Primož Roglič
Jonas Vingegaard
Tadej Pogačar
Tour de France
Torek, 18. 7. 2023, 16.05
1 leto, 4 mesece
Trik, ki bi lahko odločal tudi o zmagovalcu kronometra
Kakšna prednost so lahko kolesa na strehi? Številke so osupljive.
Termometer prikazuje, kako vroč je članek.
Termometer prikaže, kako vroč je članek.
3,96
Takole je na kronometru Toura leta 2021 Valižana Gerainta Thomasa spremljal avtomobil moštva Ineos Grenadiers. Preštejte kolesa na strehi.
Večkrat smo na kolesarskih dirkah že videli, kako tekmovalci izkoristijo zavetrje kakšnega spremljevalnega avtomobila ali motocikla, ki ne ohranja varnostne razdalje, in približno jasno nam je, zakaj kapetane, kot je naš Tadej Pogačar v moštvu UAE Emirates, skozi dolge etape pred vetrom ščitijo njegovi sotekmovalci, bolj presenetljiv pa je nedvomno podatek, da kolesarju lahko v vožnji na čas odločilno pomaga tudi spremljevalni avto, ki vozi za njim. Da, za kolesarjem.
"O tem učinku se govori že leta, vendar ga je bilo zelo težko ovrednotiti. Ob tem so se pojavljali pomisleki, ki pa jim je bilo težko oporekati brez oprijemljivih številk. No, zdaj pa številke imamo," nam je povedal Marko Kolenc, aplikativni inženir v slovenski izpostavi podjetja SIMTEC s sedežem v Grčiji, ki je Ansysov partner in zastopnik na našem območju. Izsledke njihovih računalniških simulacij uspešno uporabljajo številna slovenska podjetja pri načrtovanju izdelkov in procesov, saj zmanjšajo razvojne stroške, z njimi lahko nadzorujejo kompleksnost, izboljšajo zanesljivost in kakovost ter med drugim omogočajo inovativnost, še pravi Kolenc.
Že spremljevalno vozilo rahlo potiska kolesarja
Morda ste bolj pozorni ljubitelji kolesarstva opazili, da so nekatere ekipe že uporabile trik in na streho spremljevalnega avtomobila na kronometru naložila več koles, pa čeprav kolesar, ki ga avtomobil spremlja, v resnici potrebuje le eno nadomestno kolo. Raziskovalci univerze v Leuvenu v Belgiji so v sodelovanju s podjetjem Ansys in svojo programsko opremo že v raziskavi leta 2015 dokazali, da za kolesarjem vozeče spremljevalno vozilo tekmovalcu pomaga z zračno maso, ki jo karoserija avtomobila potiska naprej.
Že spremljevalni avtomobil brez koles na strehi kolesarja potiska z zračnim mehurjem.
"To ustvarja območje nadtlaka pred avtomobilom, ki posledično povzroča pomemben potisni učinek na kolesarja in mu omogoča, da z enakim vloženim naporom vozi hitreje," so ugotovili leta 2015. Tedaj je spremljevalni avtomobil po pravilih Mednarodne kolesarske zveze (UCI) lahko vozil deset metrov za kolesarjem, do letos pa je trajalo, da se je krovna kolesarska zveza odzvala na ugotovitve raziskovalcev in to predpisano razdaljo povečala na 25 metrov. A kaj, ko je nadzor nad spoštovanjem tega pravila skoraj nemogoč.
Zakaj pa toliko koles na strehi?
Raziskovalci so preverili vse mogoče postavitve koles na strehi spremljevalnega avtomobila. Dognanja so osupljiva.
Že pred zaostritvijo pravilnika UCI so športni direktorji redno kršili omejitev desetih metrov, pa ni bilo načina, da bi to med dirko lahko merili, tovrstne trike se lahko meri le "na oko". In zakaj v nekaterih moštvih na strehe spremljevalnih vozil naložijo tudi po osem koles in več, čeprav na posamičnih kronometrih kolesar potrebuje le eno? Tega v študiji iz leta 2015 niso upoštevali.
Razlog je preprost, z večjo površino objekta za kolesarjem, je večje tudi območje nadtlaka, ki ga povzroča s potiskom. V ponedeljek je bila objavljena nova raziskava Leuvenske univerze in podjetja Ansys, ki jo je vodil profesor Bert Blocken. Raziskovalci so s pomočjo simulacij, računalniške dinamike tekočin (Computational fluid dynamics), natančno izračunali kakšne učinke na kolesarja imajo avtomobili z naloženimi kolesi na strehah. Rezultate izračunov so tudi potrdili z meritvami v vetrovniku.
