Cosa misurano esattamente? Come lo misurano? Quali sono le implicazioni dei diversi approcci sull'accuratezza / velocità di ottenere una buona misura?
Sarebbe utile se qualcuno potesse dare una risposta che spieghi in che modo i contatori basati su hub come PowerTap differiscono dai contatori basati su pedivelle come il Quarq che differiscono dagli altri.
Risposte:
Esistono diversi tipi di misuratori di potenza sul mercato e ognuno misura qualcosa di leggermente diverso per poter fare le proprie stime. Inoltre, il modo in cui misurano ciò che misurano ha implicazioni per la loro accuratezza. Di seguito discuto cosa misurano i principali modelli, come lo misurano e le implicazioni per l'accuratezza.
La potenza è la velocità del lavoro (quindi è necessario conoscere la quantità di lavoro e l'intervallo di tempo durante il quale quel lavoro viene svolto), e il lavoro è una forza esercitata su una distanza, quindi ogni misuratore di potenza ha un modo diverso di misurare quelli forze e, a causa dei brevetti, ognuno ha scelto di misurarli in una "posizione" diversa.
Ad eccezione dell'iBike, la maggior parte dei misuratori di potenza misura le forze da qualche parte lungo la trasmissione: lavorando dalla parte posteriore a quella anteriore, il PowerTap (e il vecchio Look MaxOne) misura sul mozzo posteriore, i vecchi sistemi Polar misurati lungo la catena, la misura Quarq, SRM, Rotor e Power2Max sul ragno dell'anello della catena anteriore, le nuove misure Look / Polar e Garmin Metrigear (finora annunciate ma inedite) sul perno del pedale, le misure (annunciate ma non rilasciate) di Brim Brothers sul tacchetto della scarpa, l'Ergomo misurava sul movimento centrale e le fasi sulla pedivella sinistra. L'iBike misura in un modo completamente diverso, discusso di seguito. Una conseguenza della misurazione in vari punti lungo la trasmissione è che le perdite della trasmissione saranno (o non saranno) contabilizzate in misura diversa; per esempio, un PowerTap di solito leggerà più in basso di un SRM poiché uno è "a monte" della maggior parte delle perdite di trasmissione mentre l'altro è "a valle". Questa differenza è più una questione di definizione che una questione di "accuratezza" rigorosa (nel senso di "il reddito lordo o il reddito netto è una misura più" accurata "del reddito?" A meno che tu non abbia in mente un uso specifico, è difficile dire quale è più "preciso").
La maggior parte dei misuratori di potenza sul mercato utilizza estensimetri, che sono piccole strisce sottili di alluminio la cui conduttanza elettrica e resistenza variano quando vengono deformate. Gli estensimetri sono utilizzati in molte applicazioni (come i ponti) e le loro proprietà sono ben comprese. In generale, gli estensimetri sono combinati in una "rosetta" o "ponte di Wheatstone" per produrre più accuratezza e precisione (più estensimetri di solito producono risultati migliori) e, quando funzionano correttamente, Power Tap, Quarq e SRM sono di solito preciso entro un paio di percento (e, altrettanto importante, con alta precisione); questo è stato verificato sia staticamente (utilizzando pesi noti appesi alla pedivella) sia dinamicamente (utilizzando un tamburo rotante di grandi dimensioni in un laboratorio). Le forze vengono quindi combinate con una misurazione della velocità angolare o della velocità per ottenere potenza. Una virtù degli estensimetri è che il cambiamento di resistenza può essere misurato anche quando il dispositivo è fermo, in modo che il ciclista possa misurare la precisione dei misuratori di potenza basati sull'estensimetro a casa appendendo pesi di una massa nota dalla pedivella. Un problema comune con l'approccio estensimetrico, tuttavia, è che possono essere sensibili alle variazioni di temperatura e quindi devono essere "azzerati" prima di (e talvolta, durante) le corse. Il vecchio tallone d'Achille di Look MaxOne era impermeabilità, non estensimetri o metodo di misurazione. Ad esempio, l'originale Power2Max (e il vecchio modello "Amateur" SRM fuori produzione) utilizza meno estensimetri rispetto all'attuale PowerTap, Quarq, o i modelli e i rapporti SRM degli utenti (successivamente ammessi dal produttore) hanno dimostrato che durante una corsa era più sensibile alla deriva della temperatura rispetto a quelli di altri. Il Power2Max è stato riprogettato e aggiornato alla fine del 2012 e i rapporti indicano che il problema della temperatura è stato ampiamente risolto. Una caratteristica dichiarata delle fasi è che è progettata intorno alla compensazione automatica della temperatura - all'inizio del 2013 questa affermazione è ancora in fase di valutazione da parte degli utenti ed è troppo presto per sapere se il loro approccio fa ciò che afferma.
