¿Cómo funcionan los medidores de potencia para bicicletas?

Hay varios tipos diferentes de medidores de potencia en el mercado y cada uno mide algo ligeramente diferente para poder hacer sus estimaciones. Además, la forma en que miden lo que miden tiene implicaciones para su precisión. A continuación analizo lo que miden los principales modelos, cómo lo miden y las implicaciones para la precisión.

La potencia es la tasa de trabajo (por lo que necesita saber la cantidad de trabajo y el lapso de tiempo durante el cual se realiza ese trabajo), y el trabajo es una fuerza ejercida sobre una distancia, por lo que cada medidor de potencia tiene una forma diferente de medirlos. fuerzas y, debido a las patentes, cada uno ha optado por medirlas en una "ubicación" diferente.

Con la excepción del iBike, la mayoría de los medidores de potencia miden las fuerzas en algún lugar a lo largo de la transmisión: trabajando de atrás hacia adelante, el PowerTap (y el viejo Look MaxOne) miden en el buje trasero, los sistemas Polar más antiguos miden a lo largo de la cadena, las medidas Quarq, SRM, Rotor y Power2Max en la araña del plato delantero, las nuevas medidas Look/Polar y Garmin Metrigear (hasta ahora, anunciadas pero no lanzadas) en el eje del pedal, las medidas (anunciadas pero no lanzadas) de Brim Brothers en la cala del zapato, el Ergomo mide en el pedalier y el Stages mide en la biela izquierda. El iBike mide de una manera completamente diferente, discutido a continuación. Una consecuencia de medir en varios puntos a lo largo del tren motriz es que las pérdidas del tren motriz se tendrán en cuenta (o no) en un grado diferente; por ejemplo, un PowerTap generalmente leerá más bajo que un SRM, ya que uno está "aguas arriba" de la mayoría de las pérdidas del tren de transmisión, mientras que el otro está "aguas abajo". Esta diferencia es más una cuestión de definición que una cuestión estricta de "exactitud" (en el sentido de "¿los ingresos brutos o los ingresos netos son una medida más 'precisa' de los ingresos?" A menos que tenga un uso específico en mente, es difícil decir cuál es más "preciso").

La mayoría de los medidores de potencia en el mercado utilizan galgas extensiométricas, que son pequeñas tiras de láminas delgadas cuya conductancia eléctrica y resistencia varían a medida que se deforman. Las galgas extensiométricas se utilizan en muchas aplicaciones (como puentes) y sus propiedades se comprenden bien. En general, las galgas extensiométricas se combinan en una "roseta" o "puente de Wheatstone" para producir más exactitud y precisión (más galgas extensiométricas suelen producir mejores resultados) y, cuando funcionan correctamente, Power Tap, Quarq y SRM suelen estar con una precisión de un par por ciento (y, lo que es igual de importante, con alta precisión); esto se ha verificado tanto estáticamente (usando pesos conocidos colgados de la manivela) como dinámicamente (usando un gran tambor rodante motorizado en un laboratorio). Luego, las fuerzas se combinan con una medida de velocidad angular o velocidad para obtener potencia. Una virtud de las galgas extensométricas es que el cambio en la resistencia se puede medir incluso cuando el dispositivo está estacionario, por lo que el ciclista puede medir la precisión de los medidores de potencia basados ​​en galgas extensométricas en casa colgando pesos de una masa conocida de la manivela. Sin embargo, un problema común con el enfoque de las galgas extensiométricas es que pueden ser sensibles a los cambios de temperatura y, por lo tanto, es necesario "volver a ponerlos a cero" antes (y, a veces, durante) los paseos. El talón de Aquiles del antiguo Look MaxOne era la impermeabilidad, no las galgas extensiométricas ni el método de medición. Por ejemplo, el Power2Max original (y el antiguo modelo SRM "Amateur" descontinuado) usa menos galgas extensiométricas que el PowerTap, Quarq, o Los modelos SRM y los informes de los usuarios (posteriormente admitidos por el fabricante) mostraron que era más sensible a la variación de temperatura durante un viaje que esos otros. El Power2Max fue rediseñado y actualizado a fines de 2012 y los informes indican que el problema de la temperatura se ha solucionado en gran medida. Una característica reclamada de Stages es que está diseñado en torno a la compensación automática de temperatura; a principios de 2013, los usuarios todavía están evaluando esta afirmación y es demasiado pronto para saber si su enfoque hace lo que dice.

