
Specialized提供的模拟测试结果摘要，对Tarmac SL7、经典空气动力学公路车和Aethos（轻量化）三种车型的性能进行了对比分析。
重要的是要注意，考虑到今天的比赛，整个比赛的空气动力学优势以及持续10%坡度比赛的罕见性，再加上需要添加压舱物以使Aethos符合UCI法规，Tarmac SL7成为我们骑手的无可争议的比赛选择。
我们也为了乐趣而做了Tarmac SL7与“经典”空气动力学公路自行车的比较。结果非常惊人。Tarmac SL7在平地上几乎没有任何劣势，并在爬坡上获得4倍的时间回馈。
C. Tarmac vs. “经典”空气动力学自行车
3. 但是！请查看上面的摘要图表中的每小时时间节省柱状图：
与“经典”空气动力学自行车相比，Tarmac在平坦道路上每小时损失5秒，在爬坡上每小时赢得20-25秒。
这个差异是巨大的，验证了Tarmac提供的轻量级和空气动力学的惊人组合。
再次感谢Specialized Bicycles、Trek Bikes、Cervélo和Cannondale对这一问题的贡献。