Il vecchio misuratore di potenza polare misurava la forza trasmessa lungo la catena dalla tensione della catena e includeva un sensore di velocità della catena per ottenere un lavoro totale. In una catena una forza maggiore trasmessa lungo la catena provoca una tensione più elevata e la tensione può essere misurata dalla frequenza di risonanza dell'oggetto (ad esempio, pizzicare un raggio ad alta tensione con l'unghia produce un tono ad alta frequenza mentre pizzicare un raggio sciolto produce un tono basso). A parte lo storico, il prototipo di prova del concetto per il sensore di tensione della catena Polar è stato il pickup da una chitarra elettrica. Il sensore di velocità della catena si inseriva su una delle ruote fantino del deragliatore e poteva contare gli "impulsi" nel campo magnetico mentre passavano i rivetti a catena; poiché i rivetti a catena sono distanti tra loro, la velocità della catena è stata facilmente calcolata. Per quanto riguarda l'accuratezza, quando Polar funzionava bene, era molto buono; tuttavia, quando non lo era, era davvero molto cattivo. Peggio ancora, era spesso difficile capire quando fosse cattivo. La caduta del vecchio misuratore di potenza polare è stata di tre volte: 1) il sensore di tensione della catena doveva essere vicino alla catena, il che era difficile da raggiungere poiché la catena a volte doveva trovarsi nell'anello grande o piccolo della catena o nel grande o piccolo ingranaggio posteriore; 2) il sensore della velocità della catena a volte veniva sopraffatto e forniva letture di velocità false; e 3) impermeabilità incompleta in parte a causa di fili esposti e un "baccello" mal sigillato che era difficile da ottenere poiché la catena doveva talvolta trovarsi nell'anello grande o piccolo della catena o nell'ingranaggio posteriore grande o piccolo; 2) il sensore della velocità della catena a volte veniva sopraffatto e forniva letture di velocità false; e 3) impermeabilità incompleta in parte a causa di fili esposti e un "baccello" mal sigillato che era difficile da ottenere poiché la catena doveva talvolta trovarsi nell'anello grande o piccolo della catena o nell'ingranaggio posteriore grande o piccolo; 2) il sensore della velocità della catena a volte veniva sopraffatto e forniva letture di velocità false; e 3) impermeabilità incompleta in parte a causa di fili esposti e un "baccello" mal sigillato
Il misuratore di potenza basato sul movimento centrale Ergomo utilizzava un sensore ottico e una serie di "fori di sbirciatina" per misurare la torsione nel movimento centrale. Una strana caratteristica di questo design è che potrebbe misurare solo la forza (torsionale) che attraversa il movimento centrale; quindi, ha misurato solo la potenza fornita dalla gamba sinistra: per ottenere la potenza totale ha raddoppiato il contributo della gamba sinistra. In concomitanza con la difficoltà di installare e calibrare l'Ergomo (doveva essere installato esattamente così), questa dipendenza dalla simmetria bilaterale tra le gambe era la campana della morte per l'Ergomo. Anche il misuratore di potenza Stages misura la forza mediante deformazione nella pedivella sinistra e raddoppia la "sinistra" per arrivare a una stima della potenza totale. La ricerca con pedali a forza strumentale mostra che l'asimmetria bilaterale nella produzione di energia tra la gamba destra e quella sinistra è la norma - peggio ancora, la ricerca mostra che l'asimmetria può cambiare con il livello di sforzo. Tuttavia, alcuni ciclisti sono disposti ad accettare questa imprecisione e imprecisione intrinseca.
