自行车空气动力学：CdA、跟骑、姿势优化

理解并减少空气阻力，骑得更快

空气阻力：自行车运动中的主导力

在速度超过25公里/小时（15.5英里/小时）时，空气阻力成为您必须克服的主要阻力。在平路上以40公里/小时（25英里/小时）的速度骑行时，约80-90%的功率输出用于推开空气——而不是克服滚动阻力或重力。

这意味着空气动力学改进对公路车手、计时赛选手和铁人三项运动员具有巨大的投资回报率。在比赛配速下减少10%的阻力可以节省20-30瓦特——相当于数月的体能训练成果。

40公里/小时时的功率分布（平路）：

  • 空气阻力：总功率的80-90%
  • 滚动阻力：总功率的8-12%
  • 传动系统损失：总功率的2-5%

速度越高，空气阻力呈立方增长，而滚动阻力保持恒定——空气动力学变得更加重要。

功率方程

空气阻力由以下基本物理方程描述：

阻力公式

F阻力 = ½ × ρ × CdA × V²

其中：

  • ρ（rho）：空气密度（海平面15°C时约为1.225 kg/m³）
  • CdA：阻力面积（m²）= 阻力系数 × 迎风面积
  • V：相对于空气的速度（m/s）

克服阻力所需功率

P空气 = F阻力 × V = ½ × ρ × CdA × V³

关键洞察：所需功率随速度的立方增长。速度翻倍需要8倍功率来克服阻力。

示例：立方关系

CdA为0.30 m²的骑手在不同速度下骑行（海平面，无风）：

  • 20公里/小时（12.4英里/小时）：12瓦克服阻力
  • 30公里/小时（18.6英里/小时）：41瓦克服阻力
  • 40公里/小时（24.9英里/小时）：97瓦克服阻力
  • 50公里/小时（31.1英里/小时）：189瓦克服阻力

分析：从40公里/小时提速到50公里/小时（速度增加25%）由于立方关系需要增加95%的功率！

不同姿势的CdA值

CdA（阻力面积）是阻力系数（Cd）和迎风面积（A）的乘积。以平方米（m²）为单位，代表您产生的总空气阻力。

CdA越低 = 相同功率输出下速度越快。

姿势/配置典型CdA（m²）相比手握上把@40公里/小时的功率节省
直立（上把，放松）0.40-0.45基准（0瓦）
上把（弯曲手肘）0.36-0.40节省5-10瓦
下把（手握下把）0.32-0.36节省10-20瓦
休息把（TT姿势）0.24-0.28节省30-50瓦
职业TT专家0.20-0.22节省50-70瓦
场地追逐赛（最优）0.18-0.20节省70-90瓦

CdA组成部分分解

阻力系数（Cd）

您的"流线性"。受以下因素影响：

  • 身体姿势（躯干角度、头部位置）
  • 服装（连体服vs.宽松骑行服）
  • 车架形状
  • 部件整合（线缆、水壶）

迎风面积（A）

您阻挡的"空间"大小。受以下因素影响：

  • 身材（身高、体重、体型）
  • 手肘宽度
  • 肩部位置
  • 自行车几何

真实世界的CdA测量

职业车手在风洞中的数据：

  • 克里斯·弗鲁姆（TT姿势）：约0.22 m²
  • 布拉德利·威金斯（场地追逐赛）：约0.19 m²
  • 托尼·马丁（TT专家）：约0.21 m²

典型业余车手的CdA值：

  • 休闲骑手（上把）：0.38-0.42 m²
  • 俱乐部车手（下把）：0.32-0.36 m²
  • 竞技TT选手（休息把）：0.24-0.28 m²

💡 快速提升：骑下把

简单地从上把移动到下把可将CdA减少约10%（0.36 → 0.32 m²）。在40公里/小时时，这可节省约15瓦——无需任何装备改变的完全免费速度提升。

练习：训练自己长时间舒适地骑下把。从10-15分钟间歇开始，逐渐增加。

跟骑优势：尾流的科学

跟骑（在另一位骑手的尾流中骑行）是减少空气阻力最有效的方法。领骑者在身后创造了一个低压区，减少了跟随骑手所受的阻力。

队列中不同位置的功率节省

队列位置功率节省备注
领骑（拉队）约3%节省从自身尾流中获得小幅好处，主要在做功
第2轮27-40%节省在领骑者后0.5-1米处获得巨大好处
第3-4轮30-45%节省越靠后好处越多
第5-8轮35-50%节省最佳位置——受保护但不太靠后
最后一轮（小团队）45-50%节省小于5人团队中的最大跟骑好处

