Bisiklette Hafiflik ve Aerodinamizm

Uzaktan yakından bisikletlerle ilgilenen biriyseniz, bisikletseverlerin ağırlık konusunda nasıl takıntılı olduğunu bilirsiniz. Her bisikletçi daha hafif bir bisiklete sahip olmak için çabalar. Hatta kimileri bisikletinin hafifliğine, ona binmekten çok zaman ayırır. Saatlerce nette dolaşıp hafifletebilecekleri bir şeyler arar. Mesela benim tanıdığım birkaç adam var; doğru düzgün bisiklete binmiyorlar, fazla kilolular, günde 2 paket sigara içiyorlar ama herhangi bir parçanın 50 gram hafifini gördükleri an hiç düşünmeden yüzlerce dolar verebiliyorlar.

Bisikletin hafif olmasının tabi ki büyük getirileri var ama hafif olmasından daha önemli faktörler olamaz mı? Ya da hafif olmasının getirisi ne? Bu yazıda kısaca bunları size göstermek istiyorum.

Bir bisikletçi giderken 3 farklı kuvvete karşı savaşır:

Dönme Direnişi

Kısaca, lastiğin — veya üzerinde gittiği yüzeyin — dönerken şeklinin bozulması sonucu ortaya çıkar. Lastik bisiklet ve sürücünün ağırlığı sonucu aşağıdaki gibi şeklini kaybeder ve daha sonra tekrar eski haline gelir. Lastiğin şeklini kaybetmesi için gereken enerji, onu eski haline getirmek için gereken enerjiden fazladır ve bu fazladan enerji ısı enerjisine dönüşür. Çelikten yapılmış bir tren tekerlerine göre lastikten yapılmış araba veya bisiklet lastikleri çok daha fazla dönme direnişine uğrar. Çünkü çelik çok az esner ve hemen eski haline gelir. Oysa lastik daha fazla esner ve daha yavaş eski haline gelir.

Dönme direnişi lastik içinde hava basıncına, lastiğin yapısına, yapıldığı maddeye ve kalınlığına göre değişir. Kalın lastik, aynı basınçtaki ince lastiğe göre daha az dönme direnişi yaşar. Çünkü her iki lastikte aynı ağırlık altında yerle eşit kontakt alanına sahiptir. Kalın olan lastiğin alanı daha kısa ve geniş, ince lastiğin ise daha uzun ve dar olur. O yüzden ince lastik daha çok şekil kaybına uğrar. Lastiğin hava basıncı yükseldikçe dönme direnişi, yol tutuşu ve konforu azalır. Asfalt yolda dişsiz lastiğin, dişli lastiğe göre hem yol tutuşu fazladır, hem de dönme direnişi daha az olur.

Sürtünme kuvvetini bulmak için

f=(mb+ms+mt)*c*g
f=kuvvet
mb=Bisikletin ağırlığı
ms=Sürücünün ağırlığı
mt=Ön ve arka tekerlerin toplam ağırlığı
g=Yerçekimi Kuvveti (9,807 m/s^2)
c= Dönme direnişi katsayısı

Bu katsayısı lastiğe ve yolun durumuna göre değişir.  Asfalt üzerinde yaklaşık 0,004 katsayısını kullanın. Ağırlıklara bisikletin ve sürücünün ağırlığına ek olarak tekerleri de ekliyoruz çünkü onlar hem ileri doğru hareket ediyor hem de kendi eksenleri etrafında dönüyor ve döngüsel kinetik enerjiye sahipler.

Örneğin 70 kiloluk bir sürücü, 10 kiloluk bir bisiklete binerse ve bisikletin tekerlerinin toplam ağırlığı 3 kiloysa dönme direnişi f=(70+10+3)*9,807*0,004=3,25 Newton olur.  Bu kuvveti ne kadar yüksek hızda üretirseniz o kadar çok güç üretmiş olursunuz. Mesela dönme direnişine karşı gelmek için 2 m/s hızla giderken 3,25*2=6,5 Watt ve 10 m/s hızla giderken 3,25*10=32,5 Watt güç üretmeniz gerekir.

Hava Direnişi

Havanın bisiklete ve sürücüye gösterdiği dirençtir ve iki farklı şekildedir:

Birincisi, havanın hareket eden cismin ön yüzeyine çarpmasıyla ortaya  çıkan kuvvet. Cisim, hareket ederken havayı (aynen suda yaptığımız gibi) itmesi gerekir. Hava buna belli bir direniş gösterir. Hız ne kadar yüksekse hava moleküllerine o kadar hızlı çarpar ve kuvvet o kadar fazla olur. Havayla sürtünme sonucu ortaya çıkan bu kuvveti azaltmak için bisikletçi ön alanını azaltmalıdır.

