Votre question est simple mais une réponse complète est complexe. La réponse la plus simple consiste à pointer la partie 2 (en particulier le chapitre 4) de Wilson et Papadopoulos (2004) , ou la récente revue de Debraux et al. (2011) , ou l'article de Martin et al. (1998) . Cependant, même ces articles ne couvrent pas les approches qui tirent un meilleur parti des données disponibles des ordinateurs de vélo et des unités GPS modernes. Quelques informations sur l'équation puissance-traînée vous aideront à comprendre pourquoi il existe tant de façons différentes (avec des niveaux de précision, de précision, de difficulté et de coût différents) d'estimer la traînée.
L'équation pour convertir la vitesse en puissance est bien comprise. La puissance totale demandée comprend quatre parties:
Total power = power needed to overcome rolling resistance +
power needed to overcome aerodynamic resistance +
power needed to overcome changes in speed (kinetic energy) +
power needed to overcome changes in elevation (potential energy)
Parmi ceux-ci, la pièce la plus simple est la puissance nécessaire pour surmonter les changements d'élévation. La puissance nécessaire pour tenir compte du changement d'énergie potentielle et pour surmonter les changements de vitesse est simple:
watts(PE) = slope * speed in meters/sec * total mass * 9.8 m/sec^2
watts(KE) = total mass * speed in meters/sec * acceleration
Il y a une petite partie du composant KE en raison du moment d'inertie dans les roues, mais pour les vélos qui ont tendance à être petits et nous l'ignorons souvent. Cependant, les équations nécessaires pour décrire la résistance au roulement et la résistance aérodynamique sont un peu plus compliquées. L'article de Martin et al., Cité ci-dessus, donne plus de détails mais si l'on peut ignorer le vent alors la composante aérodynamique se simplifie pour
watts(aero) = 0.5 * rho * CdA * (speed in m/s)^3
où rho est la densité de l'air en kg / m ^ 3 et CdA est la zone de traînée ("A" est la zone frontale et "Cd" est le coefficient de traînée; CdA est leur produit et peut être considéré comme "l'équivalent" surface d'un cube maintenue perpendiculaire à la direction du vent avec une face de la zone A).
Enfin, la puissance nécessaire pour surmonter la résistance au roulement (qui comprend les pneus, les chambres à air et la friction des roulements) est
watts(RR) = Crr * total mass * 9.8 m/sec^2 * speed in m/s
Crr est le coefficient de résistance au roulement.
Maintenant, si vous allez sur une calculatrice en ligne comme celle sur Analyticcycling.com, vous verrez que vous devez fournir des valeurs pour rho, Crr, Cd et A; puis, étant donné une valeur particulière de vitesse et de pente, il calculera la puissance. Il est facile de trouver des calculs en ligne pour la densité de l'air, rho, mais beaucoup plus difficile de trouver des estimations de Crr et CdA (ou séparément, Cd et A).
Le moyen le plus simple (mais le plus cher) d'estimer le CdA est dans une soufflerie. Là, un objet est monté sur une échelle (en gros, une échelle de salle de bain très précise et précise), le vent à une vitesse connue est appliqué, la densité de l'air est mesurée et la force totale sur l'objet est mesurée par l'échelle. Les watts sont la force (en newtons) * la vitesse (en mètres / sec) donc la force (en newtons) = watts / vitesse de l'air = 0,5 * rho * CdA * (vitesse ^ 2). L'opérateur du tunnel connaît le rho, connaît la vitesse et la balance de salle de bain coûteuse mesure la force pour que vous puissiez calculer le CdA. Les estimations de CdA en soufflerie sont considérées comme l'étalon-or: lorsqu'elles sont effectuées dans une bonne soufflerie avec des opérateurs expérimentés, les mesures sont précises et reproductibles. En pratique, si vous voulez connaître le Cd séparément, vous ' d mesurer la zone frontale A avec un appareil photo numérique et la comparer à une photographie numérique d'un objet (comme un carré plat) de zone connue. En passant, il y a près de 100 ans, Dubois et Dubois ont mesuré la zone frontale en prenant des photos d'une personne et d'un objet de référence, en découpant les photos le long des contours de l'objet, puis en pesant les découpes sur des échelles sensibles.
