(1) Что такое эффективность ?
Эффективность - это значит «сделать больше и быстрее, но с меньшими затратами». Спортивная физиология определяет эффективность велосипедиста как набор характеристик, позволяющих достигать высоких результатов в марафонах. Например:
Физические: Максимальное потребление кислорода, Анаэробный порог , Мощность
Технические: Техника педалирования, Аэродинамика посадки, Экономичность движений
Психологические: Психология прохождения веломарафона, Устойчивость к стрессу.
Однако, определение таких характеристик, а потом оценка на их основе, требует множества измерений и расчётов по установленным методикам с учётом накопленных исторических данных.
Опыт применения метрик показывает: нужно как можно меньше измерений, а методики и расчёты д.б. простыми и понятными. Оценить эффективность можно с помощью КПД (коэффициент полезного действия): КПД = Работа велосипедиста (W) / Энергозатраты (E) *100%
(2) Что такое КПД велосипедиста ?
ИИ отвечает: КПД велосипедиста - это эффективность преобразования энергии, затрачиваемой на педалирование велосипеда (активные энергозатраты), в механическую энергию движения (полезная работа велосипедиста).
Средний КПД у обычного велосипедиста: 18 - 22%, у начинающих 15-18%, у спортсменов - 25%, а максимальный: 27-28%. Такие значения согласуются с КПД мышечных волокон (мышц) разных типов, а их малая величина отражает (до 30%), что бОльшая часть производимой мышечной энергии рассеивается - в виде тепла и других потерь.
(3) Как рассчитать КПД велосипедиста ?
КПД = W / E * 100%, где W (Work) - работа, выполненная велосипедистом, а E (energy) - энергозатраты велосипедиста.
Основные формулы из механики и физики:
Мощность = Сила * Cкорость_движения; Power = Force * Velocity; P = F * V
Работа = Мощность * Время движения; Work = Power * Time = Force * Velocity * Time; W = P * T = F * V * T = F * D
Значит, для расчёта работы велосипедиста на дистанции марафона D (distance) нужно узнать только силу F, которую развивает велосипедист, а для расчёта энергозатрат E есть готовые формулы, которые включают: Вес, Возраст, ЧСС, Время движения (см. ниже в 3.2).
(3.1) Оценка силы, развиваемой велосипедистом
Велосипедист развивает силу F против: трения качения Fк, силы тяжести Fт, сопротивления воздуха Fв; т.е. F = Fк + Fт + Fв, где:
Fк ≈ Кк * Вес_полный, где Кк - коэффициент трения качения, а Вес_полный = Вес_велосипедиста + Вес_велосипеда + Вес_снаряжения
Fт ≈ Вес_полный * sin(alfa), где alfa общий угол подъёма; на большой дистанции sin(alfa) ≈ alfa, а alfa ≈ Подъём / Дистанция;
Fв = 1/2 * Пв * Sв * Кв * Vв**2, где: Пв - плотность воздуха; Sв - площадь лобового сечения велосипедиста (это ≈ 0.5 - как и в [2]),
Кв - коэффициент сопротивления воздуха; Vв = Vвел + Vветер, где Vвел, Vветер - фиксируемые средние движения и ветра
В итоге, для Fк, Fт, Fв нужны следующие метрики: Дистанция, Время движения, Вес_велосипедиста, Вес_велосипеда, Подъём,
а значения Кк, Кв, Пв оцениваются на основе справочников ниже (см. Примечание 2) как средние значения (см. Примечание 3).
Средняя скорость движения - это расчётное значение: Vвел = Дистанция / Время движения
Примечание-1.
В формулах силы Fк, Fт, Fв, как и в статьях [1], [2] рассчитываются в «кГ» ( килограмм-сила = 9.81 ≈ 10 ньютонов )
Примечание-2.