Zdaj so natančno izmerili učinek
Pri izračunih so upoštevali različne dejavnike, učinke merili na različnih razdaljah med kolesarjem in spremljevalnim avtomobilom (en meter, 5, 10 in 25), z različnimi števili koles na strehi (brez, z enim, tremi, petimi in desetimi), z različnimi vpetji teh koles (enim ali dvema postavljenima v smeri vožnje, enim ali dvema postavljenima prečno na smer vožnje ter z navpično ploščo na strehi, "ki predstavlja skrajni primer neskončnega števila koles na strehi ali samo enega kolesa pravokotno na smer vožnje, zavitega v zaščitno vrečo ali kovček"). Uporabili so standardno kolo za kronometer, s polnim zadnjim obročem, in zračni potisk računali pri hitrostih 54 in 36 kilometrov na uro. In kaj so ugotovili?
Za primer vzemimo razdaljo današnjega kronometra na Dirki po Franciji, ki znaša 22,4 kilometra. Pri upoštevanju predpisane 25-metrske razdalje med kolesarjem in spremljevalnim avtomobilom so učinki majhni, pri manjših razdaljah pa se seveda povečujejo. Na splošno so učinki pri višji hitrosti (54 km/h) nekoliko manjši kot pri nižji (36 km/h), saj se z manjšo hitrostjo podaljša čas dirkanja in posledično pozitiven učinek. Odločilni učinek pa imajo vendarle razdalja in število ter predvsem postavitev koles na strehi avtomobila.
Prednost je osupljiva
Na 22,4 kilometra dolgem kronometru bi tekmovalec, ki vozi s povprečno hitrostjo 36 kilometrov na uro in za katerim na razdalji 25 metrov vozi avtomobil z enim samim kolesom na strehi, v primerjavi s kolesarjem, ki ga spremlja vozilo s tremi kolesi na strehi, pridobil le 0,214 sekunde, pri desetih metrih razdalje 0,285 sekunde, pri petih 0,432 sekunde in pri bolj ali manj zgolj teoretičnem metru razdalje med kolesarjem in avtomobilom že debelih 9,402 sekunde.
S petimi kolesi na strehi, vpetimi v smeri vožnje, bi pri predpisani razdalji 25 metrov prednost znašala že 0,498 sekunde, z desetimi 0,641 sekunde, z dvema kolesoma prečno čez streho avtomobila pa osupljivi dve sekundi in 566 tisočink. S ploščo, ki simulira prečno nameščeno kolo v trdem kovčku, bi avtomobil kolesarju prinesel dobre štiri sekunde in pol. In to pri dovoljenih 25 metrih razdalje med tekmovalcem in spremljevalnim vozilom. Pri nerealističnem enem metru razdalje bi avto z dvema prečno nameščenima kolesoma tekmovalcu v 22,4 kilometra prinesel skoraj 24 sekund, pri bolj realistični desetih ali celo petih metrih razdalje pa 3,572 oziroma 6,409 sekunde.
Pri Tadeju Pogačarju do zdaj niso uporabljali trika s kolesi.
Aerodinamične prednosti, ki lahko odločijo o zmagovalcu
"Ker o zmagovalcu v vožnji na čas včasih odločajo sekunde ali celo desetinke in stotinke sekunde, bil bila lahko število koles na strehi moštvenega avtomobila in način njihovega vpetja že odločilna. Na svetovnem prvenstvu leta 2022 v Wollongongu v Avstraliji je bila razlika med zlato in srebrno medaljo le 2,95 sekunde, razlika med zlato in bronasto samo 9,16 sekunde. Moštveni avto z optimalno naloženimi kolesi na strehi in vožnja dovolj blizu kolesarja lahko prineseta aerodinamične prednosti, ki so lahko dovolj velike, da odločijo o zmagovalcu," so v sporočilu za javnost zapisali avtorji zanimive študije, ki želijo s projektom prispevati k pravičnejšemu in varnejšemu dirkanju. Izsledke so zato najprej posredovali na Mednarodno kolesarsko zvezo, šele nato pa so jih javno objavili.
Pred leti pomagal Rogliču, Jumbo-Visma še vedno stavi na simulacijo
Za Sportal je spregovoril tudi belgijski inženir Thierry Marchal, človek s 34 leti izkušenj v računalniški simulaciji ter direktor programa za šport in zdravstvo pri podjetju Ansys. Jasno je, da v kronometru največ štejejo sposobnosti kolesarjev samih, njihove noge torej, a v iskanju kar najmanjših prednosti v boju med izenačenimi šampioni, kot sta na letošnjem Touru Pogačar in Vingegaard, se ekipe lotevajo piljenja najmanjših podrobnosti.