İkincisi ve daha kuvvetli olanı ise basınç sonucunda ortaya çıkar. Bisiklet sürücüsü havayı yardığı an hava ikiye ayrılır ve bisikletçinin arkasında bir türbülans oluşturur. Böylece bisikletçinin önünde daha yoğun olan havanın basıncı, arkasındaki daha az yoğunluktaki havadan yüksek olur ve bu bisiklet sürücüsünü geriye doğru iter. Uçaklar da aynen bu prensiple çalışır. Bu direnişi azaltmak için  cismin daha aerodinamik bir yapıda olması, yani havayı kolayca yarıp, havanın düzgün bir şekilde her iki yanından uzaklaşmasını sağlayacak bir yapıda olması gerekir. Drag katsayısıı cismin ne kadar aerodinamik olduğunu ifade eder. Silindir şeklinde tüplerden, keskin kenarlı cisimlerden (aynakol, pedal, gidon vs) yapılan bisikletler fazla aerodinamik sayılmaz. Kalın lastikler, ince lastiklere göre daha çok hava direnişi yaratır. Bu arada jantın kalınlığının lastiğin kalınlığına oranı da önemli. Jant ne kadar inceyse, lastik de o kadar ince olmalı ve türbülans yaratmamalı. Bisiklet sürücülerinin bacak kıllarını aldırması da geleneksel olmanın yanı sıra size aerodinamik avantaj sağlayacaktır.

Dairesel silindir havayı ikiye ayırır ve bu, silindirin arkasında düşük basınçlı bir türbülans yaratır. Ön ve arka arasındaki basınç farkı yüksek draga neden olur. Cd=1,2	Keskin köşeli cisimler silindirlere göre çok daha kötüdür. Bu cismin köşelerine yüksekliğin 0,2 katı bir daire koyarak drag 2,0’dan 1,3’e indirilebilir.

Hava yukarıdaki kanat yapısı etrafında akıcı bir şekilde hareket eder. Türbülans oluşmaz. Bu cisim havada hareket etmek için silindire göre 10, kutuya göre 20 kat daha az enerji harcar. Cismin uzunluğu kalınlığıyla doğru orantılı olur. Cd=0,1-	Soldaki cismin kuyruğu kesilirse arkada türbülans oluşur ve drag artar. Cd=0,3

Düşük hızlarda bisikletçinin yenmesi gereken en önemli kuvvet dönme direnişi olsa da belli bir hızdan sonra hava direnişi onun yerini alır. Öyle ki hava direnişini 10 gram azaltmak — 48 km hızda 12 santimlik bir kalemi dikine tuttuğunuz zaman ortaya çıkan kuvvet — 1 kg ağırlığı azaltmaya bedel. Hava direnişini etkileyen faktörler havanın yoğunluğu, bisiklet ve kullanıcının ön alanı ve aerodinamik yapısıdır. Bisikletle giderken ayağa kalkarsanız ön alanınız ve bununla beraber hava direnişi de artar. Eğer gidona eğilip uzanırsanız ön alanınızı azaltırsınız ve böylece hava direnişi azalır. Bisikletin fren ve vites kabloları hava direnişini rahatlıkla 10 gramdan fazla artırabilir. Kablolar gidonların ve kadronun içinde olmalı. Hava direnişi aynı şekilde, havanın daha kolay akıp gitmesini sağlayacak yapıdaki şekillerle de azaltılır. Sürüş sırasında hava direnişinin %25’inden bisiklet, geriye kalanından sürücü sorumlu olur.

10 kiloluk bisiklet üstünde 70 kiloluk bir sürücünün mücadele etmesi gereken kuvvetler:

Hız	Hava Direnişi	Dönme Direnişi
5 km/s	0, 41 Watt	4,47 Watt
10 km/s	3,28 Watt	8,94 Watt
15 km/s	11,09 Watt	13,40 Watt
20 km/s	26,28 Watt	17,87 Watt
25 km/s	51,32 Watt	22,34 Watt
30 km/s	88,69 Watt	26,81 Watt
35 km/s	140,83 Watt	31,27 Watt
40 km/s	210,22 Watt	35,74 Watt

Hava direnişini bulmak için:

F=(A*C*p*v^2)/2
A=Bisiklet ve sürücünün toplam ön alanı. Sıradan bir bisiklette bu alan 0,3 ve 0,6 arasında değişir.
C= Drag Katsayısı, 0,3 ve 0,6 arasında değişiyor.
p=Havanın yoğunluğu. Yükselik arttıkça hava yoğunluğu azalıyor. Deniz seviyesinde 1,226
v^2=Hızın karesi. Bisikletin hızının ve eğer karşı istikametten rüzgar geliyorsa ikisinin toplamının karesi

