相信大家已经骑公路车有一段时间了，当你打开各种群聊或者社交媒体的时候经常能够刷到更换xx零件减少了一百多克，速度快了0.1。然后此时你也感觉自己的车太重了，想着能不能通过减重的方式提升下速度，能够在平路上有更高的巡航，不至于经常团骑掉队。那么公路自行车的重量和车的速度到底是什么关系，这个占比大吗，或者说值得我们投资在减重上收益真的有那么大吗，我们借助ai来研究下。

前提条件

现在自行车厂商宣传的时候都会说新一代车型在相同的风洞条件下比上一代节省了多少瓦。我们根据这个来计算下平路巡航40km/h的情况下，影响速度的最主要因素。

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所以我们可以看到功率(P)，和速度的立方成正比，也就是40km/h的速度下，会比35km/h的情况所需要的功率大的多。

例如，我使用一个简化的在线计算器（基于Gribble的物理模型，并设定一些典型值：骑手75kg，自行车8kg，CdA 0.35 m^2，滚动阻力系数 Crr 0.005，平路无风）：

  • 在 35 km/h 时，估算功率约为 195 瓦。
  • 在 40 km/h 时，估算功率约为 273 瓦。

这种情况下，功率差距是 273W - 195W = 78 瓦。

破风碳纤维公路车对比普通圆管铝合金公路车

圆管被认为是最差的空气动力学设计，现在的破风架公路车都采用截尾翼型设计，什么是截尾翼型（Kammtail Virtual Foil）,崔克有一篇文章写的很好，

Kammtail Virtual Foil - Trek Bikes (CN)

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好的，如果明确“普通铝合金车架”是普通圆管设计，那么它与现代“破风车型”在空气动力学上的差异会更加显著。圆管是已知的空气动力学效率最低的管型之一。

在这种情况下，我们可以更精确（或者说，更有信心地给出较高值）地估算功率节省。

前提条件保持不变：

  • 平路无风
  • 75kg体重的骑手
  • 采用同样的气动姿势 (例如，手握刹变把位)
  • 速度为40公里/小时

分析差异点：

  1. 车架管型 (Tube Shape)：
    • 普通圆管铝合金车架： 圆管在迎风时会产生较大的空气扰动和负压区，导致较高的风阻。
    • 破风车型： 使用经过CFD（计算流体动力学）和风洞优化的翼型管（airfoil shapes）或截尾翼型管（Kammtail profiles），这些管型能让空气更平顺地流过，显著减少空气阻力。
  2. 整合度 (Integration)：
    • 普通圆管铝合金车架： 通常线管外露，各部件连接处（如头管与前叉、五通区域、座管夹等）没有特别的气动整合考虑。
    • 破风车型： 通常采用全内走线，座管夹为隐藏式或整合式，前叉与车架过渡平滑，有些甚至会考虑水壶和水壶架的气动效应。
  3. 座舱 (Cockpit)：
    • 普通圆管铝合金车架： 几乎标配传统的圆管弯把和标准把立，线管外露。
    • 破风车型： 即使不是一体式气动把组，也常会配备气动扁平上把的弯把，并且把立设计也会考虑到气动性。高端破风车则多为整合气动把组。

功率节省估算（对比纯圆管铝架）：

  • 车架本身 (Frame & Fork)： 仅车架和前叉从纯圆管设计升级到优秀的气动优化设计，在40公里/小时的速度下，节省的功率可以达到 20 - 35 瓦 是一个合理的范围。一些研究和品牌宣传中，对比非常基础的圆管设计，顶级气动车架的节省量甚至可能接近或超过30瓦。
  • 座舱 (Cockpit)： 从传统的圆管弯把、标准把立、外走线，升级到气动弯把、气动把立、全内走线（或一体式气动把组），这部分可以额外节省大约 5 - 15 瓦。