"Sprejemanje je v poklicnem kolesarstvu še vedno počasno. Enako je bilo, ko so ekipe F1 začele sprejemati simulacije v zgodnjih 90. letih, le nekaj ekip na začetku. Danes nobena ekipa ne bi obstajala brez veliko modeliranja in simulacije," je dejal Thierry Marchal.
Čeprav kaže, da je lahko potisk podpornega avtomobila osupljivo velik, je to vendarle le manjši dejavnik v splošni sliki uspešnosti kronometra. Kaj je torej najpomembnejše z aerodinamičnega vidika? Je to drža tekmovalca na kolesu, oprema (čelada, aerodinamični dodatki, kot so bidoni, čevlji, nogavice ipd.), verjetno je pomembno tudi samo kolo (aerodinamični okvir, disk, gume ipd.)? Kako bi približno ocenili različne aerodinamične dejavnike v odstotkih?
Imate popolnoma prav, prejšnje študije so ocenile, da je 65 odstotkov upora (zračnega upora) posledica telesa (vključno s čelado, zaščitno obleko itd.), približno 30 odstotkov prihaja od kolesa in njegove opreme, le pet odstotkov pa od vozil okoli kolesarja.
Podrobno smo analizirali položaj kolesarja med spustom in položaj kolesarjev med ekipnim kronometrom, podatki pa so nam razkrili znatne dobitke in ti izsledki so bili široko uporabljeni. Veliko naših strank očitno uporablja simulacijo in naša programska orodja za izboljšanje samega kolesa, čelade, krmila itd. Vendar le malo ljudi gleda na vpliv spremljevalnih vozil, saj za ta namen na trgu ni produkta. Obstajajo le predpisi, zato v sodelovanju z akademskimi partnerji to raziskujemo, da bi zagotovili poštene dirke.
Čeprav je majhen, lahko ta aerodinamični vpliv zaradi okoliških vozil povzroči razliko. Nekaj sekund na 22 kilometrov dolgem kronometru se ne sliši veliko, a bi prav te lahko pomenile odločilno razliko. Profesionalne ekipe poskušajo izkoristiti vsako prednost in zmanjšanje upora za pet odstotkov je ogromno. Študije glede položaja športnikov in koles pa so bolj zaupne.
V preteklosti ste sodelovali z nizozemsko ekipo Jumbo-Visma, pred leti ste v vetrovniku preizkusili tudi lutko našega šampiona Primoža Rogliča. Ali to pomeni, da na letošnjem Touru vaše strokovne analize koristijo tudi Jonasu Vingegaardu, največjemu tekmecu našega Tadeja Pogačarja?
Ansys zagotavlja simulacijsko programsko opremo za več deset tisoč podjetij in akademskih skupin. Večino dela, opravljenega v kolesarstvu v neposrednem sodelovanju z Ansys, opravi naš akademski partner prof. Bert Blocken za belgijsko univerzo KU Leuven. Kot že omenjeno, so nekatere raziskave zaupne. Ne morem vam torej povedati, ali Bert Blocken letos sodeluje z ekipo Jumbo-Visma, lahko vam samo potrdim, da letos sam ne sodelujem neposredno z njimi. Toda Jumbo-Visma res močno verjame v vrednost, ki jo prinaša ta tehnologija modeliranja in simulacije, in je imela od nje veliko koristi v preteklosti in jih ima še danes.
Ne vem, ali tudi v UAE Emirates delajo z našimi orodji (vsaj neposredno z nami ne, morda pa prek nekaterih naših strank), popolnoma pa sem prepričan, da bi lahko tudi UAE in Tadej Pogačar s to tehnologijo veliko pridobila. To bi bila lahko lepa dopolnitev Tadejevega ogromnega talenta, saj bi bila škoda, če najbolj talentirani športniki ne bi zmagovali samo zato, ker imajo drugi tehnološko prednost. Morda sodelujejo z lokalnimi univerzami ali uporabljajo druga orodja, če jih zanima kaj več, pa bom zelo vesel klepeta z njimi.
Sicer objavimo večino naših rezultatov, da s tem zagotovimo, da se vsi, ki želijo izkoristiti te podatke in to znanje, zavedajo pomena te tehnologije, vendar pa v nasprotju s formulo 1 modeliranje in simulacija v kolesarstvu še nista zelo razširjena.
Zagotovo pa tudi druge kolesarske ekipe uporabljajo analize, kot je vaša.
Da, seveda, lahko omenim delo ekipe Groupama FDJ, saj so javno razpravljali o svojem delu z nami. Tudi Team Sky in INEOS obširno uporabljata CFD.