Cependant, la résistance des pneus, des chambres à air ou des roulements n'est pas affectée par la vitesse de l'air, donc on ne peut pas estimer le Crr à partir des données de soufflerie. Les fabricants de pneus ont mesuré la résistance au roulement de leurs pneus sur de grands tambours rotatifs, mais ils ne peuvent pas mesurer la traînée aérodynamique. Afin de mesurer à la fois le Crr et le CdA, vous devez trouver une méthode qui mesure les deux et vous permet de différencier les deux. Ces méthodes sont des méthodes d'estimation indirecte sur le terrain et elles varient beaucoup dans leur exactitude et leur précision.
Jusqu'à une vingtaine d'années, la méthode indirecte la plus courante sur le terrain était de descendre une colline de pente connue et de mesurer soit la vitesse maximale (également connue sous le nom de vitesse terminale), soit la vitesse lors du passage d'un point fixe sur la colline. La vitesse terminale ne vous permet pas de faire la différence entre Crr et CdA; cependant, si l'on mesurait la vitesse à un point donné et que l'on pouvait contrôler la vitesse "d'entrée" au sommet de la colline, on pouvait alors tester à différentes vitesses d'entrée et obtenir suffisamment d'équations à résoudre pour les deux inconnues, Crr et CdA. Comme vous vous en doutez, cette méthode était fastidieuse et peu précise. Néanmoins, de nombreuses alternatives ingénieuses ont été explorées, notamment le long des couloirs sans vent ou à l'intérieur de grands hangars d'avion, et la mesure de la vitesse avec une précision relativement élevée en utilisant des «yeux électriques» ou des bandes de chronométrage.
Avec l'avènement des wattmètres sur vélo, de nouvelles opportunités sont apparues pour mesurer la traînée aérodynamique et de roulement. En bref, si vous pouviez trouver une route plate à l'abri du vent, vous rouleriez à vitesse ou puissance constante sur la route; puis, répétez à une vitesse ou une puissance différente. L'exigence de «plat et à l'abri du vent à vitesse constante» signifiait que vous pouviez ignorer les composants de puissance PE et KE et n'aviez à gérer que la résistance au roulement et les composants aérodynamiques, de sorte que l'équation de puissance globale se simplifie pour
Watts = Crr * kg * g * v + 0.5 * rho * CdA * v^3; or
Watts/v = Crr * kg * g + 0.5 * rho * CdA * v^2
où g est l'accélération due à la gravité, 9,8 m / sec ^ 2.
Cette dernière formule peut être facilement estimée par régression linéaire où la pente de l'équation est liée à CdA et l'ordonnée à l'origine est liée à Crr. C'est ce que Martin et al. fait; ils ont utilisé une piste d'avion, ont fait la moyenne des parcours dans les deux directions et ont mesuré la pression barométrique, la température et l'humidité pour calculer le rho, et ont mesuré et corrigé la vitesse et la direction du vent. Ils ont constaté que le CdA estimé par cette méthode convenait à moins de 1% du CdA mesuré dans les souffleries.
Cependant, cette méthode nécessite que la route soit plate et que la vitesse (ou la puissance) soit constante sur toute la durée de l'essai.
Une nouvelle méthode d'estimation du CdA et du Crr a été mise au point qui exploite la capacité d'enregistrement de nombreux ordinateurs de vélo et compteurs de puissance de vélo modernes. Si l'on dispose d'un enregistrement instantané de la vitesse (et éventuellement de la puissance), vous pouvez mesurer directement les changements de vitesse afin que la composante KE de la puissance puisse être estimée. De plus, si vous roulez en boucle, la route n'a pas besoin d'être plate, car vous savez qu'au retour au point de départ de la boucle, le changement d'élévation net sera nul, donc la composante nette PE sera nulle. Cette méthode peut être et a été appliquée à la descente en côte de collines dont le dénivelé net est connu (c'est-à-dire que vous n'avez pas besoin d'avoir une pente constante, et si la côte est connue, la puissance est nulle). Des exemples de cette approche peuvent être trouvés ici et iciet, lorsqu'ils sont exécutés avec soin, il a été démontré qu'ils sont en accord avec les estimations de CdA en soufflerie bien en deçà de 1%. Une courte présentation vidéo sur la méthode peut être trouvée à partir de la marque 28:00 ici . Une courte vidéo de la méthode utilisée sur un vélodrome est disponible ici