Pertanyaan Anda sederhana tetapi jawaban lengkapnya kompleks. Jawaban paling sederhana adalah menunjuk ke Bagian 2 (terutama bab 4) dari Wilson dan Papadopoulos (2004) , atau ulasan terakhir oleh Debraux et al. (2011) , atau makalah oleh Martin et al. (1998) . Namun, bahkan makalah ini tidak mencakup pendekatan yang memanfaatkan lebih baik data yang tersedia dari komputer sepeda modern dan unit GPS. Beberapa latar belakang pada persamaan daya-seret akan membantu Anda memahami mengapa ada begitu banyak cara yang berbeda (dengan tingkat akurasi, presisi, kesulitan, dan biaya yang berbeda-beda) untuk memperkirakan hambatan.
Persamaan untuk mengkonversi kecepatan ke kekuasaan dipahami dengan baik. Total daya yang diminta memiliki empat bagian:
Total power = power needed to overcome rolling resistance +
power needed to overcome aerodynamic resistance +
power needed to overcome changes in speed (kinetic energy) +
power needed to overcome changes in elevation (potential energy)
Dari jumlah tersebut, bagian paling sederhana adalah kekuatan yang dibutuhkan untuk mengatasi perubahan ketinggian. Kekuatan yang dibutuhkan untuk menjelaskan perubahan energi potensial, dan untuk mengatasi perubahan kecepatan sangat mudah:
watts(PE) = slope * speed in meters/sec * total mass * 9.8 m/sec^2
watts(KE) = total mass * speed in meters/sec * acceleration
Ada bagian kecil dari komponen KE karena momen inersia di roda tetapi untuk sepeda yang cenderung kecil dan kita sering mengabaikannya. Namun, persamaan yang diperlukan untuk menggambarkan rolling resistance dan aerodinamika sedikit lebih rumit. Artikel oleh Martin et al., Dikutip di atas, memberikan lebih banyak detail tetapi jika kita dapat mengabaikan angin maka komponen aerodinamis menyederhanakan untuk
watts(aero) = 0.5 * rho * CdA * (speed in m/s)^3
di mana rho adalah kerapatan udara dalam kg / m ^ 3 dan CdA adalah daerah seret ("A" adalah area depan dan "Cd" adalah koefisien seret; CdA adalah produk mereka dan dapat dianggap sebagai "setara") area kubus yang dipegang tegak lurus dengan arah angin dengan muka area A).
Akhirnya, tenaga yang dibutuhkan untuk mengatasi rolling resistance (yang meliputi ban, tabung, dan bantalan gesekan) adalah
watts(RR) = Crr * total mass * 9.8 m/sec^2 * speed in m/s
Crr adalah koefisien rolling resistance.
Sekarang, jika Anda pergi ke kalkulator online seperti yang ada di Analyticcycling.com Anda akan melihat bahwa Anda harus memberikan nilai untuk rho, Crr, Cd, dan A; kemudian, diberi nilai kecepatan dan kemiringan tertentu, ia akan menghitung daya. Sangat mudah untuk menemukan perhitungan online untuk kepadatan udara, rho, tetapi jauh lebih sulit untuk menemukan perkiraan Crr dan CdA (atau secara terpisah, Cd dan A).
Cara termudah (tapi paling mahal) untuk memperkirakan CdA adalah di terowongan angin. Di sana, sebuah objek dipasang pada skala (pada dasarnya, skala kamar mandi yang sangat tepat dan akurat), angin dengan kecepatan yang diketahui diterapkan, kepadatan udara diukur, dan total gaya pada objek diukur dengan skala. Watt adalah gaya (dalam Newton) * kecepatan (dalam meter / detik) jadi gaya (dalam Newton) = watt / kecepatan udara = 0,5 * rho * CdA * (kecepatan udara ^ 2). Operator terowongan tahu rho, tahu kecepatan udara, dan skala kamar mandi mahal mengukur kekuatan sehingga Anda dapat menghitung CdA. Perkiraan terowongan angin CdA dianggap sebagai standar emas: ketika dilakukan dalam terowongan yang baik dengan operator berpengalaman, pengukurannya tepat dan dapat diulang. Dalam praktiknya, jika Anda ingin mengetahui Cd secara terpisah, Anda d ukur area bagian depan A dengan kamera digital dan bandingkan dengan foto digital suatu objek (seperti bidang datar) dari area yang diketahui. Di samping sejarah, hampir 100 tahun yang lalu Dubois dan Dubois mengukur area depan dengan mengambil foto seseorang dan objek referensi, memotong foto sepanjang garis objek, dan kemudian menimbang cut-out pada skala sensitif.