El antiguo medidor de potencia Polar medía la fuerza transmitida a lo largo de la cadena por la tensión de la cadena e incluía un sensor de velocidad de la cadena para obtener el trabajo total. En una cadena, una fuerza más alta transmitida a lo largo de la cadena da como resultado una tensión más alta, y la tensión se puede medir por la frecuencia de resonancia del objeto (por ejemplo, tocar un radio muy tenso con la uña produce un tono de alta frecuencia mientras que tocar un radio suelto produce un tono bajo). Como dato histórico aparte, el prototipo de prueba de concepto para el sensor de tensión de la cadena Polar fue la pastilla de una guitarra eléctrica. El sensor de velocidad de la cadena encajaba en una de las ruedas jockey del cambio y podía contar los "pulsos" en el campo magnético a medida que pasaban los remaches de la cadena; dado que los remaches de la cadena están separados por una distancia conocida, la velocidad de la cadena se calculó fácilmente. En cuanto a la precisión, cuando el Polar funcionaba bien, fue muy bueno; sin embargo, cuando no lo era, era realmente muy travieso. Peor aún, a menudo era difícil saber cuándo estaba siendo travieso. La desventaja del antiguo medidor de potencia Polar era triple: 1) el sensor de tensión de la cadena debía estar cerca de la cadena, lo cual era difícil de lograr ya que la cadena a veces tenía que estar en el plato grande o pequeño o en el grande o pequeño. piñón trasero pequeño; 2) el sensor de velocidad de la cadena a veces se abrumaba y daba lecturas de velocidad falsas; y 3) impermeabilidad incompleta a la intemperie en parte debido a cables expuestos y una "cápsula" mal sellada. lo cual era difícil de lograr ya que la cadena a veces tenía que estar en el plato grande o pequeño o en el piñón trasero grande o pequeño; 2) el sensor de velocidad de la cadena a veces se abrumaba y daba lecturas de velocidad falsas; y 3) impermeabilidad incompleta a la intemperie en parte debido a cables expuestos y una "cápsula" mal sellada. lo cual era difícil de lograr ya que la cadena a veces tenía que estar en el plato grande o pequeño o en el piñón trasero grande o pequeño; 2) el sensor de velocidad de la cadena a veces se abrumaba y daba lecturas de velocidad falsas; y 3) impermeabilidad incompleta a la intemperie en parte debido a cables expuestos y una "cápsula" mal sellada.

El medidor de potencia basado en el pedalier Ergomo utilizó un sensor óptico y una serie de "orificios de observación" para medir la torsión en el pedalier. Una característica extraña de este diseño es que solo podía medir la fuerza (de torsión) que viajaba a través del pedalier; así, sólo midió la potencia aportada por la pierna izquierda: para obtener la potencia total duplicó la aportación de la pierna izquierda. Junto con la dificultad de instalar y calibrar el Ergomo (tenía que instalarse exactamente así), esta dependencia de la simetría bilateral entre las piernas fue la sentencia de muerte para el Ergomo. El medidor de potencia Stages mide de manera similar la fuerza por deformación en la biela izquierda y duplica la "izquierda" para llegar a una estimación de la potencia total. La investigación con pedales de fuerza instrumentados muestra que la asimetría bilateral en la producción de potencia entre las piernas derecha e izquierda es la norma; peor aún, la investigación muestra que la asimetría puede cambiar con el nivel de esfuerzo. Sin embargo, algunos ciclistas están dispuestos a aceptar esta inexactitud e imprecisión inherentes.

