La carenatura parziale o integrale che caratterizza tutti i velomobili, svolge molteplici funzioni: mantiene una temperatura gradevole durante l’inverno, consentendo di pedalare in pantaloncini e maniche corte tutto l’anno; protegge dagli agenti atmosferici, permettendo di pedalare comodamente anche in caso di pioggia o neve; agisce come un guscio protettivo in caso di incidenti; garantisce una penetrazione aerodinamica che permette di raggiungere velocità impossibili per qualsiasi altra bicicletta. Per misurare il rendimento aerodinamico del velomobile WAW, abbiamo condotto alcuni test su strada che si sono svolti tra il 14 ed il 17 Agosto 2016.
Gli strumenti utilizzati sono un powermeter PowerTap SL+ alloggiato nel mozzo della ruota posteriore, ed un GPS Garmin 500. La ruota posteriore standard diametro 26” è stata sostituita per l’occasione con una ruota diametro 28” con cerchio in carbonio profilo 40 mm, e tubolare Continental Competition 700×25 mm, gonfiato alla pressione di 10 bar. La coppia di ruote anteriori è composta da cerchi in alluminio diametro 20” con coperture Schwalbe Kojak 20×1.35 mm, gonfiati alla pressione di 5 bar. I test sono stati eseguiti da un ciclista di 65 kg di peso, abituato a pedalare su recumbent. Le prove sono state condotte lungo un tratto rettilineo di strada della lunghezza di 10 km circa, percorso in entrambe i sensi di marcia, per eliminare possibili interferenze causate dal vento, mantenendo una velocità costante di circa 40 km/h. I valori istantanei di velocità e potenza sono stati registrati ogni secondo, per un periodo di tempo compreso tra 14 e 38 minuti.
Il WAW è caratterizzato dalla possibilità di montare diversi elementi (aero tail, covers, race cap) che possono essere aggiunti per migliorarne l’efficienza aerodinamica. Per individuare il contributo aerodinamico di ciascuno di questi elementi, abbiamo condotto quattro diversi test nell’arco di tre giornate. Nel corso del primo test il WAW è stato allestito con front wheel covers, senza aero tail, senza foot hole cover e senza race cap. La velocità media registrata è di 40,2 Km/h e la potenza media misurata 149,2 Watt. Nel corso del secondo test il WAW è stato allestito con front wheel covers e aero tail, senza foot hole covers e senza race cap. La velocità media registrata è di 40,3 Km/h, la potenza media 132,6 Watt. Per il terzo test il WAW è stato allestito con front wheel covers, aero tail, foot hole covers e senza race cap. La velocità media registrata è 40,4 km/h, la potenza media 120,5 Watt. Per il quarto ed ultimo test, il WAW è stato allestito con front wheel covers, aero tail, foot hole covers e race cap con parabrezza completamente chiuso. La velocità media registrata è 41,7 km/h, la potenza media 116,8 Watt.
La potenza necessaria per vincere gli attriti di rotolamento dovuti al contatto delle tre coperture con la strada è calcolata come il prodotto della massa complessiva del veicolo più il pilota (30+65 kg), per il coefficiente di attrito (Crr 0,00537) misurato per le coperture Schwalbe Kojak, per l’accelerazione gravitazionale (g 9,81 m/s2), per la velocità (V) espressa in metri al secondo.
Prr = M g Crr V
La potenza necessaria per vincere la resistenza aerodinamica (Pa) è proporzionale al prodotto della densità dell’aria (r) moltiplicata per il coefficiente di forma (Cd) per l’area frontale (A) per la velocità (V) elevata alla terza potenza.
Pa = 0,5 r Cd A V3
CdA = Pa / 0,5 r V3
Abbiamo assunto per tutti i test un valore uniforme della densità dell’aria pari a 1,164 kg/m3 corrispondente alla temperatura di 28° C con umidità relativa 50% e pressione di 1013,25 mbar.
Se ipotizziamo che gli attriti meccanici dovuti alla trasmissione siano trascurabili, possiamo assimilare la potenza meccanica misurata dal powermeter come la potenza necessaria per vincere la resistenza aerodinamica e gli attriti di rotolamento. Questa approssimazione ci permette di calcolare l’efficienza aerodinamica del WAW. I valori CdA medi, calcolati per le quattro prove sono riportati nella tabella seguente.
| Front Wheel Covers |
√ |
√ | √ |
√ |
| Aero Tail |
√ |
√ |
√ |
|
| Foot Hole Cover |
√ |
√ | ||
| Race Cap |
√ |
|||
| Velocità (km/h) |
40,2 |
40,3 | 40,4 |
41,7 |
| Potenza tot (Watt) |
149,2+/-2,2 |
132,6+/-2,0 | 120,5 +/- 1,8 |
116,8 +/- 1,8 |
| Pa (Watt) |
93,3 +/-1,4 |
76,5+/- 1,3 | 64,4+/-1,0 |
58,8+/-0,9 |
| CdA |
0,116 |
0,094 | 0,079 | 0,065 |
Una volta noti i valori CdA è possibile ricavare la potenza totale necessaria per spingere il WAW a qualsiasi velocità, nelle quattro diverse configurazioni. Il grafico velocità-potenza calcolato per velocità comprese tra 0 e 100 km/h, mostra che il WAW nella configurazione più performante raggiunge la velocità di 30 km/h con 64 Watt. Sono necessari solo 22 Watt (34%) per vincere la resistenza aerodinamica a 30 km/h, mentre sono richiesti 42 Watt (66%) per vincere l’attrito di rotolamento. Alla velocità di 40 km/h la potenza complessiva è di 108 Watt, la resistenza aerodinamica (52 Watt, 48%) equivale all’attrito di rotolamento (56 Watt, 52%). La resistenza aerodinamica alla velocità di 50 km/h (102 Watt, 59%) supera l’attrito di rotolamento (70 Watt, 41%), mentre la potenza complessiva richiesta nella configurazione più performante è di 171 Watt. Alla velocità di 60 km/h la potenza complessiva è pari a 259 Watt, pari alla somma di 176 Watt (68%) corrispondenti alla resistenza aerodinamica e 83 Watt (32%) corrispondenti all’attrito di rotolamento.
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