Namun, hambatan pada ban, tabung, atau bantalan tidak dipengaruhi oleh kecepatan udara, sehingga orang tidak dapat memperkirakan Crr dari data terowongan angin. Pabrikan ban telah mengukur tahanan gulir ban mereka pada drum berputar besar tetapi mereka tidak dapat mengukur hambatan aerodinamik. Untuk mengukur Crr dan CdA, Anda perlu menemukan metode yang mengukur keduanya dan memungkinkan Anda untuk membedakan keduanya. Metode-metode ini adalah metode estimasi lapangan tidak langsung dan sangat bervariasi dalam hal akurasi dan presisi.
Sampai sekitar 20 tahun terakhir, metode lapangan tidak langsung yang paling umum adalah meluncur menuruni bukit dengan kemiringan yang diketahui dan mengukur kecepatan maksimum (juga dikenal sebagai kecepatan terminal) atau kecepatan saat melewati titik tetap di atas bukit. Kecepatan terminal tidak memungkinkan Anda membedakan antara Crr dan CdA; namun, jika seseorang mengukur kecepatan pada titik tertentu dan mampu mengendalikan kecepatan "entri" di atas bukit, Anda dapat menguji pada kecepatan entri yang berbeda dan mendapatkan persamaan yang cukup untuk menyelesaikan dua yang tidak diketahui, Crr dan CdA. Seperti yang Anda duga, metode ini membosankan dan cenderung presisi rendah. Meskipun demikian, banyak alternatif cerdik dieksplorasi, termasuk menuruni koridor bebas angin atau di dalam hanggar pesawat besar, dan mengukur kecepatan hingga presisi yang relatif tinggi menggunakan "mata listrik" atau strip waktu.
Dengan munculnya meter listrik di sepeda, peluang baru muncul untuk mengukur aerodinamika dan hambatan geser. Singkatnya, jika Anda dapat menemukan jalan datar yang terlindung oleh angin, Anda akan mengendarai dengan kecepatan konstan atau daya di jalan; kemudian, ulangi dengan kecepatan atau kekuatan yang berbeda. Persyaratan "terlindung dari angin dan kencang pada kecepatan konstan" berarti bahwa Anda dapat mengabaikan komponen daya PE dan KE dan hanya harus berurusan dengan hambatan rolling dan komponen aerodinamis sehingga persamaan daya keseluruhan disederhanakan untuk
Watts = Crr * kg * g * v + 0.5 * rho * CdA * v^3; or
Watts/v = Crr * kg * g + 0.5 * rho * CdA * v^2
di mana g adalah akselerasi karena gravitasi, 9,8 m / detik ^ 2.
Rumus terakhir dapat dengan mudah diperkirakan dengan reqresi linier di mana kemiringan persamaan terkait dengan CdA dan intersep terkait dengan Crr. Inilah yang Martin et al. melakukan; mereka menggunakan landasan pesawat terbang, rata-rata lintasan di kedua arah, dan mengukur tekanan, suhu, dan kelembaban udara untuk menghitung rho, dan mengukur serta mengoreksi kecepatan dan arah angin. Mereka menemukan bahwa CdA yang diperkirakan dengan metode ini setuju dalam 1% dari CdA yang diukur dalam terowongan angin.
Namun, metode ini mensyaratkan bahwa jalan harus rata dan kecepatan (atau daya) konstan selama jangka waktu uji coba.
Sebuah metode baru untuk memperkirakan CdA dan Crr telah dikembangkan yang mengeksploitasi kemampuan perekaman banyak komputer sepeda modern dan power meter sepeda. Jika seseorang memiliki perekaman kecepatan momen-demi-momen (dan opsional, daya) maka Anda dapat langsung mengukur perubahan kecepatan sehingga komponen KE daya dapat diperkirakan. Selain itu, jika Anda berkeliling dalam satu lingkaran, jalan tidak perlu rata karena Anda tahu bahwa setelah kembali ke titik awal dari loop perubahan ketinggian bersih akan menjadi nol sehingga komponen PE bersih akan menjadi nol. Metode ini dapat dan telah diterapkan pada meluncur menuruni bukit dari perubahan ketinggian bersih yang diketahui (yaitu, Anda tidak perlu memiliki kemiringan yang konstan, dan jika meluncur Anda tahu kekuatannya nol). Contoh dari pendekatan ini dapat ditemukan di sini dan di sinidan, ketika dilakukan dengan hati-hati, terbukti setuju dengan perkiraan terowongan angin CdA hingga 1%. Presentasi video singkat tentang metode ini dapat ditemukan mulai sekitar tanda 28:00 di sini . Video singkat dari metode yang digunakan pada velodrome dapat ditemukan di sini