最佳跟骑距离

与领骑者的距离

  • 0.3-0.5米（车轮重叠）：最大尾流效果（约40%节省）但撞车风险高
  • 0.5-1.0米（半车身长度）：极佳尾流效果（约35%节省），更安全
  • 1.0-2.0米（一车身长度）：良好尾流效果（约25%节省），舒适
  • 2.0-3.0米：中等尾流效果（约15%节省）
  • >3.0米：最小尾流效果（<10%节省）

侧风跟骑

风向改变最佳跟骑位置：

🌬️ 顶风

直接跟在骑手后方。风从前方来，尾流直接向后。

↗️ 右侧风

跟在前方骑手的左侧稍微偏一点（下风侧）。尾流角度随风向偏移。

↖️ 左侧风

跟在前方骑手的右侧稍微偏一点（下风侧）。

专业提示：在侧风编队（侧风队形）中，骑手斜向排列以相互遮挡倾斜的风。这就是为什么在职业比赛的大风赛段中会看到"排水沟"形成。

爬坡时的跟骑

与普遍看法相反，跟骑在爬坡时仍然提供显著好处，特别是在中等坡度（5-7%）和较高速度（20+公里/小时）时。

研究发现（Blocken等，2017）：

在7.5%坡度、6米/秒（21.6公里/小时）速度下：

  • 在后方1米跟骑：节省7.2%功率
  • 在后方2米跟骑：节省2.8%功率

意义：即使在爬坡时，跟轮也很重要。在300瓦功率下，7%节省 = 21瓦——相当可观！

跟骑帮助不大的情况

  • 非常陡峭的爬坡（10%+）：速度太低（<15公里/小时），空气阻力相比重力微不足道
  • 技术性下坡：安全和路线选择比空气动力学收益更重要
  • 单人计时赛：显然——没人可以跟骑！

🔬 研究基础

Blocken等（2017）使用计算流体动力学（CFD）模拟各种队形和条件下的跟骑好处。主要发现：

  • 跟骑好处在超过2米距离后呈指数下降
  • 更大的团队提供更好的保护（最多约8名骑手，之后收益递减）
  • 相比单列骑行，并排骑行会降低跟骑效果

来源：Blocken, B.等（2017）。逆风骑行：竞技自行车空气动力学综述。运动工程学，20，81-94。

姿势优化：更低、更窄、更流畅

您的身体产生总空气阻力的约70-80%（自行车仅占20-30%）。微小的姿势改变可以产生巨大的空气动力学收益。

关键姿势要素

1. 躯干角度

越低 = 越快（但舒适性对持续功率很重要）

  • 公路姿势（上把）：躯干相对水平约45-50°角度
  • 公路姿势（下把）：躯干约35-40°角度
  • TT姿势：躯干约20-30°角度
  • 场地追逐赛：躯干约10-15°角度（极端）

权衡：更低的姿势减少迎风面积并改善Cd，但：

  • 限制呼吸（肺活量减少）
  • 限制功率输出（髋角变小）
  • 长时间难以维持

目标：找到在比赛配速下能维持比赛时长的最低姿势，而不损害功率或舒适性。

2. 手肘宽度

越窄 = 迎风面积越小 = 越快

  • 宽手肘（上把）：迎风面积大
  • 窄手肘（下把/休息把）：迎风面积减少10-15%

休息把自然迫使手肘窄（约肩宽或更窄）。在公路下把上，有意识地将手肘收紧以减少迎风面积。

3. 头部位置

头部角度影响CdA和颈部舒适性：

  • 抬头（看远处）：迎风，增加CdA
  • 头部中性（看前方5-10米）：流线型，减少2-3% CdA
  • 低头（收下巴）：最空气动力学，但难以看清路面——不安全

