Potencia de salida a diferentes densidades de aire

Solo volviendo a esta pregunta ya que hay algunas consideraciones.

El OP solo mencionó la presión del aire (barométrica) y no necesariamente la altitud. Comenzaré solo con la presión barométrica y volveré al impacto de la altitud.

Las variaciones típicas de la presión barométrica a la misma altitud y, por lo tanto, el impacto en la presión parcial de oxígeno (O2), no son tan grandes como para ser perceptibles para la capacidad de generar energía, sin embargo, son suficientes para afectar la velocidad que uno puede alcanzar para un potencia de salida dada. Puede que no sea tan notable en la conducción general por la ciudad, pero los ciclistas de contrarreloj podrán lograr tiempos más rápidos o más lentos dependiendo de la presión barométrica.

No ocurrirá una variación del 10% en la presión del aire a la misma altitud . por ejemplo, la diferencia entre un día de muy baja presión (por ejemplo, un ciclón de categoría 2 a 3 con zona central de baja presión a 970 hPa) y una presión muy alta (por ejemplo, un día bueno a 1030 hPa) es solo del 6%.

Dado que es poco probable que viaje en un huracán o ciclón, las fluctuaciones en la presión barométrica para las condiciones en las que realmente viajará son típicamente solo un dos por ciento. Aun así, para un corredor de contrarreloj, en un recorrido de 40 km, la diferencia en la densidad del aire entre los días de baja y alta presión puede resultar en una diferencia de 30 segundos en el tiempo de recorrido, en igualdad de condiciones.

La densidad del aire puede variar más que eso debido únicamente a los cambios en la presión barométrica. La densidad del aire es principalmente una función de la presión barométrica, la temperatura del aire y la altitud.

La densidad del aire aumenta con el aumento de la presión barométrica y se reduce con el aumento de la temperatura y la altitud. La humedad tiene un impacto muy pequeño (insignificante) en la densidad del aire, pero en aras de la exhaustividad, el aumento de la humedad reduce un poco la densidad del aire.

Impacto de la altitud en el rendimiento

Si consideramos el impacto de la altitud en el rendimiento del ciclismo, como han dicho otros, hay dos factores principales:

i. el impacto fisiológico en su capacidad para generar energía sostenible a medida que la presión parcial de O2 se reduce con el aumento de la altitud, y

ii. el impacto físico a medida que se reduce la densidad del aire, lo que significa que uno puede alcanzar una velocidad más alta para la misma potencia de salida (ceteris paribus).

El impacto fisiológico

A medida que ascendemos a altitudes más altas y la densidad del aire disminuye, el aire "más delgado" significa una reducción en la presión parcial de oxígeno, lo que afecta negativamente la producción de energía que podemos mantener a través del metabolismo aeróbico. Esa pérdida de potencia puede llegar al 20% o más dependiendo de qué tan alto lleguemos y nuestra respuesta individual a la altitud.

Se han publicado algunos artículos que examinan el impacto de la altitud en el rendimiento atlético aeróbico y, a partir de estas fórmulas, se han desarrollado para estimar la pérdida de potencia en función de la altitud. Había uno del artículo de 1989 de Peronnet et al, dos del artículo de 1999 de Bassett et al, uno para atletas aclimatados y no aclimatados. Además de eso, he generado una cuarta fórmula, basada en el estudio de 2007 de Clark et al. Los papeles relevantes son:

Péronnet F, Bouissou P, Perrault H, Ricci J.: Una comparación de los registros de tiempo de los ciclistas según la altitud y los materiales utilizados.

Bassett DR Jr, Kyle CR, Passfield L, Broker JP, Burke ER.: Comparación de los récords de horas mundiales de ciclismo, 1967-1996: modelado con datos empíricos.

Clark SA, Bourdon PC, Schmidt W, Singh B, Cable G, Onus KJ, Woolford SM, Stanef T, Gore CJ, Aughey RJ.: El efecto de la altitud moderada aguda simulada sobre la potencia, el rendimiento y las estrategias de ritmo en ciclistas bien entrenados .

Peronnet et al utilizaron datos empíricos de los récords mundiales reales de horas de ciclismo para estimar el impacto de la altitud en la producción de potencia de un ciclista de élite. Las suposiciones utilizadas para estimar la pérdida de potencia inducida por la altitud pueden tener algún error; en particular debido a los métodos utilizados para estimar la potencia de cada ciclista, ya que en realidad no se midió ni la potencia ni el coeficiente de resistencia aerodinámica.

