O que exatamente eles estão medindo? Como eles medem isso? Quais são as implicações das diferentes abordagens na precisão / velocidade de obter uma boa medida?
Seria útil se alguém desse uma resposta que explique como os medidores baseados em hub como o PowerTap diferem dos medidores baseados em manivela como o Quarq, que diferem dos outros.
Respostas:
Existem vários tipos diferentes de medidores de energia no mercado e cada um mede algo ligeiramente diferente para fazer suas estimativas. Além disso, a maneira como medem o que medem tem implicações em sua precisão. Abaixo, discuto o que os principais modelos medem, como eles medem e as implicações para a precisão.
Potência é a taxa de trabalho (portanto, você precisa saber a quantidade de trabalho e o período de tempo em que esse trabalho é realizado) e o trabalho é uma força exercida à distância, de modo que cada medidor de energia tem uma maneira diferente de medir esses forças e, por causa das patentes, cada um optou por medi-las em um "local" diferente.
Com exceção da iBike, a maioria dos medidores de potência mede as forças em algum ponto do trem de força: trabalhando de trás para frente, o PowerTap (e o antigo Look MaxOne) mede no cubo traseiro, os sistemas Polar mais antigos medidos ao longo da corrente, as medidas Quarq, SRM, Rotor e Power2Max na aranha do anel da corrente dianteira, a nova Look / Polar e Garmin Metrigear (até agora anunciadas, mas não lançadas) no eixo do pedal, as medidas (anunciadas mas não lançadas) da Brim Brothers no calço, o Ergomo mede no suporte inferior e o Stages mede na manivela esquerda. O iBike mede de uma maneira completamente diferente, discutida abaixo. Uma conseqüência da medição em vários pontos ao longo do trem de força é que as perdas do trem de força (ou não) serão contabilizadas em um grau diferente; por exemplo, uma PowerTap geralmente terá uma leitura menor que uma SRM, uma vez que uma está "a montante" da maioria das perdas do trem de força, enquanto a outra está "a jusante". Essa diferença é mais uma questão de definição do que uma questão estrita de "precisão" (no sentido de "a receita bruta ou a receita líquida é uma medida de receita mais" precisa "?" A menos que você tenha um uso específico em mente, é difícil diga qual é mais "preciso").
A maioria dos medidores de energia no mercado usa extensômetros, que são pequenas faixas finas de folha cuja condutividade e resistência elétricas variam conforme são deformadas. Os strain gages são usados em muitas aplicações (como pontes) e suas propriedades são bem conhecidas. Em geral, os strain gages são combinados em uma "roseta" ou "ponte de Wheatstone" para produzir mais exatidão e precisão (mais strain gages geralmente produzem melhores resultados) e, ao operar corretamente, o Power Tap, Quarq e SRM são geralmente preciso dentro de um par de por cento (e, igualmente importante, com alta precisão); isso foi verificado estaticamente (usando pesos conhecidos pendurados na manivela) e também dinamicamente (usando um tambor de rolamento grande acionado em laboratório). As forças são então combinadas com uma medida de velocidade angular ou velocidade para obter potência. Uma virtude dos strain gages é que a mudança na resistência pode ser medida mesmo quando o dispositivo está parado, para que o ciclista possa medir a precisão dos medidores de potência baseados em strain gage em casa, pendurando pesos de uma massa conhecida na manivela. Um problema comum com a abordagem do strain gage, no entanto, é que eles podem ser sensíveis a mudanças de temperatura e, portanto, precisam ser "zerados" novamente antes (e às vezes durante) dos passeios. O velho calcanhar de Aquiles da Look MaxOne era à prova d'água, não os extensômetros ou o método de medição. Por exemplo, o Power2Max original (e o antigo modelo "Amador" descontinuado do SRM) usa menos extensômetros do que o atual PowerTap, Quarq, Os modelos ou relatórios SRM dos usuários (posteriormente admitidos pelo fabricante) mostraram que era mais sensível à variação de temperatura durante uma viagem do que os outros. O Power2Max foi redesenhado e atualizado no final de 2012 e há relatos de que o problema da temperatura foi amplamente abordado. Uma característica reivindicada do Stages é que ele foi desenvolvido com base na compensação automática de temperatura - desde o início de 2013 essa reivindicação ainda está sendo avaliada pelos usuários e é muito cedo para saber se a abordagem deles faz o que alega.