Na našo žalost ekipe, ki imajo velike koristi od simulacije, ne želijo vedno veliko razpravljati o svojem pristopu, saj ga imajo za konkurenčno prednost. Zato je sprejemanje CFD (Computational Fluid Dynamics: modeliranje zraka, vode ali toka, ki obdaja predmet) v poklicnem kolesarstvu še vedno počasno. Enako je bilo, ko so ekipe formule ena začele sprejemati simulacije v zgodnjih 90. letih, le nekaj ekip na začetku. Danes nobena ekipa ne bi obstajala brez veliko modeliranja in simulacije.
Kolesarstvo pa seveda ni primarna dejavnost Ansysa, naša orodja se izdatno uporabljajo v avtomobilski, letalski in medicinski industriji, pa pri proizvodnji elektronskih naprav, v jedrskih centralah … To nam pušča le malo časa, da bi proaktivno pristopili h kolesarskim ekipam, vendar smo vedno pripravljeni pomagati, če kdorkoli prosi za našo pomoč.
S katerimi športi se na svojem raziskovalnem področju največ ukvarjate? Kateri izzivi so najtežji in se vam zdijo še posebej zanimivi?
Rekel bi, da ima večina motornih in tudi preostalih športov veliko koristi od simulacije. Seveda dirkalni avtomobili že desetletja uporabljajo CFD, enako velja za motoristične dirke.
Morda bolj presenetljivo je, da jadranje veliko uporablja simulacijo, ekipe, ki tekmujejo v Pokalu Amerike, zlasti lanska zmagovalna ekipa Team NewZealand, z nami sodelujejo že skoraj 20 let.
Sodelovali smo tudi v plavanju pri oblikovanju kopalk. Morda se spomnite polemike o kopalkah Speedo, ki so bile celo predobre in so jih prepovedali.
Tudi pri oblikovanju smuči koristi simulacija (Rossignol uporablja ANSYS Discovery za oblikovanje smuči in koles), prav tako pri drsanju, kjer uporabljajo dognanja iz kolesarske aerodinamike za izboljšanje hitrostnega drsanja.
Simulacija je bila uporabljena tudi pri zasnovi nogometne čelade v ZDA za ligo NFL, pa pri snovanju zaščitne opreme v borilnih športih, v mešanih borilnih veščinah.
Kot lahko vidite, je edina omejitev pri uporabi več simulacij v športu pomanjkanje ljudi, ki bi bili pripravljeni v to vložiti nekaj časa. Povabil bi vse profesorje na univerzah ali študente in doktorande, ki bi se želeli ukvarjati s tem področjem, da stopijo v stik z mano. Šport je čudovita platforma za prikaz vrednosti simulacije, zato smo vedno zainteresirani za sodelovanje z odličnimi partnerji.
Na katerih področjih pa pridejo te analize dinamike tekočin najbolj do izraza? Kje so lahko ključni dejavnik? Predvidevam, da gre za bolj resna področja, kot je šport.
Prith Banerjee, tehnični direktor podjetja Ansys, je komentiral te nove rezultate takole: "Ekipa profesorja Berta Blockna je dokazala, da lahko programska oprema za simulacijo Ansys Fluent CFD zanesljivo zazna zmanjšanje upora že za vsega 0,15 odstotka. Ta natančnost pomaga kolesarjem na dirki Tour de France, da naredijo pomembno razliko v kronometrih. To je ista tehnologija, ki proizvajalcem avtomobilov in letal pomaga narediti spremembe, s katerimi zmanjšajo porabo goriva in naredijo svoja vozila prijaznejša do okolja."
Ko veste, da zmanjšanje upora letala za en odstotek ustreza prihranku 700 kilogramov goriva na enem dolgem poletu, razumete, da vsak proizvajalec letal, avtomobilov ali vlakov izvaja ogromno simulacij, da bi odkril vse majhne podrobnosti, ki bi lahko zmanjšale upor, torej porabo goriva, in s tem rešile planet. Modeliranje in simulacija bosta ključnega pomena za boj proti globalnemu segrevanju, CFD se v veliki meri uporablja tudi v zdravstveni industriji, kar je področje, ki ga vodim za Ansys, za razumevanje pretoka krvi v srcu in arterijah ali v dihalnem sistemu. To proizvajalcem medicinskih pripomočkov omogoča hitrejše oblikovanje novih produktov, pa tudi njihovo preizkušanje na virtualni populaciji. To je danes zelo vroča tema za popolno potrditev teh modelov CFD, da bi jih lahko uporabili tudi za testiranje in hitreje pridobili odobritev novih naprav.
Poleg tega so elektromagnetno modeliranje ali strukturne (trdne) simulacije pomembne za pospeševanje in razširitev inovacij.