综合估算功率区别：

综合以上两点，一个现代“破风车型”对比一个“普通圆管设计铝合金车型”，在上述条件下：

  • 总的功率节省估算范围：大约在 25 - 50 瓦之间。

这个范围比之前估算的（对比“普通铝合金车型”，未特指纯圆管）要更高一些，因为“纯圆管”设计在空气动力学上处于劣势的起点。

举例说明所需功率：

  • 假设“普通圆管铝合金车型”在40公里/小时需要约 273 瓦 (基于之前的典型参数估算，如果因圆管车架 CdA 略高，这个基准值可能还会稍高一点，比如280-290瓦)。
    • 如果以 280 瓦 作为纯圆管铝架的基准：
      • 破风车型可能只需要：
        • 280 W - 25 W = 255 瓦 (节省下限)
        • 280 W - 50 W = 230 瓦 (节省上限)

结论：

在75kg体重、相同气动姿势、40公里/小时、平路无风的条件下，从“普通圆管设计铝合金车型”换到“破风车型”，骑手大约可以少输出 25 到 50 瓦的功率来维持相同的速度。

  • 一个更具代表性的中间值可能在 30 - 40 瓦左右。

这个节省量是非常可观的，对于长时间骑行或者竞技比赛来说，可以转化为更快的速度、更持久的耐力，或者在集团骑行中更轻松地跟风。

再次强调，这仍然是基于普遍数据和理论的估算。实际的差异会因具体的车型设计、组件搭配（尤其是轮组，尽管我们这里主要讨论车架和座舱）以及测试条件的细微差别而有所不同。但“纯圆管”这个明确的限定条件，使得我们可以更有把握地认为其与破风车的差距会处在上述估算范围的较高区间。

那么材料的刚性区别对于这个影响大吗

这个问题非常好，它触及了自行车性能中一个经常被讨论但有时难以量化的话题。在上面讨论的条件（例如平路无风、40公里/小时的稳定速度）下，铝合金车架和碳纤维车架的刚性区别理论上可以体现在功率上，但其影响通常远小于空气动力学因素，并且难以精确分离和测量。

以下是详细分析：

1. 车架刚性与功率传递

  • 定义： 车架刚性指的是车架在受到踩踏力、转向力或路面冲击时抵抗形变的能力。主要关注的是五通区域的刚性（抵抗踩踏时的扭曲）和头管区域的刚性（影响操控和摇车时的力量传递）。
  • 理论上的影响：
    • 更硬的车架： 理论上，更硬的车架在踩踏时形变更小，这意味着骑手施加在脚踏上的力能更直接、更有效地传递到后轮，驱动自行车前进。
    • 更软的车架： 如果车架在踩踏时发生明显的形变（例如五通区域的横向摆动），一部分能量可能会被用于弯曲车架，而不是驱动后轮。这部分用于形变车架的能量，有一小部分会以热量的形式耗散掉（材料的阻尼效应），大部分能量在形变恢复时会返回，但返回的时机和方向可能并不完全有助于前进（Source 1.3, 2.1, 2.2）。

2. 铝合金 vs. 碳纤维的刚性

  • 铝合金： 高品质的铝合金车架可以做得非常坚硬，尤其是在五通和头管区域。铝合金的特性是刚性好，但通常为了达到高刚性，管材需要做得相对粗壮，或者管壁较厚，这可能导致重量增加或骑行感受较为颠簸（因为垂直刚性也较高，吸震性差）。
  • 碳纤维： 碳纤维材料的优势在于其高度的可设计性。工程师可以通过控制碳纤维的排布方向、层数和树脂类型，在车架的不同部位实现特定的刚性需求。这意味着碳纤维车架可以做到：
    • 在需要高刚性的区域（如五通、下管、头管）做得非常硬，以确保高效的动力传输。
    • 在需要一定吸震性的区域（如后上叉、立管）做得相对柔顺，以提升舒适性。
    • 同时，碳纤维可以实现极高的刚性重量比，即在达到同样甚至更高刚性的情况下，比铝合金更轻。

关键点：并非所有碳纤维车架都比所有铝合金车架硬，反之亦然。 高端铝合金车架的刚性可能超过低端碳纤维车架。但总的来说，碳纤维为实现“该硬的地方硬，该软的地方软”提供了更大的可能性。