O antigo medidor de potência Polar media a força transmitida ao longo da corrente pela tensão da corrente e incluía um sensor de velocidade da corrente para obter trabalho total. Em uma corrente, uma força mais alta transmitida ao longo da corrente resulta em uma tensão mais alta, e a tensão pode ser medida pela frequência ressonante do objeto (por exemplo, puxar um raio altamente tensionado com a unha produz um tom de alta frequência enquanto puxar um raio solto produz um tom baixo). Como um histórico à parte, o protótipo de prova de conceito do sensor de tensão da corrente Polar foi o captador de uma guitarra elétrica. O sensor de velocidade da corrente encaixava-se em uma das rodas do desviador e podia contar os "pulsos" no campo magnético à medida que os rebites da corrente passavam; Como os rebites das correntes estão a uma distância conhecida, a velocidade da corrente foi facilmente calculada. Quanto à precisão, quando o Polar estava funcionando bem, foi muito bom; no entanto, quando não era, era muito travesso mesmo. Pior, muitas vezes era difícil dizer quando estava sendo malcriado. A queda do antigo medidor de potência Polar foi três vezes maior: 1) o sensor de tensão da corrente precisava estar próximo à corrente, o que era difícil de alcançar, já que a corrente às vezes tinha que estar no anel grande ou pequeno da corrente ou no anel grande ou pequeno. pequena roda dentada traseira; 2) o sensor de velocidade da corrente às vezes fica sobrecarregado e fornece leituras falsas de velocidade; e 3) impermeabilização incompleta, em parte devido a fios expostos e a uma "cápsula" mal selada. o que era difícil de alcançar, já que a corrente às vezes tinha que estar no anel grande ou pequeno ou no anel traseiro grande ou pequeno; 2) o sensor de velocidade da corrente às vezes fica sobrecarregado e fornece leituras falsas de velocidade; e 3) impermeabilização incompleta, em parte devido a fios expostos e a uma "cápsula" mal selada. o que era difícil de alcançar, já que a corrente às vezes tinha que estar no anel grande ou pequeno ou no anel traseiro grande ou pequeno; 2) o sensor de velocidade da corrente às vezes fica sobrecarregado e fornece leituras falsas de velocidade; e 3) impermeabilização incompleta, em parte devido a fios expostos e a uma "cápsula" mal selada.
O medidor de energia baseado no suporte inferior da Ergomo utilizou um sensor óptico e uma série de "orifícios de espiada" para medir a torção no suporte inferior. Uma característica estranha desse projeto é que ele só podia medir a força (torcional) que viaja através do suporte inferior; assim, mediu apenas o poder contribuído pela perna esquerda: para obter potência total, dobrou a contribuição da perna esquerda. Em conjunto com a dificuldade em instalar e calibrar o Ergomo (ele tinha que ser instalado exatamente exatamente), essa dependência da simetria bilateral entre as pernas era o ponto de partida para o Ergomo. O medidor de potência Stages também mede a força por deformação na manivela esquerda e dobra a "esquerda" para chegar a uma estimativa da potência total. Pesquisas com pedais de força instrumentados mostram que a assimetria bilateral na produção de energia entre as pernas direita e esquerda é a norma - pior, a pesquisa mostra que a assimetria pode mudar com o nível de esforço. No entanto, alguns pilotos estão dispostos a aceitar essa imprecisão e imprecisão inerentes.
