Tein kuluttajajuttua sähköavusteisesta polkupyörästä ja pääsin siinä samalla pohtimaan polkupyöräilyn fysiikkaa.

Lainsäädäntöhän sanoo sähköavusteisista pyöristä, että niiden maksimiavustusteho saa olla 250 wattia, avustuksen pitää kytkeytyä päältä 25 kilometrin tuntivauhdissa ja moottori saa avustaa vain silloin kun pyörää myös poljetaan. Jos nämä ehdot täyttyvät, sähköavusteinen pyörä rinnastetaan muihin polkupyöriin eli sillä saa ajaa missä pyörilläkin saa, mitään rekisteröintejä mopona ei tarvitse tehdä, ja varmaan baaristakin saa tulla kotiin samoilla säännöillä kuin tavallisella pyörällä (moottoriajoneuvolla ajo on kielletty jos on puoli promillea, tankojuoppoudessa krtiteerinä on muille aiheutettu vaara).

Kävin testipyörällä Hämeenlinnassa ja tulin samana päivänä takaisin. Mennessä oli myötätuulta, illalla tuuli oli suunnilleen sama 4-7 metriä vastaan. Eli kaikilla tavanomaisilla mittapuilla hyvin keskiverto tuuli. Säätiedotuksissa tuollaista tuulta luonnehditaan adjektiivilla kohtalainen. Merellä tuollainen tuuli kyllä kuljettaa purjevenettä, eikä aiheuta pahempaa aallokkoa, mutta matkanteko voi olla hidasta. Purjeita ei reivata, vaan pikemminkin yritetään saada niistä kaikki irti mahdollisimman isoilla keulapurjeilla.

Kulutus nousi huomattavasti. Menomatkalla riitti noin 2,5 wattituntia kilometriä kohden, paluumatkalla - johon sentään kuului jonkin verran alamäkeä - avustusta kului 3,5 wattituntia kilometriä kohden. Kaiken kaikkiaan tietysti naurettavan vähän, ottaen huomioon että keskinopeus oli varmaankin kymmeniä prosentteja avustamatonta parempi, eikä parinsadan kilometrin retki tuntunut seuraavana aamuna jaloissa miltään. Sadalla kilometrillä apusähkö maksoi siis suomalaisen kotitalousähkön keskihinnan mukaan laskettuna noin viisi senttiä.

Matkavauhtina oli noin 25 kilometriä tunnissa. Ajatuksena oli, että ylämäissä ja vastatuulessa siitä jää hieman, ja alamäissä sitten voi lasketella yli 30 kilometriä tunnissa. Aika lailla arvion mukaan se menikin.

Tuulensuojaisessa metsässä esimerkiksi Helsingin keskuspuistossa sähköavusta tuntui olevan vielä enemmän apua. Jyrkissä mäissä vauhti putoaisi todella paljon ilman apua, eikä tuuli pääse puhkumaan vastaan metsissä.

Kuinka merkittävä tekijä ilmanvastus sitten on?

Tasaisella tiellä, jossa ei ole tarvetta kiihdytyksiin, pyöräilijän on kaura- ja sähkömoottoreillaan voitettava vain vierintä- ja ilmanvastus. Ilmanvastus on yhä merkittävämpi tekijä siksikin, että nykypyörät voivat olla rullausominaisuuksiltaan aivan mahtavia. Sileällä asfaltilla kovilla renkailla uusi laatupyörä ei tunnu hidastuvan lainkaan, jos myötätuulta on juuri matkanopeuden verran. Tämä tietenkin edellyttää että renkaissa on täydet paineet. Moni ajaa liian löysillä renkailla, eikä ihme jos ei kulje.

Hyvissä olosuhteissa siis jää jäljelle oikeastaan vain se ilmanvastus. Miten sitä vastaan kannattaa taistella?

Ensin perusfysiikka: ilmanvastus kasvaa tuulen nopeuden neliöön. Jos sähköapu tuplaa kokonaistehon, nopeutta voi nostaa tasaisella 17,5 km/h -> 25 km/h. Tuplaus on jo kohtuullisen suuri avustus. Saman saisi aikaan puolittamalla pyörän otsapinta-alan. Matalampi ajoasento säästää jo paljon, eikä ihme että nojapyörät ovat yhä suositumpia. Kolmas ilmanvastukseen vaikuttava tekijä on pyörän muotoilu. En tiedä, ovatko nojapyörät siinäkin perinteisiä pyöriä parempia.