3. 车架形变导致的实际功率损失

这是问题的核心，也是最具争议的地方。

  • 能量损失非常小： 大多数研究和专家认为，对于设计合理的现代自行车（无论是铝合金还是碳纤维），因车架形变而直接损失的功率非常非常小，通常在1-2瓦以内，甚至更低 (Source 1.1, 1.3)。Fair Wheel Bikes 在对曲柄的测试中提到，一个非常软的曲柄在300瓦输出时可能吸收4.8瓦（1.6%），而硬50%的曲柄吸收3.2瓦（1.07%），差异为1.6瓦。车架的形变量通常比曲柄更小。
  • 能量返回： 大部分用于使车架形变的能量会随着车架回弹而返回系统。争论点在于这些能量返回的时机是否能有效地帮助踩踏，或者是否会被骑手的肌肉吸收（导致额外的生理消耗，而非直接的机械功率损失）(Source 2.1, 2.2, 8.3)。
  • 感知 vs. 实际损失： 一个感觉上“软”的车架可能会给骑手一种迟钝、发力不直接的感觉，这可能会影响骑手的发力节奏和信心，从而间接影响表现。但这种主观感受不完全等同于可测量的、显著的机械功率损失。

4. 刚性对“功率输出”与“所需功率”的影响

  • 所需功率 (Power Required)： 这是我们之前讨论空气动力学时主要关注的，即维持特定速度（如40km/h）需要克服空气阻力、滚动阻力等所需的功率。车架刚性对这部分直接影响极小。
  • 功率传递效率 (Power Transfer Efficiency)： 这是刚性主要影响的方面。一个理论上刚性稍差的车架，可能意味着骑手在脚踏端输出的功率，在传递到后轮的过程中，因车架形变额外损失了微不足道的瓦数。这意味着，为了在后轮达到与硬车架相同的驱动功率，骑手可能需要在脚踏端多输出那零点几瓦或一两瓦的功率。

5. 与空气动力学节省的对比

在40公里/小时的速度下，我们讨论过的空气动力学节省（例如从普通车架到气动车架、普通轮组到气动轮组、分体服到连体服、普通头盔到气动头盔）通常在 5瓦到几十瓦 的量级。

相比之下，因车架刚性差异（在现代优质铝架和碳架之间）导致的直接功率损失差异，即使存在，也可能只有 1-2瓦甚至更少。

结论：

在上面讨论的条件下（稳定速度骑行），铝合金车架和碳纤维车架的刚性区别，虽然理论上可能导致微小的功率传递效率差异，但这种差异在数值上通常非常小，远小于空气动力学因素带来的影响，并且在实际骑行中很难被精确地、孤立地测量出来并归因于刚性本身。

  • 主要影响感知和操控： 刚性更多地影响骑手的感知（是否“发力直接”）、操控响应（尤其是在摇车、冲刺或高速过弯时）以及舒适性。
  • 极端情况： 如果对比的是一个设计极差、非常软塌的铝架和一个顶级高刚性碳架，那么在极限冲刺等爆发力输出情况下，刚性差异带来的“力量被吸收”的感觉可能会更明显。但在稳定功率输出巡航时，这种差异会被大大缩小。
  • 碳纤维的优势： 碳纤维的主要优势在于其优异的刚性重量比和可调校性，可以在实现高刚性的同时保持轻量化，并优化舒适性，这对于整体骑行体验和在爬坡、加速等情境下的表现更有意义。

因此，虽然刚性很重要，但在讨论稳定速度下的“功率节省”时，其优先级和影响量级通常排在空气动力学之后。一个刚性“足够好”的铝架，在稳定巡航时的功率传递效率与一个同样刚性“足够好”的碳架相比，差异可能微乎其微。

结论

如果仅追求平路巡航的情况下，空气动力学才是你追求的第一目标，你可以使用截尾翼型的车架（无论材质如何），这种翼面轮廓几乎可适用于自行车各部位的型材设计，比如前叉腿、下管、座管、后上叉和车把。KVF 另外一个优势是，比传统泪珠型翼面更宽，从而加大横向硬度，提高对自行车的操控性。更气动的姿势，连体的骑行服，气动头盔来增加空气动力学收益，而不是一味的追求轻量化。