產品 人身部品 【空想科學實驗室】降低風阻 提昇效率

    【空想科學實驗室】降低風阻 提昇效率

    空氣力學安全帽解析


    環法計時賽選手都使用空氣力學安全帽


     

    安全帽造型除了帥氣的設計以外,我們還會注意到什麼呢?那就是各種不同的造型了,但這造型其實還牽涉到了很多不同的考量,現在就讓我們來看看一般安全帽跟所謂的計時帽,也就是空氣力學安全帽有什麼不同以及設計考量吧。

     

    輕量 透氣 安全

     

    一般安全帽主要有幾個設計重點:輕量、透氣、安全與外型,最終大部分會以我們現在看到的形式呈現。

     


    LAZER 公路車安全帽©LAZER

     


    Specialized 公路車安全帽 ©
    Specialized

     

    可以稍微看得出來,這兩種安全帽最大的不同就在於透氣孔的多寡與大小,再來比較細微一點也可以發現S-WORKS的設計中雖然少了一點透氣孔,但是流線的外型以及後緣設計,主要用意就是要提昇空力表現。而上面這款LAZER HELIUM則是以透氣、輕量為首要考量。

     

    在自行車界裡,很多讀者與車友其實都知道風阻所影響我們騎乘表現的程度有多大,但還是必須要知道,裝備所能夠提供的空氣力學效應必須在一定程度以上的風阻才會有顯著的效果;換句話說,就是你平常如果以山路或者中低速巡航(30km/h)的話,所享受到的低風阻特性是很低的,這也是為什麼安全帽主力產品還是以一般造型為主,空氣力學安全帽大概就只有鐵人三項賽事、計時賽、場地賽在使用了。

     

    低風阻 流線

     

    那為什麼空氣力學安全帽要設計成這樣呢?

     


    空氣力學安全帽 ©catlike


     

    還是回到我們先前提過的「形狀阻力」。

     



     

    延伸閱讀: 【空想科學實驗室】風阻篇

     

    最佳的流線造型就是類似AIRFoil的造型,例如上述幾款NACA系列,但是這個形狀怎麼應用在安全帽上呢?當然就是越接近越好。

     

    為了要能夠獲得最好的空氣力學效果,讓騎乘者在高速(假設40km/h)以上時得到較好的空氣力學效應,所以設計出了長出尖尖尾巴的安全帽,也是我們常在各大賽事中的計時站裡看見的整隊都戴上這種安全帽。但光是為了空氣力學效應難道除了接近AIRFoil形狀就沒有事情可以做了嗎?

     


    加入粗糙表面的空氣力學安全帽 ©LAZER

     


    尾端截短的空氣力學安全帽 ©Specialized


     

    上圖就可以很明顯可以看出兩種計時帽的變化,一個是增加表面粗糙度、另一個是尾端截短。

     

    雷諾數的變化

     

    LAZER的增加表面粗糙度,讀者們可以回想這個作法像什麼?沒錯!就是高爾夫球表面,或者比較接近車友一點,ZIPP 404的框體也是一樣。不平整的外表目的就是讓物體表面產生流,延緩邊界層分離的點,達到降低風阻的目的。

     

    另外一頂S-WORKS的空氣力學安全帽尾端截短的設計,目的在於減少材質使用達到輕量、稍微降低風阻使整體綜合性能下達到較佳的效果。另一方面,我們常看到空氣力學車款的管型(RIDLEY NOAH SL)設計,這又是另一種改善空氣阻力效果的設計。

     


    Ridley的管型設計 ©Ridley


     

    問題來了,一個是改變表面的粗糙度另一個是尾端截短,在安全帽上會有怎樣的效果存在?

     

     

    流體力學中,雷諾數(Reynolds number)是流體慣性力與黏性力比值的量度,它是一個無量綱量。

    雷諾數較小時,黏滯力對流場的影響大於慣性力,流場中流速的擾動會因黏滯力而衰減,流體流動穩定,為層流;反之,若雷諾數較大時,慣性力對流場的影響大於黏滯力,流體流動較不穩定,流速的微小變化容易發展、增強,形成紊亂、不規則的紊流流場。

    --取自維基百科

     

    先不看這非常艱深的定義,因為我們並不是在實驗室裡面騎車,戶外環境也就是迎面而來的風就是這所謂的流場,是不固定、沒有特定方向的,我們速度越快相對就會影響到雷諾數的變化。上圖中告訴我們的是在所有客觀條件都一致的情況下物體表面的粗糙程度就會影響空氣阻力表現。如同虛線的粗糙表面會讓低阻力效應提早發生,但是最終的空氣阻力效應會高於平滑表面的曲線;而利用輕量、減少表面積的做法也是提升整體性能的一種辦法。

     

    產品的空氣力學設計上,固定雷諾數,設計者會增加粗糙度或其他擾動能量,使流體從層流(laminar)到過渡流(transition)或紊流(turbulent)可有效降低阻力;但也有可能是改變物體的形狀使重量降低,達到綜合性能的提升,都有可能,這就讓設計者們來傷腦筋了。

     

    也由此可知,改變造型形狀或物體表面對於空氣阻力的整體效果會有顯著的提升,而可以決定最適合使用的情況。前面我們所假設的30km/h以及40km/h目的在說明相對於騎士來說環境所影響的程度而已。

     

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