Debido a que ni los antiguos medidores de potencia Polar ni Ergomo usaban galgas extensométricas, el ciclista no podía verificar estáticamente su precisión en el campo; solo podían comprobarse dinámicamente (o contra otro medidor de potencia calibrado conocido).

Se rumorea que los medidores de potencia de pedal o cala de pedal Garmin Metrigear y Brim Brothers inéditos usan sensores piezoeléctricos y acelerómetros de estado sólido en lugar de medidores de tensión de lámina, pero hasta que lleguen al mercado, todas las afirmaciones sobre exactitud o precisión deben tomarse con granos de sal. Un problema interesante en el diseño de un medidor de potencia basado en pedales o calas es que se debe conocer la dirección de la fuerza y ​​la posición del eje del pedal: por ejemplo, si agrega fuerza hacia abajo en la parte inferior de la carrera del pedal, eso se desperdicia fuerza ya que no ayuda a mover la manivela en la dirección correcta; del mismo modo, si presiona hacia abajo (aunque sea ligeramente) en la carrera ascendente, eso cancelará parte de la fuerza ejercida por la otra pierna en su carrera descendente. Por lo tanto, hacer un seguimiento de los diversos vectores de fuerza es clave para obtener una precisión y exactitud confiables. Hasta cierto punto, el medidor de potencia Stage también puede ser susceptible ocasionalmente a un problema relacionado: Stages usa un acelerómetro de estado sólido en el pedal (similar a los acelerómetros de estado sólido que se pueden encontrar en los teléfonos inteligentes) para determinar su posición. Los primeros modelos de producción de Stages estaban plagados de mediciones imprecisas de la posición del pedal, por lo que la velocidad del pedal también era imprecisa, y esto repercutía en la precisión de las estimaciones finales de potencia.

El medidor de potencia Look/Polar lanzado recientemente (a partir de enero de 2012) utiliza galgas extensiométricas dispuestas a lo largo del eje del pedal, y cada pedal debe instalarse con cuidado para que los pedales sepan en qué dirección se aplican las fuerzas; se suministra una herramienta especial con el pedales para ayudar con la orientación. Para simplificar la conversión de las fuerzas medidas en valores de torsión, el pedal Look/Polar permite el uso de solo cuatro longitudes de manivela diferentes: 170 mm, 172,5 mm, 175 mm y 177,5 mm. Actualmente no se admiten bielas de menos de 170 mm. Un pedal es el "maestro" y el otro es el "esclavo"; el pedal esclavo transmite información al maestro, que luego agrupa los datos de ambos pedales y los envía a la unidad principal. En este momento, el pedal Look/Polar utiliza su propio protocolo de transmisión y ningún otro fabricante se ha registrado aún para proporcionar unidades principales compatibles. Los primeros informes sobre los nuevos pedales Look confirman que la orientación de los pedales es crítica: debido a que el eje de un pedal es pequeño, un pequeño error absoluto en la alineación puede ser un gran error relativo en su orientación angular.

