Experimental measurement of aerodynamic drag and power output of competitive cyclist for performance optimization

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaO objetivo do projeto apresentado consistiu em desenvolver e aplicar uma metodologia para avaliação, em condições reais, do arrasto aerodinâmico e a potência produzida por ciclistas de competição. A intenção é permitir selecionar os melhores componentes da bicicleta para cada ciclista e obter a melhor posição possível em cima desta, de modo a otimizar o seu desempenho em competição. Para isso, algoritmos foram desenvolvidos, com base num modelo energético integral, para determinar o arrasto aerodinâmico e a potência produzida por ciclistas. A metodologia foi depois aplicada a ciclistas já com mais de 5 anos de treino na modalidade, em que foi realizada uma otimização com vista à melhoria do desempenho em esforços individuais (contrarrelógios), com a medição de toda a geometria das bicicletas usadas, bem como de todos os parâmetros corporais relevantes. Verifica-se que não existe uma posição ótima que o ciclista deverá sempre adotar, pois esta dependerá da envolvente externa e da velocidade a que este se desloca. O uso de rodas lenticulares traseiras tem um grande impacto no arrasto aerodinâmico, com uma redução de 4.89 %, relativamente a rodas normais. A validação da metodologia foi feita avaliando diferentes posições numa bicicleta normal, sendo obtido variações de 10 a 15 % entre estas, o que está de acordo com os dados de estudos anteriores. Podemos assim garantir que a metodologia criada permite a avaliação do arrasto aerodinâmico e permite a realização de estudos para otimização da posição e do equipamento de ciclistas de alta competição.The objective of the present work consisted in developing and applying a methodology to evaluate in real conditions the aerodynamic drag and the power produced by competitive cyclists. The intention is allowing the selection of the best bike components for each cyclist and get the most optimized position to improve performance. To do so, algorithms, based on an integral energetic model, were developed to determine the aerodynamic drag and power of cyclists. The methodology was then applied to well-trained cyclists with more than 5 years of experience, with the focus of improving individual time trial performance. Measurements of bike position, body composition and the evaluation of aerodynamic drag were done to evaluate the current cyclists' position. By the results, there is not an optimal position that a cyclist should always adopt, because this one will depend on the type of terrain and speed the cyclist faces in different periods of races. The use of back disc wheels reduces the aerodynamic drag in 4.89 %, compared to the use of normal wheels. The validation of the methodology was done, evaluating the different positions on a normal road bike. The results show a difference of 10 to 15 % between different positions, which is in line with results seen in previous studies. In that way, the methodology applied in this work allows the aerodynamic drag evaluation and the realization of studies to optimize position and equipment of competitive cyclists, in order to get better results