Mäkisessä maastossa sähköavusta on paljon enemmän hyötyä. Sähkö auttaa pitämään keskivauhdin tasaisempana nostamalla nopeuden lähelle 25 kilometriä tunnissa myös sellaisissa paikoissa, jossa se muuten voisi pudota vähän päälle kymmeneen. Tällaiset mäet hidastavat keskinopeutta merkittävästi.

Jännittävintä oli tiedostaa, kuinka paljon pelkkä suunnan muutos vaikutti maantieajoon. Niinkin mitätön (sääennusteissa "heikko") tuuli kuin 2,5 metriä sekunnissa on 9 kilometriä tunnissa. Jos ajat nopeudella 25 km/h heikkoon myötätuuleen, subjektiivinen tuuli on vain 16 km/h. Tee U-käännös, ja joudut puskemaan ilmamassoja vastaan 34 kilometriä tunnissa.

Sähköllä vastaan puskeminen helposti vain lisää ilmanvastusta nopeuttamatta matkaa juurikaan. Mitä jos hyväksyisi tosiasiat ja ajaisi vastatuuleen hieman hitaammin? Jos vauhtina tuohon heikkoon myötätuuleen olisi vaikka 28 km/h ja vastaan 20 km/h, paljonko enemmän vastauuleen polkija tarvitsee kaura- ja sähkömoottrien yhteistehoa?

Myötätuulessa ilmanvastus on 28-9=19 km/h ja vastatuulessa 20+9=29 km/h. Ilmanvastuksen tuplaa lisäämällä ilman nopeutta kahden neliöjuuren kertoimella. Kun ottaa huomioon että tuossa vierintävastus on hieman suurempi myötätuulessa kovemmalla vauhdilla, suuruusluokka lienee oikea, jos toteaa että tuollakin nopeuserolla noin heikolla tuulella vastatuuleen tarvitaan tuplasti enemmän tehoa. Intuitiivisesti tiesin, että tuulella on totta kai paljon väliä, mutta silti nämä luvut hätkähdyttävät. 2,5 metrin tuuli tuntuu käytännössä tyyneltä (ellei kaupunkilaispoika ole sytyttämässä nuotiota).

Tästä voinee päätellä kaksi asiaa:

1) Retkipyöräilijän kannattaa katsella sääennustetta aamulla ihan yhtä tarkkaan kuin purjehtijan, ja mitoittaa päivämatkansa tuulen mukaan.

2) Todella vauhdikas peli, jolla jaksaisi päivästä toiseen erittäin pitkiä päivämatkoja olisi sähköavusteinen nojapyörä. Mahtaako sellaisia olla markkinoilla?

Vai vähättelenkö nyt vierintävastusta kohtuuttomasti? Näppituntumani on, että sen merkitys on vain muutamia prosentteja hyvissä olosuhteissa. Onko tämä olettamus väärä?

Kommentit (16)

Ahti Vänttinen

Kiintoisaa pohdintaa, kiitos paljon.

Olen ajellut 8 vuotta sähköavusteisella nojapyörällä - toki muillakin siinä sivussa - ja siinä on tosiaan puolensa. Ilmanvastuksen putoamisen huomaa välittömästi, ja jollei tule valtavia ylämäkiä, vauhdin saa pidettyä tasaisen reippaana helposti. Vastatuulessa eron pystypyöräilijöihin huomaa selvimmin, heitä tulee vastaan selkä edellä.

Kääntöpuolena on ensinnäkin se, että nojapyörässä ei painopisteen vaihtelulla saa lisävääntöä ylämäkiin kuten pystypyörällä. Tämä on pidemmissä ja jyrkkemmissä ylämäissä ihan merkittävä asia. Toki ongelmaa voi pienentää käyttämällä riittävän pieniä välityksiä ja pyörittämällä vastaavasti nopeammin ylämäissä.

Toinen ongelma, joka lienee toivottavasti poistumassa uudempien sähköavusteisten järjestelmien myötä, on sähköosaston ja akkujen jatkuva virittely. Akuista, myös uusimmista Litium-akuista, on pidettävä huolta, että ne kestävät pitkään. Muuten niitä saa vaihdella kerran vuodessa, mikä nostaa tuota kilometrihintaa merkittävästi. Suomen oloissa, jos haluaa ajaa myös kylmillä ja kosteilla keleillä, sähkösysteemeihin tulee myös helposti vikoja, eikä huolto-osaamista juurikaan ole käytännössä saatavilla, joten tee-se-itse -hommiksi se menee. Eli ihan yhtä vaivatonta ja huoletonta kuin kauramoottorilla ei sähköavusteinen meno ole. Mutta parhaimmillaan hyvänä päivänä oikein antoisaa ja varsinkin vauhdikasta.