Poiché né i vecchi misuratori di potenza Polar né Ergomo utilizzavano estensimetri, la loro accuratezza e precisione non potevano essere controllate staticamente sul campo dal ciclista; potevano solo essere controllati dinamicamente (o contro un altro misuratore di potenza calibrato noto).
Si dice che i misuratori di potenza a pedale o tacchette Garmin Metrigear e Brim Brothers inediti utilizzino sensori piezoelettrici e accelerometri a stato solido piuttosto che estensimetri a lamina ma fino a quando non raggiungono il mercato tutte le affermazioni sull'accuratezza o la precisione dovrebbero essere prese con granelli di sale. Un problema interessante nella progettazione di un misuratore di potenza basato su pedale o tacchetta è che la direzione della forza e la posizione del perno del pedale devono essere note: ad esempio, se si aggiunge una forza verso il basso nella parte inferiore della corsa del pedale, che è una forza sprecata poiché non aiuta a spostare la manovella nella direzione corretta; allo stesso modo, se si preme verso il basso (anche se leggermente) durante la salita, ciò annullerà parte della forza esercitata dall'altra gamba durante la discesa. Tenere traccia dei vari vettori di forza è quindi la chiave per ottenere accuratezza e precisione affidabili. In una certa misura, il misuratore di potenza Stage può anche essere occasionalmente suscettibile a un problema correlato: la fase utilizza un accelerometro a stato solido nel pedale (simile agli accelerometri a stato solido che si possono trovare negli smartphone) per determinare la sua posizione. I primi modelli di produzione delle fasi erano afflitti da misurazioni imprecise della posizione del pedale, quindi anche la velocità del pedale era imprecisa - e questo ha avuto ripercussioni sulla precisione delle stime di potenza finali.
Il misuratore di potenza Look / Polar recentemente rilasciato (a partire da gennaio 2012) utilizza estensimetri disposti lungo il perno del pedale e ogni pedale deve essere installato con cura in modo che i pedali sappiano in quale direzione vengono applicate le forze - uno strumento speciale viene fornito con il pedali per aiutare con l'orientamento. Per semplificare la conversione delle forze misurate in valori di coppia, il pedale Look / Polar consente di utilizzare solo quattro diverse lunghezze della pedivella: 170 mm, 172,5 mm, 175 mm e 177,5 mm. Le pedivelle inferiori a 170 mm non sono attualmente supportate. Un pedale è il "maestro" e l'altro è lo "schiavo"; il pedale slave trasmette le informazioni al master che quindi raggruppa i dati da entrambi i pedali e li inoltra all'unità principale. Al momento, il pedale Look / Polar utilizza il proprio protocollo di trasmissione e nessun altro produttore ha ancora firmato per fornire unità principali compatibili. I primi rapporti sui nuovi pedali Look confermano che l'orientamento dei pedali è fondamentale: poiché il mandrino di un pedale è piccolo, un piccolo errore assoluto nell'allineamento può essere un grande errore relativo nel suo orientamento angolare.
L'iBike ha un approccio completamente diverso: calcola la potenza indirettamente. Cioè, è necessaria una certa quantità di potenza per superare i cambiamenti nell'energia potenziale (arrampicata o discesa), per i cambiamenti nell'energia cinetica (accelerazione o decelerazione), per superare la resistenza aerodinamica (incluso il vento) e la resistenza al rotolamento, quindi se si conoscere la velocità al suolo, il gradiente, la velocità del vento, la massa totale (più la bici e tutte le attrezzature), quindi combinati con le stime dei coefficienti di resistenza al rotolamento (Crr) e della resistenza aerodinamica e della superficie anteriore (CdA o area di resistenza) che è possibile calcolare la potenza complessiva (vedi, ad esempio, qui). In sostanza, gli altri misuratori di potenza sul mercato si concentrano sull '"equazione sul lato dell'offerta" misurando la potenza fornita dal ciclista da qualche parte lungo la trasmissione; l'iBike si concentra sul "lato della domanda" misurando la potenza richiesta per spostare la bici dal vento, dal gradiente e da altre forze di resistenza. In condizioni normali, questo può essere abbastanza (forse anche sorprendentemente) accurato, anche se la precisione della potenza stimata in questo modo non è così buona - l'iBike presuppone che l'area di resistenza aerodinamica (aka CdA) sia costante, quindi se il ciclista cambia posizione (diciamo, spostandosi dalle gocce ai piani delle barre) o se la velocità del vento differisce perché l'angolo di imbardata cambia, la stima della potenza sarà disattivata. In generale, l'iBike ha dimostrato di essere abbastanza preciso per le salite in salita; meno per i corsi di rotolamento o le lezioni di equitazione, quindi l'accuratezza complessiva dipenderà dall'esatto mix di guida fatta e dalla variabilità nella direzione del vento. Come con il vecchio Polar non basato su estensimetri Polar ed Ergomo, l'iBike non può essere controllato staticamente per accuratezza o precisione; peggio, né può essere verificato su un impianto dinamico in un laboratorio poiché dipende dal gradiente e dalla velocità del vento. I controlli dell'iBike sono stati effettuati sul campo quando i ciclisti hanno montato un altro misuratore di potenza sulla stessa bici e confrontato i due flussi di dati.