练习：用眼睛看，不要抬起整个头部。稍微收下巴以压平颈部角度。

4. 背部平坦度

平坦、水平的背部比圆弧形、弓起的背部阻力更小：

  • 圆背：产生湍流尾流，增加Cd
  • 平背：气流分离平顺，更低Cd

实现方法：启动核心，向前旋转骨盆（前倾骨盆），拉伸腿后肌群以允许更低姿势而不圆背。

⚠️ 空气动力学vs.功率权衡

最空气动力学的姿势不一定是最快的姿势。如果采用超级空气动力学姿势使您的持续功率降低10%，您整体会更慢。

示例：如果您的最佳TT姿势允许300瓦，但更激进的姿势只允许280瓦，计算：

  • 姿势A（CdA 0.26，300瓦）→ 速度X
  • 姿势B（CdA 0.24，280瓦）→ 速度Y

您需要测试哪个更快——空气动力学收益必须超过功率损失。使用虚拟高度方法或风洞测试。

装备选择：边际收益累加

在优化姿势后，装备可以提供额外2-5%的CdA减少。以下是最重要的因素：

1. 轮组深度vs.重量

轮组类型空气动力学优势重量代价最佳使用场景
浅框（30mm）基准最轻爬坡、侧风、多功能
中框（50-60mm）@40公里/小时节省5-10瓦重约200-400克公路赛、绕圈赛、平路TT
深框（80mm+）@40公里/小时节省10-20瓦重约400-700克平路TT、铁人三项、平静条件
碟轮（后轮）@40公里/小时节省15-30瓦重约600-1000克TT/铁人三项（平路，无侧风）

经验法则：在35+公里/小时的平路上，空气动力学轮组更快。在坡度>5%的爬坡上，更轻的轮组更快。侧风有利于更浅、更稳定的轮组。

2. 空气动力学车架

现代空气动力学公路车架（相比传统圆管车架）在40公里/小时时通过以下方式节省10-20瓦：

  • 截断翼型管形
  • 集成线缆布线
  • 下沉座管
  • 空气动力学座管

投资回报率考虑：空气动力学车架成本€3000-6000+并节省15瓦。姿势优化（免费）可以节省30-50瓦。先优化姿势！

3. 头盔选择

空气动力学头盔vs.传统公路头盔：

  • 空气动力学TT头盔：在40公里TT中节省15-30秒（相比公路头盔）
  • 空气动力学公路头盔：在40公里中节省5-10秒（相比传统公路头盔）

性价比最高的空气动力学升级——相对便宜（€150-300）但节省显著时间。

4. 服装

服装CdA影响@40公里/小时的节省
宽松俱乐部骑行服+骑行裤基准0瓦
贴身比赛骑行服+背带裤-2% CdA约5瓦
连体服-4% CdA约10瓦
TT连体服（纹理面料）-5% CdA约12瓦

连体服消除飘动的织物并创造平顺气流。对计时赛来说是性价比高的升级。

5. 水壶位置

  • 座管后：比车架安装更好（在气流阴影中）
  • 休息把之间（TT）：最小阻力，易于取用
  • 车架安装（标准）：每个水壶增加3-5瓦阻力
  • 无水壶：最快但对长途骑行不实用

💡 低垂果实清单

通过这些免费/便宜的优化最大化空气动力学收益：

  1. 更多骑下把：免费节省15瓦
  2. 降低躯干角度：练习平背姿势（免费）
  3. 收下巴，收窄手肘：免费节省5-10瓦
  4. 空气动力学头盔：€200，在40公里TT中节省15-30秒
  5. TT连体服：€100-200，节省10瓦

总成本：€300-400。总节省：在40公里/小时时30-50瓦。相比节省15瓦的€6000空气动力学自行车！

山地车的空气动力学：为什么（大多数情况下）不重要

山地车运动的速度范围使得空气动力学相比公路自行车是一个次要因素：

为什么山地车对空气动力学不太敏感

1. 较低的平均速度

XC山地车比赛平均15-20公里/小时（相比公路35-45公里/小时）。在这些速度下，重力和滚动阻力占主导——而不是空气阻力。

在5%爬坡18公里/小时时的功率分解：

  • 重力：约70%功率
  • 滚动阻力：约20%功率
  • 空气阻力：约10%功率

空气动力学优化在山地车速度下节省1-2瓦——可以忽略不计。

2. 直立姿势必要

山地车需要直立姿势用于：

  • 在技术地形上的自行车操控
  • 重心转移（爬坡/下坡的前后移动）
  • 视野（发现障碍物，选择路线）
  • 在陡峭爬坡上的功率输出

在技术性山地车赛道上无法采用空气动力学蹲伏姿势——安全和控制至关重要。

山地车中空气动力学可能重要的情况

空气动力学有帮助的有限场景：

  • 快速砾石赛（30+公里/小时）：在平顺、快速路段空气动力学姿势可以帮助
  • XC冲刺完赛：在最后200米直线以30+公里/小时时采用蹲伏姿势
  • 平顺防火道爬坡：当地形允许时可以采用更低姿势