Como nem os antigos medidores de potência Polar nem Ergomo usavam extensômetros, sua exatidão e precisão não podiam ser verificadas estaticamente em campo pelo ciclista; eles só podiam ser verificados dinamicamente (ou em outro medidor de potência conhecido e calibrado).
Há rumores de que os medidores de potência de pedais ou grampos inéditos Garmin Metrigear e Brim Brothers usam sensores piezoelétricos e acelerômetros de estado sólido em vez de strain gages, mas até chegarem ao mercado todas as alegações de precisão ou precisão devem ser tomadas com grãos de sal. Um problema interessante no design de um medidor de potência baseado no pedal ou no grampo é que a direção da força e a posição do eixo do pedal devem ser conhecidas: por exemplo, se você adicionar força para baixo na parte inferior do curso do pedal, isso é força desperdiçada, uma vez que não ajuda a mover a manivela na direção correta; da mesma forma, se você pressionar (ainda que levemente) a pressão, isso cancelará parte da força exercida pela outra perna na pressão. Manter o controle dos vários vetores de força é, portanto, essencial para obter precisão e precisão confiáveis. Até certo ponto, o medidor de potência Stage também pode ocasionalmente ser suscetível a um problema relacionado: o Stages usa um acelerômetro de estado sólido no pedal (semelhante aos acelerômetros de estado sólido que podemos encontrar em smartphones) para determinar sua posição. Os primeiros modelos de produção do Stages foram atormentados por medições imprecisas da posição do pedal, de modo que a velocidade do pedal também era imprecisa - e isso teve repercussões na precisão das estimativas finais de potência.
O medidor de potência Look / Polar, lançado recentemente (em janeiro de 2012), usa extensômetros dispostos ao longo do eixo do pedal, e cada pedal deve ser cuidadosamente instalado para que os pedais saibam em que direção as forças estão sendo aplicadas - uma ferramenta especial é fornecida com o pedais para ajudar na orientação. Para simplificar a conversão das forças medidas em valores de torque, o pedal Look / Polar permite o uso de apenas quatro comprimentos diferentes de manivela: 170 mm, 172,5 mm, 175 mm e 177,5 mm. Atualmente, manivelas com menos de 170 mm não são suportadas. Um pedal é o "mestre" e o outro é o "escravo"; o pedal escravo transmite informações ao mestre que agrupa os dados dos dois pedais e os encaminha para a unidade principal. No momento, o pedal Look / Polar usa seu próprio protocolo de transmissão e nenhum outro fabricante assinou ainda para fornecer unidades de cabeça compatíveis. Os primeiros relatórios sobre os novos pedais Look confirmam que a orientação dos pedais é crítica: como o eixo de um pedal é pequeno, um pequeno erro absoluto no alinhamento pode ser um grande erro relativo na orientação angular.
A iBike adota uma abordagem completamente diferente: calcula a energia indiretamente. Ou seja, você precisa de uma certa quantidade de energia para superar as mudanças na energia potencial (subir ou descer), para as mudanças na energia cinética (aceleração ou desaceleração), para superar o arrasto aerodinâmico (incluindo o vento) e o arraste da resistência ao rolamento. sabe a velocidade do solo, o gradiente, a velocidade do vento, sua massa total (você mais a bicicleta e todos os equipamentos) e, em seguida, combinada com estimativas dos coeficientes de resistência ao rolamento (Crr) e do arrasto aerodinâmico e da superfície frontal (CdA ou área de arrasto) que você pode calcular a potência geral (veja, por exemplo, aqui) Em essência, os outros medidores de energia no mercado se concentram na "equação do lado da oferta", medindo a potência fornecida pelo ciclista em algum lugar ao longo do trem de força; o iBike se concentra no "lado da demanda", medindo a potência necessária para mover a bicicleta contra o vento, o gradiente e outras forças de arrasto. Sob condições normais, isso pode ser bastante (talvez até surpreendentemente) preciso, embora a precisão da potência estimada dessa maneira não seja tão boa - a iBike assume que a área de arrasto aerodinâmico (também conhecida como CdA) é constante, portanto, se o ciclista muda de posição (por exemplo, movendo-se das quedas para os topos das barras) ou se a velocidade do vento for diferente porque o ângulo da guinada muda, a estimativa de potência será desativada. Em geral, o iBike demonstrou ser bastante preciso para subidas de montanhas; menos para cursos de rolamento ou andar em um pacote, portanto, a precisão geral dependerá da combinação exata de pilotagem realizada e da variabilidade na direção do vento. Assim como os antigos Polar e Ergomo baseados em não-strain gage, a iBike não pode ser verificada estaticamente quanto à exatidão ou precisão; pior, nem pode ser verificado em uma plataforma dinâmica em laboratório, pois depende do gradiente e da velocidade do vento. As verificações da iBike foram realizadas em campo quando os ciclistas montaram outro medidor de potência na mesma bicicleta e compararam os dois fluxos de dados.