De acuerdo con el antiguo artículo de preguntas frecuentes del foro Wattage del Dr. David Bassett, Jr, las dos fórmulas de Bassett et al se derivaron de artículos anteriores que examinaban el impacto de la altitud en el rendimiento aeróbico de cuatro grupos de corredores altamente entrenados o de élite. Entonces, si bien estas fórmulas no se derivaron de los ciclistas, aún podemos generalizar a partir de ellas a la pérdida de capacidad aeróbica de los ciclistas.

Finalmente, el estudio realizado por Clark et al midió el impacto en la utilización máxima de oxígeno (VO2), la eficiencia bruta y la producción de potencia en bicicleta en diez ciclistas y triatletas bien entrenados pero no aclimatados a la altitud al evaluar a ciclistas en altitudes simuladas de 200, 1200, 2200 y 3200 metros. Examinaron una serie de factores, incluida la producción de potencia máxima de 5 minutos, el VO2 y la eficiencia bruta en relación con el rendimiento a 200 metros, así como el VO2 submáximo y la eficiencia bruta.

Utilicé estos datos para generar una fórmula similar a las de Peronnet et al y Bassett et al (que componen los números de la tabla enumerada en una de las otras respuestas). Por supuesto, se supone una reducción equivalente en la potencia de 1 hora como para la potencia de 5 minutos. Clark et al notaron reducciones ligeramente mayores en el pico de VO2 que para la potencia máxima de 5 minutos, y ningún cambio en la eficiencia bruta a la potencia máxima de 5 minutos con la altitud. Así que hay alguna contribución metabólica anaeróbica que presumiblemente compensa la diferencia. Se notó cierta pérdida de eficiencia submáxima a 3200 metros simulados.

Elegí en este caso usar la reducción en la potencia de 5 minutos en lugar de la caída en el pico de VO2 como datos base para la fórmula, y apliqué un ajuste para compensar la fórmula de equivalencia al nivel del mar para alinearla con la fórmula por Peronnet et al y Bassett et al. Por supuesto, cuando observa los datos informados, hay variaciones considerables dentro del grupo de prueba en cada altitud simulada, por lo que la fórmula se basa en los promedios de grupo para cada altitud simulada.

Aquí están las fórmulas:

x = kilómetros sobre el nivel del mar:

Peronnet et al:
Proporción de potencia a nivel del mar = -0.003x^3 + 0.0081x^2 - 0.0381x + 1

Bassett et al Atletas aclimatados a la altitud (varias semanas en altitud): Proporción de potencia a nivel del mar = -0,0112 x^2 – 0,0190x + 1 R^2 = 0,973

Bassett et al Atletas no aclimatados a la altura (1-7 días en altura): Proporción de potencia a nivel del mar = 0,00178x^3 – 0,0143x^2 – 0,0407x + 1 R^2 = 0,974

Fórmula de Simmons basada en Clark et al: Proporción de potencia a nivel del mar = -0.0092x^2 – 0.0323x + 1 R^2 = 0.993

y en forma de gráfico se ven de la siguiente manera:

Ahora, tenga en cuenta que estos son promedios de las muestras utilizadas en cada estudio y que existe una variación individual, por lo que el impacto para cualquier individuo estará en este rango, pero podría ser mayor o menor.

El impacto de la física

Ahora, por supuesto, desde una perspectiva de rendimiento, pierde potencia de salida a medida que aumenta la altitud, sin embargo, hay una ganancia de rendimiento ya que la menor densidad del aire significa que puede viajar a una velocidad más alta para la misma potencia de salida (y aerodinámica).

La física es bastante sencilla y, a diferencia del impacto fisiológico, se aplica por igual a todos. Como ejemplo, examiné la influencia de la altitud en la física del récord mundial de horas de ciclismo y mostré cómo la reducción en la densidad del aire a medida que aumenta la altitud significa que uno puede viajar más rápido para la misma potencia de salida, o dicho de otra manera, la demanda de potencia se reduce en cualquier velocidad dada a medida que aumenta la altitud.

Eso dio como resultado este gráfico, que muestra la relación entre potencia y resistencia aerodinámica (W/m^2) y la altitud para velocidades que van desde 47 km/h hasta el récord de 56,375 km/h de Chris Boardman.