底线：不要担心山地车的空气动力学。专注于自行车操控技能、力量和可重复性。

虚拟高度方法：DIY CdA测试

您不需要风洞来估算CdA。虚拟高度方法使用功率计+GPS数据从户外骑行计算CdA。

工作原理

该方法使用求解CdA的功率方程：

CdA = (P总 - P重力 - P滚动 - P传动) / (½ × ρ × V³)

通过在已知路线上测量功率和速度，您可以反向计算CdA。

测试协议

  1. 找一条平坦、笔直的道路（或缓坡，<2%），交通量少
  2. 骑多圈（4-6圈），保持恒定功率（节奏努力，约250-300瓦）
  3. 交替方向以消除风的影响
  4. 记录功率、速度、海拔、温度、气压用码表
  5. 分析数据使用软件（Golden Cheetah、MyWindsock、Aerolab）

软件工具

  • Golden Cheetah：免费、开源，包含Aerolab分析器
  • MyWindsock：基于网页，界面简单
  • Best Bike Split：高级工具，带CdA估算

测试不同姿势

为每个您想比较的姿势运行单独的测试：

  • 上把（放松）
  • 上把（手肘弯曲，更低）
  • 下把
  • 休息把（如适用）

这揭示了哪个姿势对您节省最多瓦特——个体差异巨大！

🔬 方法验证

虚拟高度方法精度：±0.005-0.01 m² CdA（相比风洞）。需要平静风况（<5公里/小时）和仔细执行。多圈改善精度，通过平均消除环境变化。

来源：Martin, J.C.等（2006）。公路自行车功率数学模型验证。应用生物力学杂志。

常见问题

空气动力学在40公里TT中能节省多少时间？

1小时TT（40公里）约300瓦FTP的粗略估算：将CdA从0.30减少到0.25（减少17%）节省约2-3分钟。从上把（0.36）到休息把（0.26）可以节省4-5分钟——巨大收益！

应该先买空气动力学自行车还是空气动力学轮组？

先优化姿势（免费）。然后：空气动力学头盔+连体服（约€300，在40公里中节省20-30秒）。然后：深框轮组（约€1500，节省30-60秒）。然后：空气动力学自行车（约€5000，节省45-90秒）。姿势+服装+轮组 = 80%的收益，相比完整空气动力学自行车成本的10%。

空气动力学在爬坡时重要吗？

是的，但较不重要。在20+公里/小时的5-7%爬坡上，空气动力学仍然重要（节省5-10瓦）。在<15公里/小时的10%+爬坡上，空气动力学可以忽略——重量和功重比占主导。在爬坡速度下，重力占阻力的70-80%。

没有风洞可以测试我的CdA吗？

可以。在平路上使用功率计+GPS的虚拟高度方法。像Golden Cheetah（免费）这样的软件从骑行数据计算CdA。通过正确的协议（平静风、多圈、交替方向），精度为±0.005-0.01 m²。

山地车需要空气动力学轮组吗？

不需要。山地车速度（平均15-20公里/小时）太低，空气动力学影响不大。专注于轮胎选择、避震设置和自行车操控技能。空气动力学对在30+公里/小时持续速度的公路/砾石重要。

服装对空气动力学有多大影响？

连体服在40公里/小时时相比宽松骑行服节省约10瓦（在40公里TT中转化为约30-45秒）。相比空气动力学自行车，这是便宜的升级（€100-200）。即使是贴身比赛套装（相比宽松）也节省5瓦。

更激进的空气动力学姿势总是更快吗？

如果降低了功率输出就不是。示例：CdA 0.26在300瓦可能慢于CdA 0.28在310瓦。测试姿势以找到最佳的空气动力学/功率平衡。"最快"姿势维持最高速度，而不是最低CdA。