Справочные значения для расчётов Fк, Fт, Fв заимствованы из [2]. Например, для Кк (коэффициент трения качения): асфальт -0.004, бетон -0.008, Грунт -0.05, Песок -0.2; для Кв (коэффициент сопротивления воздуха): приняты значения: 0.5 -"на колесе", 0.88 -шоссейная низкая посадка, 1.1 -высокая посадка; для Пв (плотность воздуха): 1.293 - 0°С, 1.270 - 5, 1.247 - 10, 1.205 >=20°С
Примечание-3.
Поскольку значения Кк, Кв, Vветер на разных участках марафона - разные, то следует использовать взвешенное среднее, учитывающее доли значений в общей дистанции. Например, если на 80% дистанции был асфальт (Кк=0.004), а на 20% был грунт (Кк=0.05), то средний Кк = 0.004 * 0.8 + 0.05 * 0.2 = 0.0132. Значения Vветер для встречного ветра нужно учитывать в оценках как положительные (+), а для попутного, как отрицательные (-).
(3.2) Оценка активных энергозатрат
Спортивная физиология давно предлагает разные формулы активных энергозатрат E с учётом Веса, Возраста, ЧСС, Времени и Пола.
Правдоподобные, но несколько завышенные значения показывают формулы Keytel (2005):
Енергозатраты (ккал) = (-55.0969 + (0.6309 * ЧСС) + (0.1988 * Вес) + (0.2017 * Возраст)) / 4.184 * T ( в мин) - для мужчин;
Енергозатраты (ккал) = (-20.4022 + (0.4472 * ЧСС) - (0.1263 * Вес) + (0.0740 * Возраст)) / 4.184 * T (в мин) - для женщин
Хотя разные гаджеты и сайты рассчитывают энергозатраты, но для устранения "неопределённости" данных, нужна общая формула для расчёта E и общедоступные данные для этой формулы. В данном случае, от гаджетов нужна только средняя ЧСС (частота сердечных сокращений).
(4) Калькулятор для оценки КПД
Расчёт КПД по методике выше реализован в виде калькулятора; для этого служат: Гугл-форма данных для КПД и Гугл-таблица с расчётами КПД
В гугл-форме - подробное описание исходных данных, примеры их оценок; в гугл-таблице приведены все формулы, а в Справке - подробное
описание каждого поля и всех формул. Важно правильно вводить числа и разделять целые и дробные части запятой.
В колонке-21 гугл-таблицы - КПД абсолютный, рассчитываемый по формуле: КПДа = W / E * 100 = Работа / Энергозатраты * 100
В колонке-22 гугл-таблицы - КПД нормированный, рассчитываемый по формуле: КПДн = (КПДа - КПД_мин) / (КПД_мах-КПД_мин) *100, где КПД_мин = 10, КПД_мах = 30
Использованные источники
[1] http://diginfo.ru/ru/cycling_rus/na-chto-tratyatsya-silyi-pri-dvizhenii-velosipeda/
[2] http://diginfo.ru/ru/cycling_rus/kalkulyator-rascheta-moshhnosti-ot-skorosti/
Приложение 1 - Литература по вопросам энергозатрат, мощности, эффективности велосипедистов
Встречный ветер и средняя скорость
Справочники и таблицы перевода единиц
Определение параметров катимости велосипеда из измерений мощности
Почему холмы снижают среднюю скорость
Советы новичкам про длинные дистанции
Сколько калорий сжигается при езде на велосипеде
Расход калорий (в час) при езде на велосипеде 185 ккал (9 км\ч), 320 (15), 410 (20), 570 (25)
Пульсовые зоны при езде на велосипеде
Приложение 2 - Задачи по развитию и улучшению методики
1. На основе GPX-файла рассчитать все метрики по движению, времени и остановкам
2. Из сайтов с историческими метео-данными и справочников Кт, Пв, Кв рассчитать Fк, Fт, Fв по ходу движения
3. Для удобства ввода данных разработать чат-бот - для диалога и расчёта всех метрик, показателей и КПД