Sähköavusteisella nojapyörällä tuo lain ja direktiivin nopeusrajoitus 25 km/h tuntuu kieltämättä hiukan turhauttavalta, koska siihen nopeuteen pääsee aika helposti tasaisella. Luonteva sallittu huippunopeus olisi pikemminkin luokkaa 30 km/h. Siksi näyttää olevan aika tavallista, että moni poistaa noita rajoittimia käytöstä.

Janne

Moi, pyöräilypiireissä pidetään yleisenä totuutena että ilmanvastuksen osuus olisi 70%. tällöin kyseessä on maantiepyöräilijä (kilpa-) matalalla ajoasennolla. Pystymmässä ajoasennossa ajeleva sähköpyöräilijä varmasti ottaa ilmanvastusta enemmän ja aika reilustikin.

Metusalah

Minä olen seurannut tätä "sähköavusteisen polkupyörän" kehitystä lähinnä filosofisesta näkökulmasta käsin, eli mahtaako seuraava innovaatio tällä aihealueella olla sähköavusteinen kuntopyörä? :-)

Marko Hamilo

Onko sähköä tuottavia kuntopyöriä markkinoilla? Sähköttömällä mökillä se voisi olla aurinkopaneeleja kätevämpi tapa tuottaa sähkö tietokoneeseen yms.

Metusalah

"Onko sähköä tuottavia kuntopyöriä markkinoilla? Sähköttömällä mökillä se voisi olla aurinkopaneeleja kätevämpi tapa tuottaa sähkö tietokoneeseen yms."

Niinpä. Hyvä idea kerrassaan. Kokonaan eri asia on sitten se, kuka jaksaa/viitsii mökillä saunan, parin oluen ja makkaran jälkeen ryhtyä polkemaan kuntopyörää päästäkseen läppärille tai tv-uutisille? Tarkoitin edellisessä viestissäni sellaista kuntopyöräsovellusta, jossa sähkön avulla saataisiin polkeminen hieman helpommaksi ... :-))

Marko Hamilo

Jos saunakaljojen pysyminen kylmänä on siitä kiinni, että jaksaa päivän aikana polkea jääkaapille tarvittavan energian, on ainakin motivaatio polkea sitä kuntopyörää. Maistuu se kylmä kalja paremmalta kun on joutunut tekemään sen eteen vähän töitäkin.

Tuomas

Hei,

eikö ilmanvastuksesta aiheutuva tehonhukka ole likimain verrannollinen nopeuden _kuutioon_ ? Ilmanvastuksen _voimahan_ menee nopeuden neliöön, jos virtaus on turbulenttia ja kappaleet suurin piirtein möhkälemäisiä (kuten pyöräillessä on):

F = ½ A k d v^2

missä A = otsapinta, k = muotokerroin, d = ilman tiheys ja v = ilmanopeus.

Mutta _teho_ = Fv, joten tehontarve kasvaa yhtä potenssia nopeammin.

Tarkasti sanottuna -- käsittääkseni -- tehontarve on verrannollinen tuloon ilmanopeus toiseen kertaa maanopeus, koska pyörän teho välittyy renkaiden ja maanpinnan kosketuksesta eikä esim. suihku- tai potkurimoottorilla. (Sama käytännössä: paikallaan tuulta vasten seisova pyörä ei kuluta energiaa, mutta paikallaan myrskyä vasten puskeva ilmatyynyalus kuluttaa.)

Kalevi Kataja

Toivon Markon vastaavan Tuomaksen kommenttiin, tiedetoimittaja kun on. Ainakin tuulivoimalassa tuulennopeuden kaksinkertaistuminen kahdeksankertaistaa tehon. Teho on siis suhteessa tuulen kuutioon.

Marko Hamilo

Kyllä, noinhan se on. Kuutio saadaan neliöstä, kun otetaan huomioon se että koko urakkaan menee vähemmän aikaa.

