อากาศพลศาสตร์ของการปั่นจักรยานเสือหมอบ

          ในปัจจุบันคนหันมาสนใจการรักษาสุขภาพกันมากขึ้น คนนิยมออกกำลังกาย การออกกำลังกายแบบคาร์ดิโอ (Cardio exercise ย่อมาจาก cardiovascular exercise หมายถึงการออกกำลังกายที่เน้นความแข็งแรงของหัวใจและระบบการหายใจให้สามารถนำออกซิเจนมาใช้ได้มากขึ้น) นอกจากการวิ่ง การว่ายน้ำแล้ว การปั่นจักรยานก็นับเป็นคาร์ดิโอแบบหนึ่งที่คนกำลังนิยมมาก เราจะเห็นคนปั่นจักรยานเสือหมอบกันมากขึ้น จักรยานเสือหมอบนั้นปรกติล้อและเฟรมของจักรยานมักทำมาจากวัสดุน้ำหนักเบาเช่นอลูมิเนียมหรือคาร์บอนไฟเบอร์เพื่อลดน้ำหนัก ลักษณะของท่าปั่นจะทำให้คนปั่นมีลักษณะหมอบต่ำและสร้างพื้นที่หน้าตัดน้อยที่สุดเพื่อลดแรงต้านจากอากาศ ซึ่งเรื่องนี้เกี่ยวข้องกับเรื่องอากาศพลศาสตร์


          อากาศพลศาสตร์ (Aerodynamics) คือวิชาที่ศึกษากลศาสตร์ที่เกี่ยวกับการเคลื่อนไหวของอากาศและแก๊สและผลของมัน เป็นวิชาที่เกี่ยวข้องกับกลศาสตร์ของไหล อากาศพลศาสตร์มีความสำคัญมากในปัจจุบันในทางวิศวกรรมสำหรับการออกแบบปีกของเครื่องบิน รถยนต์ ไปจนถึงจักรยาน ในปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรใช้อุโมงค์ลมและแบบจำลองทางคอมพิวเตอร์เพื่อวิเคราะห์แรงต้านอากาศของวัตถุต่างๆ 


          เมื่อเราปั่นจักรยานไป ถ้าวันไหนมีลมแรงวันนั้นเราจะต้องออกแรงปั่นมากขึ้น ยิ่งเราปั่นจักรยานเร็วขึ้น แรงต้านอากาศก็จะมากขึ้น สิ่งนี้ในทางฟิสิกส์เรียกว่าแรงต้านอากาศ หรือ drag มันคือแรงเสียดทานชนิดหนึ่งหมายถึงแรงที่กระทำในทิศทางตรงข้ามกับวัตถุที่เคลื่อนที่ใดๆที่ผ่านสิ่งแวดล้อมที่เป็นของไหล เช่นอากาศเป็นต้น ฉะนั้นการออกแบบรถยนต์ จักรยานยนต์ จักรยานเสือหมอบ วิศวกรต้องคำนึงถึงแรงต้านอากาศ เนื่องจากแรงที่เราปั่นจักรยานจะมีการสูญเสียในการถ่ายทอดกำลัง และส่วนที่เหลือจะถูกนำไปใช้ในแรงต้านการเคลื่อนที่ต่างๆคือ แรงต้านอากาศ แรงต้านการหมุนของล้อ และแรงต้านทางชัน ซึ่งสำหรับรถยนต์การลดแรงต่างๆเหล่านี้ได้จะช่วยประหยัดเชื้อเพลิง ส่วนในการแข่งขันการปั่นจักรยานเสือหมอบหรือการแข่งไตรกีฬาจะช่วยให้ผู้เข้าแข่งขันออกแรงน้อยลงและมีโอกาสได้ชัยชนะมากขึ้น


          โดยเราสามารถคำนวณแรงต้านอากาศ มีหน่วยเป็นนิวตัน (N) ได้จากสมการ

 

          โดยที่ \(F_D,P,V^2,C_D,A\) คือ แรงต้านอากาศ (N) ความหนาแน่นของอากาศ (kg/m³)  ความเร็วของลม (m/s) สัมประสิทธิ์ของแรงต้านอากาศ (N/m²) และพื้นที่หน้าตัด (m²) ตามลำดับ  การที่วิศวกรออกแบบรูปทรงของจักรยานรุ่นใหม่ๆ รูปทรงของเฟรมและลักษณะของล้อจะช่วยให้มันมีค่าสัมประสิทธิ์ของแรงต้านอากาศต่ำ และสุดท้ายคือพื้นที่หน้าตัดขณะที่นักปั่นก้มต่ำ ทำตัวลีบใส่ชุดปั่นที่รัดรูปและพื้นที่หน้าตัดที่เล็กของจักรยานเสื้อหมอบจะช่วยให้มีพื้นที่หน้าตัดน้อยลง ทั้งหมดนี้แม้จะช่วยให้นักปั่นได้เปรียบเล็กน้อยแต่เมื่อมีการปั่นในเส้นทางไกลๆ เช่น 60 กิโลเมตรขึ้นไปความได้เปรียบเล็กน้อยนี้จะสะสมและส่งผลอย่างมากในการแข่งขัน

            จากรูปแสดงแรงที่กระทำต่อนักปั่นและจักรยานเสือหมอบ V, P, D, G, R1, R2 คือทิศทางของลม แรงขับดันจักรยานของนักปั่น dragหรือแรงต้านอากาศ ความเร่งโน้มถ่วง แรงปฏิกิริยาของพื้นบริเวณล้อหลังและล้อหน้า ตามลำดับ จากรูปเราจะพบว่าแรงต้านอากาศเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อการปั่นจักรยาน ในจักรยานเสือหมอบสมัยใหม่ แบบจำลองทางคอมพิวเตอร์แสดงให้เห็นว่าการออกแบบจักรยานที่ถูกต้องสามารถลด drag ได้มากถึงร้อยละ 30


          สุดท้ายสำหรับคนที่ชอบออกกำลังกายจะพบว่าการปั่นจักรยานเสือหมอบนั้นทำให้เราออกแรงปั่นน้อยลงจากเหตุผลที่กล่าวมาทั้งหมด ซึ่งทำให้ปั่นได้สนุกขึ้น เหนื่อยน้อยลง และปั่นได้นานขึ้นซึ่งเป็นการออกกำลังกายแบบคาร์ดิโอที่สนุก สามารถช่วยลดน้ำหนักและทำให้สุขภาพแข็งแรง เป็นตัวเลือกที่น่าสนใจสำหรับผู้ต้องการลดน้ำหนักหรือต้องการดูแลสุขภาพ

 

อ้างอิง

• https://www.simscale.com/blog/2017/07/bike-aerodynamics/
• https://www.sheldonbrown.com/rinard/aero/formulas.html
• https://www.exploratorium.edu/cycling/aerodynamics1.html
• https://sites.google.com/site/designw07/raeng-ni-phun-xeiyng/drag-force
• https://www.pobpad.com/%E0%B8%84%E0%B8%B2%E0%B8%A3%E0%B9%8C%E0%B8%94%E0%B8%B4%E0%B9%82%E0%B8%AD-%E0%B8%81%E0%B8%B2%E0%B8%A3%E0%B8%AD%E0%B8%AD%E0%B8%81%E0%B8%81%E0%B8%B3%E0%B8%A5%E0%B8%B1%E0%B8%87%E0%B8%81%E0%B8%B2%E0%B8%A2