Ci sono stati alcuni confronti "simultanei" dell'accuratezza del misuratore di potenza in cui un ciclista ha montato due o più misuratori di potenza sulla bici e ha corso su percorsi strutturati o non strutturati. Puoi vedere uno di questi confronti "Rosetta Stone" qui e qui .
In generale, tutti i misuratori di potenza rilasciati commercialmente sono stati precisi (e talvolta precisi) quando sono stati appena regolati e funzionano in condizioni ideali. Tuttavia, le condizioni non sono sempre ideali e le parti vengono danneggiate, sporche e deteriorate. Se l'accuratezza e la precisione sono importanti, l'accuratezza del "design" (basata su estensimetri, sensori ottici, sensori magnetici o sensori di velocità del vento) è solo metà della battaglia: altrettanto importante è la capacità di verificare un misuratore di potenza a casa in modo da posso dire quando sono spenti.
Ho trovato interessante questa immagine del primo misuratore di potenza SRM :
La manovella è montata come una leva (ruotando attorno al mandrino): più si preme con forza il pedale, più si piega la tensione di deformazione , la cui uscita viene utilizzata come parte del calcolo della potenza (come è meglio descritto nell'altra risposte!)
Molti misuratori di potenza moderni sono essenzialmente dei perfezionamenti di questo concetto
Fondamentalmente, i misuratori di potenza funzionano tutti misurando la forza (o la coppia) e una velocità.
http://en.wikipedia.org/wiki/Power_(physics)#Mechanical_power
P(t) = F(t) * v(t)
In altre parole:
Power = Force * velocity
Un misuratore di potenza basato su pedale o pedivella misurerà la quantità di coppia applicata alle pedivelle. Questo combinato con la tua cadenza ti dà la potenza erogata (aggiungi tempo e hai fatto il lavoro totale).
Un misuratore di potenza basato su mozzo sta misurando la coppia applicata al mozzo dalla trasmissione e combinando quella con la velocità o la rotazione della ruota conta per fare la stessa matematica di base e calcolare la potenza lì.
Fondamentalmente, uno misura il potere che entra nella trasmissione, l'altro misura il potere che esce dalla trasmissione. Se avessi entrambi, il misuratore di potenza del mozzo mostrerebbe una quantità leggermente inferiore di potenza a causa della potenza persa nella trasmissione. Una trasmissione per biciclette è comunque molto efficiente (specialmente se ben mantenuta), quindi non mi preoccuperei della minima differenza. In una certa misura può dipendere dal fatto che ti interessi di più della tua potenza o della potenza dell'intero sistema pilota + bicicletta.
L'attuale meccanismo fisico sottostante è probabilmente un estensimetro costituito da un filo sottile che scorre a zig-zag su una trave che si piega leggermente quando viene applicata la forza. Piegare i fili cambia la resistenza elettrica. http://en.wikipedia.org/wiki/Strain_gauge
Ho anche sentito parlare di misuratori di potenza che misurano la forza dei pedali. Presumo che debbano essere informati della lunghezza delle pedivelle. Ho anche sentito parlare di sistemi che misurano le vibrazioni della catena per calcolare la tensione sulla catena per ottenere informazioni sulla forza / coppia per calcolare la potenza erogata.