En esencia, a medida que aumenta la altitud, la relación entre potencia y resistencia aerodinámica se reduce para la misma velocidad.

El impacto neto de los impactos fisiológicos y físicos.

Bueno, cuando combinamos los dos, este es el resultado:

Esto debería ser razonablemente sencillo de interpretar, pero aun así daré alguna explicación.

El eje horizontal es la altitud y las líneas verticales oscuras representan la altitud de varias pistas alrededor del mundo.

El eje vertical es la proporción de la velocidad a nivel del mar alcanzable.

Las líneas de colores curvas representan el impacto combinado de una reducción en la potencia utilizando cada una de las fórmulas resaltadas anteriormente, combinado con la reducción en la densidad del aire que permite mayores velocidades para la misma potencia.

Entonces, por ejemplo, si observamos la línea verde (Basset et al aclimatados), esto muestra que a medida que un ciclista aumenta la altitud, es capaz de mantener una velocidad más alta hasta alrededor de 2900 metros, y cualquier aumento adicional en la altitud muestra una disminución. en la velocidad alcanzable, ya que las pérdidas de energía comienzan a compensar la reducción en la densidad del aire.

La pista en Aigle Switerland representa alrededor de un 1 % de aumento de velocidad con respecto a Londres, mientras que andar en Aguascalientes proporcionaría entre un 2,5 % y un 4 % de aumento de velocidad. Dirígete a la Ciudad de México y es posible que ganes un poco más, pero como muestra el gráfico, las curvas comienzan a aplanarse y, por lo tanto, el equilibrio entre riesgo y recompensa se inclina más hacia el extremo más riesgoso del espectro.

Por lo tanto, la altitud representa un caso de buenas ganancias pero rendimientos decrecientes a medida que el aire se vuelve más escaso. Una vez que supera los 2000 metros, las ganancias de velocidad comienzan a disminuir y, finalmente, comienzan a reducirse, lo que significa que hay una altitud de "punto ideal".

Advertencias, y hay algunas, pero las más importantes son:

• la altitud ideal de cualquier individuo dependerá de su respuesta individual a la altitud

• las líneas trazadas representan promedios para los grupos atléticos estudiados;

• la fórmula utilizada tiene un dominio de validez limitado, mientras que las líneas trazadas se extienden más allá;

• estos no son los únicos factores de rendimiento a considerar, pero son dos de los más importantes.

Sospecho que la caída en el rendimiento con la altitud podría ocurrir un poco más bruscamente para muchos de lo que se sugiere aquí. Sin embargo, los mismos principios se aplican incluso si su respuesta personal a la altitud está en el extremo inferior del rango, y es difícil imaginar por qué alguien sugeriría que dirigirse a una pista de al menos una altitud moderada es una mala idea desde la perspectiva del rendimiento.

Si desea leer un poco más, cubro estos temas en tres artículos de blog aquí:

http://alex-cycle.blogspot.com.au/2014/09/wm2-altitude-and-hour-record.html

http://alex-cycle.blogspot.com.au/2014/12/wm2-altitude-and-hour-record-part-ii.html

http://alex-cycle.blogspot.com.au/2015/06/wm2-altitude-and-hour-record-part-iii.html

El siguiente gráfico se puede encontrar en un artículo interesante en el blog de Training Peaks . A partir de esto, debería poder ajustar su nivel de potencia en consecuencia.

La potencia disminuye a medida que aumenta la altitud. Pero la compensación es que la densidad del aire disminuye en paralelo (hasta un punto). Y esta es la razón por la que se han intentado muchos récords de horas en altitud. El óptimo es aparentemente 3500m. Por lo que el aumento de velocidad compensa la pérdida de potencia. De ahí la popularidad de los velódromos de La Paz (Bolivia) a 3400m y el velódromo de la Ciudad de México a 2230m.

Con respecto a la noción de presión de los neumáticos y resistencia a la rodadura, hubo un artículo reciente que desacreditó el mito sobre las presiones altas de los neumáticos, afirmando que la pérdida de energía creada por las vibraciones de la presión alta de los neumáticos significaba que la presión más baja de los neumáticos era en realidad más rápida que la "normal". "superficies de carreteras.

http://www.wolfgang-menn.de/altitude.htm