Houve algumas comparações "simultâneas" da precisão do medidor de potência em que um ciclista montou dois ou mais medidores de potência na bicicleta e realizou passeios estruturados ou não estruturados. Você pode ver uma comparação "Rosetta Stone" aqui e aqui .
Em geral, todos os medidores de energia liberados comercialmente são precisos (e às vezes precisos) quando ajustados de novo e funcionando sob condições ideais. No entanto, as condições nem sempre são ideais e as peças são danificadas, sujas e deterioradas. Se a precisão e a precisão são importantes, a precisão do "design" (baseada em extensômetros, sensores ópticos, sensores magnéticos ou sensores de velocidade do vento) é apenas metade da batalha: igualmente importante é a capacidade de verificar um medidor de energia em casa para que você pode dizer quando eles estão fora.
Achei interessante esta imagem do primeiro medidor de energia SRM :
A manivela é montada como uma alavanca (girando em torno do eixo) - quanto mais força você pressiona o pedal, mais o extensômetro se dobra, cuja saída é usada como parte do cálculo da potência (como é melhor descrito na outra respostas!)
Muitos medidores de energia modernos são essencialmente refinamentos nesse conceito
Fundamentalmente, todos os medidores de potência funcionam medindo a força (ou torque) e a velocidade.
http://en.wikipedia.org/wiki/Power_(physics)#Mechanical_power
P(t) = F(t) * v(t)
Em outras palavras:
Power = Force * velocity
Um medidor de potência baseado em pedal ou manivela medirá quanto torque é aplicado às manivelas. Isso combinado com sua cadência fornece a potência (adicione tempo e você terá o trabalho total).
Um medidor de potência baseado em cubo mede o torque aplicado ao cubo pelo trem de força e combina isso com a rotação da velocidade ou da roda para fazer a mesma matemática básica e calcular a potência produzida lá.
Basicamente, um mede a potência que entra no trem de força, o outro mede a potência que sai do trem de força. Se você tivesse os dois, o medidor de energia do hub mostraria uma quantidade de energia um pouco menor devido à perda de energia no trem de força. No entanto, um sistema de transmissão de bicicleta é muito eficiente (especialmente quando bem conservado), então não me preocuparia com a diferença muito pequena. Até certo ponto, pode depender se você se preocupa mais com a sua potência ou a potência de todo o sistema de ciclistas e ciclistas.
O mecanismo físico subjacente real é provavelmente um extensômetro que consiste em um fio fino que corre em zigue-zague sobre uma viga que se dobra levemente à medida que a força é aplicada. Dobrar os fios altera a resistência elétrica. http://en.wikipedia.org/wiki/Strain_gauge
Também ouvi falar de medidores de força que medem a força dos pedais. Presumo que eles precisam saber o comprimento das manivelas. Também ouvi falar de sistemas que medem a vibração da corrente para calcular a tensão na corrente para obter informações de força / torque para calcular a potência.