Ön alanı 0,5 m2 ve drag katsayısı 0,5 olan 10 m/s hızla giden bir bisikletin maruz kaldığı hava direnişi: f=(0,5*0,5*1,226*10^2)/=15,3 Newton ve bu hızda bu kuvvete karşı koyabilmek için üretmesi gereken güç: 15,3*10=153 Watt

Yerçekimi

Düz yolda bisikletin ağırlığı lastiklerin daha çok deforme olmasına neden olur ve böylece dönme direnişi artırır. Ama ne var ki daha önce belirttiğim gibi, hava direnişi dönme direnişinden çok daha büyük olur (yüksek hızlarda). Yerçekimi asıl gücünü yokuşlarda gösterir ve bisikletçinin mücadele etmesi gereken en önemli kuvvet haline gelir. Yokuşun derecesi arttıkça yerçekiminin uyguladığı kuvvet de artar.

%8 eğimli bir yokuş, her 100 metrede 8 metre yükselen yokuş anlamına gelir. 2000 metre uzunluğunda %8 eğimli bir yokuşu çıkmak isteyen 10 kg bisiklete binen 70 kiloluk sürücü w=m*g*h yani w=80*9,807*8=125529,6 Joule iş yapmış olur. Güç ise bildiğiniz gibi işi yapma oranıdır. Yani işin ne kadar zamanda yapıldığı. Eğer bisiklet sürücüsü 5 dakikada bu yokuşu çıkmak istiyorsa p=w/t yani p=6276,48/20=418,4 Watt güç üretmek zorundadır. Bu sadece yerçekimi kuvvetine karşı koymak için gerekli olan güç. Dönme ve hava direnişlerini hesaba katmıyoruz.

Kısaca yerçekimi kuvvetini bulmak için:

f=m*g*s
f=kuvvet
m=bisiklet+sürücü+ön ve arka tekerin toplam ağırlığı
s= Eğimin derecesi (%8’lik eğim için 0,08)
f=82*9,807*0,08=64,3 Newton

Eylemsizlik Kuvveti

Newton’un 300 yıl önce ortaya attığı “Hareketin Korunumu Kanunu’na göre bir cismin hızını azaltmak veya çoğaltmak için ona kuvvet uygulamak gerekir; yoksa cisim aynı hızda ve aynı yönde yoluna devam eder. Duran bir bisikleti harekete geçirmek için, ya da hareket eden bir bisikleti durdurmak veya hızlandırmak için kuvvet uygulamanız gerekir.

Belirli bir hızla giderken mücadele etmeniz gereken sadece dönme direnişi ve hava direnişi. Eğer bu iki faktör olmasa bisikleti belli bir hıza çıkarırdınız ve pedal çevirmeden yolunuza devam edebilirdiniz. Sabit hızda giderken hızınızı artırmak için bu iki faktöre ilaveten eylemsizlik kuvvetine de karşı koymanız gerekir.

F=m*a
F=kuvvet
m=bisiklet+sürücü
a=ivme.

İvmeyi bulmanız için yapmanız gereken son hızdan ilk hızı çıkarmak ve bunu zamana bölmek. Bisiklet 10 metre saniye hızdan 20 metre saniye hıza 5 saniye çıkıyorsa ivme de (20-10)/5=2 m/s^2 olacaktır. Toplam ağırlığı 80 kg olan bisiklete bu ivmelendirmeyi yaptırmak için f=80*2=160 Newton kuvvet gerekecektir. Buna ek olarak bisikleti hızlandırmanız gerektiği gibi, aynı zamanda bisikletin tekerlerinin dönme hızını artırmak için de ayrı bir kuvvet harcamanız gerekiyor. Buna tekerin eylemsizliği deniyor. Ama fazla matematiğe kaçmamak için bunu yok sayıyorum.

***

Peki hafif bisikletin bize getirisi ne? Yani eğer bisikletimiz 1 kg daha hafif olursa ne kazanırız? İsterseniz bunu hesaplayalım.

1. Sürücü (70 kg)
Bisiklet 10 kg
Ön Teker : 800 gr.
Arka Teker: 1000 gr.

2. Sürücü (70 kg)
Bisiklet 11 kg
Ön Teker: 800 gr.
Arka Teker: 1000 gr.

Her iki sürücünün de ortalama 300 Watt güç ürettiğini varsayalım. Bu iki bisiklet %5 eğimli 1000 metrelik bir yokuşu çıkmaya başladılar. Aradaki fark ne kadar olur?

Önce bisikletçilerin mücadele etmesi gereken sürtünme kuvvetini bulalım:
1) f=(70+10+0,8+1)*0,004*9,807=3,2 Newton
2) f=(70+11+0,8+1)*0,004*9,807=3,24 Netwon

Şimdi sıra yokuş yüzünden ortaya çıkan yerçekimde
1) f=(70+10+0,8+1)*0,05*9,807=40,11 Newton
2) f=(70+11+0,8+1)*0,05*9,807=40,6 Newton

Toplam kuvvet
43,31 Newton
43,84 Newton

Şimdi hava direnişini ve hızı bulmamız lazım. Ama sorun şu ki hava direnişi olmadan hızı ve hız olmadan da hava direnişini bulamıyoruz. Bunun için şöyle bir denklem kullanmamız gerekecek.