Jos auto kulkee tyynessä tasaisella 50 kilometriä tunnissa, sen on käytettävä teho P voittaakseen ilmanvastuksen. 100 kilometriä tunnissa kulkiessaan sen on voitettava nelinkertaiseksi noussut ilmanvastus. Jos oletetaan, että vierintävastusta ei olisi ja kiihdytyskin kulkuvauhtiin olisi tehty, bensaa kuluisi siis matkalla neljä kertaa enemmän. Kaasuttimen läpi bensaa kulkisi satasen vauhdissa kuitenkin kahdeksankertaisella nopeudella verrattuna 50 km/h vauhtiin, koska ollaanhan perilläkin puolessa ajassa.

Pyöräilyesimerkissä tilanne on toinen, koska ilmanopeus riippui lähinnä tuulen suunnasta ja pyörän nopeus pysyy lähes vakiona. Helpompi esimerkki kuin postauksessani käyttämäni siis olisi sellainen jossa vauhti on aivan sama, vaikka 20 km/h. Jo 4 km/h tuulen nopeus tekisi eron ilmanopeuksiin 24 vs. 16 km/h. Puolitoistakertainen ilmanopeus tarkoittaa yli kaksinkertaista energiankulutusta, joka tässä vakiovauhdissa on sama kuin hieman yli kaksinkertainen tehontarve. Ilman vierintävastusta. Jos se otetaan huomioon, ja jos pitää avustustason samana, pyöräilijä siis tuplaa kalorinkulutuksensa ja akusta on perillä hävinnyt tuplasti wattitunteja. Ok, vielä saattoi mennä vierintävastus alakanttiin, mutta 5 km/h tuulella - vielä alle puolitoista metriä sekunnissa, lähes huomaamaton siis - lukemat alkavat ehkä pitää paikkansa hyväkuntoisella pyörällä hyvällä alustalla kovilla renkailla.

Mäkisessä maastossa sähköapu nopeuttaa matkantekoa paljon enemmän, koska ylämäissä avustustehosta suurin osa menee potentiaalienergian kerryttämiseen eikä ilmanvastuksen voittamiseen. Alamäissä sähköapua ei tietenkään käytetä.

Kalevi Kataja

"Pyöräilyesimerkissä tilanne on toinen, koska ilmanopeus riippui lähinnä tuulen suunnasta ja pyörän nopeus pysyy lähes vakiona."

Miten ihmeessä fysiikan lait voivat olla erilaiset juuri pyöräilyssä? Minusta on aivan turha vähätellä tuulen aiheuttamaa tehontarvetta.

Marko Hamilo

Fysiikan lait ovat ihan samat mutta pyöräilyesimerkki oli sellainen, jossa kulkuneuvon maanopeus pysyi samana mutta tuuli kääntyi vastaan, autoesimerkissä maanopeus tuplaantui tyynessä säässä.

Pyörälläkin tarvitsee kahdeksankertaisen tehon jos tuplaa nopeuden tyynessä. (unohdetaan taas kiihdytys ja vierintävastus).

Sähköpyörällä tehontarve ei ole oleellinen kysymys. Sitä tuntuu riittävän, se lain määräämä katto 250 wattia on niin korkea että sillä pusketaan sitä lain määräämää toista kattoa 25kmh melkein olosuhteissa kuin olosuhteissa. Sen sijaan energiankulutus matkaa kohti on ratkaiseva mittari suunniteltaessa pitkää päivämatkaa. Se siis nelinkertaistuu eikä kahdeksankertaistu kun tuulen suunnanmuutos kaksinkertaistaa ilmanopeuden.

Kalevi Kataja

"Jos sähköapu tuplaa kokonaistehon, nopeutta voi nostaa tasaisella 17,5 km/h -> 25 km/h."

Tuosta oli alunpein kysymys. Ei kait pidä paikkaansa sähköpyöränkään kohdalla?

Marko Hamilo

Toisin sanoen jos polkisi leppoisasti 80 watilla ja ottaisi peräti 240 wattia apua sähköllä, saisi avustuksella vain 41 prosenttia lisää vauhtia.

Kalevi Kataja

"Toisin sanoen jos polkisi leppoisasti 80 watilla ja ottaisi peräti 240 wattia apua sähköllä, saisi avustuksella vain 41 prosenttia lisää vauhtia."

Juuri tuota karmeaa totuutta tarkoitin. Tuuli on kova vastustaja!

Seuraa 

Skeptikon päiväkirja

Blogin päivittäminen on päättynyt.

Marko Hamilo on vapaa toimittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja. Hamilo ei usko homeopatiaan eikä psykoanalyysiin, eikä aina aamun sanomalehteenkään.

Teemat

Blogiarkisto

2010
2009