Hava Direnişi=(Alan*Katsayı*Hava Yoğunluğu*Hızın Karesi)/2
Hava Direnişi=(0,5*0,5*1,226*x^2)/2
Hava Direnişi=0,15325*x^2

1. Bisiklet için
Güç=(Sürtünme+yerçekimi+havadirenişi)*Hız
300=(43,31+0,15325*x^2)*x
x=6,117 metre saniye

2. Bisiklet için
300=(43,84+0,15325*x^2)*x
x=6,064 metre saniye

Yani iki bisiklet arasında çok çok az bir hız farkı var. Bu iki bisiklet yarışsa 1. bisiklet sadece 1.42 saniye farkla diğerini geçebilecek. Bu sıradan bir kullanıcı için önemsiz gibi gözükebilir. Ama profesyonel bir yarışçı için oldukça önemli sayılabilecek bir rakam. Ama bildiğiniz bisikletin fiyatları kilo arttıkça katlanarak artıyor. 12 kiloluk bir bisikleti 2 milyar alabilirken, 9,5 kiloluk bisikletler 7-8 milyara alıcı buluyor. O yüzden bisikleti sadece zevk için kullanacaksanız, veya ulaşım amaçlı kullanacaksanız, bisikletin kilosuna fazla takılmanıza gerek yok. Unutmayın ki parçalar hafifledikçe dayanıklılıları da azalıyor. Bu tür parçalar kısa dönemler için, yani sponsorları sayesinde kolaylıkla onları alabilen yarışçılar için yapılıyor. Onlar bu parçaları senelerce kullanmıyor. Bazı parçalar hafif olmasına rağmen daha esnek oluyor ve bu da enerji kaybına neden oluyor.

Tekerlerdeki ağırlığı azaltmak, bisiklet veya sürücünün ağırlığını azaltmaya oranla sanılanın aksine çok çok az bir fark yaratıyor. En büyük fark bisikletin aerodinamiğinde. Kraig Willet adlı bir matematikçi bir model yapıp tekerlerin ve aerodinamizmin performans üstündeki etkilerini hesaplamış:

	Düz yol (Ortalama Güç Watt)	Yokuş (Ortalama Güç Watt)
Normal Bisiklet	193,66	237,2
%50 daha az ön teker ağırlığı	193,38 (%0,14 azalma)	236,3 (%0,38 azalma)
%50 daha az arka teker ağırlığı	193,3 (%0,19 azalma)	236,1 (%0,46 azalma)
%50 daha ön teker eylemsizliği	193,63 (%0,015 azalma)	237,19 (%0,004 azalma)
%50 daha az arka teker e.sizliği	193,62 (%0,020 azalma)	237,18 (%0,008 azalma)
%50 daha az ön teker dragı	190,09 (%1,8 azalma)	234,7 (%1,1 azalma)
%50 daha az arka teker dragı	192,49 (%0,6 azalma)	235,3 (%0,8 azalma)
4,5 kg daha az sürücü ağırlığı	190,2 (%1,8 azalma)	229,5 (%3,2 azalma)
%50 daha az sürücü dragı	143,4 (%26 azalma)	204,3 (%13,9 azalma)
%50 daha az kadro dragı	186,4 (%3,7 azalma)	232,1 (%2,2 azalma)
%50 daha az dönme direnişi	174,8 (%9,7 azalma)	225,5 (%4,9 azalma)

Gördüğünüz gibi sürücünün mücadele etmesi gereken en önemli kuvvet kendisine karşı gelen hava direnişi. Sürücü ürettiği gücün %60’ını kendisine, %8’ini tekerleklere, %8’ini kadroya karşı gelen hava direnişine; %12’sini dönme direnişine; %0,5’i tekerlerin eylemsizliğine ve %8’ini de sürücü+bisikletin eylemsizliğine harcamak zorunda. Tekerlerin eylemsizliği çok önemsiz çünkü eylemsizlik sadece hızlanmalarda etkisini gösteriyor ama bu bile sizin ve bisikletin ağırlığının yanında çok ufak bir önem arz ediyor. Tekerin performansında en önemli etken aerodinamiği ve sonra 10 kat daha önemsiz olan ağırlığı ve son olarak 100 kat daha önemsiz olan eylemsizliği.

Bisiklet endüstirisi senelerce uğraşıp gerçekten başarılı ve çok hafif ürünler ortaya çıkarabildi. Ama artık dikkat daha aerodinamik bisikletler üretmeye doğru kayıyor.