La iBike adopta un enfoque completamente diferente: calcula la potencia indirectamente. Es decir, necesita una cierta cantidad de potencia para superar los cambios en la energía potencial (ascenso o descenso), para los cambios en la energía cinética (aceleración o desaceleración), para superar la resistencia aerodinámica (incluido el viento) y la resistencia a la rodadura, por lo que si Conozca la velocidad de avance, la pendiente, la velocidad del viento, su masa total (usted más la bicicleta y todo el equipo) y luego, combinado con estimaciones de los coeficientes de resistencia a la rodadura (Crr) y de resistencia aerodinámica y área de superficie frontal (CdA o área de resistencia), puede calcular la potencia total (ver, por ejemplo, aquí). En esencia, los otros medidores de potencia en el mercado se enfocan en la "ecuación del lado del suministro" midiendo la potencia suministrada por el conductor en algún lugar a lo largo de la transmisión; iBike se enfoca en el "lado de la demanda" al medir la potencia requerida para mover la bicicleta contra el viento, la pendiente y otras fuerzas de arrastre. En condiciones normales, esto puede ser bastante (quizás incluso sorprendentemente) preciso, aunque la precisión de la potencia estimada de esta manera no es tan buena: iBike asume que el área de resistencia aerodinámica (también conocida como CdA) es constante, por lo que si el ciclista cambia de posición (por ejemplo, moviéndose de las gotas a la parte superior de la barra) o si la velocidad del viento difiere debido a que cambia el ángulo de guiñada, la estimación de potencia estará desactivada. En general, se ha demostrado que la iBike es bastante precisa para subir colinas; menos para cursos rodantes o andar en manada, por lo tanto, la precisión general dependerá de la combinación exacta de navegación realizada y la variabilidad en la dirección del viento. Al igual que con los antiguos Polar y Ergomo sin galgas extensométricas, la iBike no se puede comprobar estáticamente para determinar su exactitud o precisión; peor aún, tampoco se puede comprobar en un aparejo dinámico en un laboratorio ya que depende de la pendiente y la velocidad del viento. Las comprobaciones de la iBike se realizaron en el campo cuando los ciclistas montaron otro medidor de potencia en la misma bicicleta y compararon los dos flujos de datos.

Ha habido algunas comparaciones "simultáneas" de la precisión del medidor de potencia en las que un ciclista montó dos o más medidores de potencia en la bicicleta y realizó recorridos estructurados o no estructurados. Puede ver una comparación de "Rosetta Stone" aquí y aquí .

En general, todos los medidores de potencia lanzados comercialmente han sido precisos (ya veces precisos) cuando se ajustaron recientemente y funcionaron en condiciones ideales. Sin embargo, las condiciones no siempre son ideales y las piezas se dañan, ensucian y deterioran. Si la exactitud y la precisión son importantes, entonces la exactitud del "diseño" (ya sea que se base en medidores de tensión, sensores ópticos, sensores magnéticos o sensores de velocidad del viento) es solo la mitad de la batalla: igualmente importante es la capacidad de verificar un medidor de potencia en casa para que pueda puede decir cuando están apagados.

Encontré interesante esta imagen del primer medidor de potencia SRM :

La manivela está armada como una palanca (girando alrededor del eje): cuanto más se presiona el pedal, más se dobla la galga extensiométrica , cuya salida se usa como parte del cálculo de la potencia (como se describe mejor en el otro respuestas!)

Muchos medidores de potencia modernos son esencialmente refinamientos de este concepto.

Básicamente, todos los medidores de potencia funcionan midiendo la fuerza (o el par) y la velocidad.

http://en.wikipedia.org/wiki/Power_(physics)#Mechanical_power

P(t) = F(t) * v(t)

En otras palabras:

Power = Force * velocity

Un medidor de potencia basado en pedales o bielas medirá la cantidad de par que se aplica a las bielas. Eso, combinado con su cadencia, le da la potencia de salida (agregue el tiempo y tendrá el trabajo total hecho).

Un medidor de potencia basado en un cubo mide el par aplicado al cubo por el tren motriz y lo combina con la velocidad o la rotación de la rueda para hacer el mismo cálculo básico y calcular la potencia de salida allí.

Básicamente, uno mide la potencia que ingresa al tren motriz, el otro mide la potencia que sale del tren motriz. Si tuviera ambos, el medidor de potencia del cubo mostraría una cantidad de potencia ligeramente menor debido a la pérdida de potencia en la transmisión. Sin embargo, la transmisión de una bicicleta es muy eficiente (especialmente cuando está bien mantenida), por lo que no me preocuparía la pequeña diferencia. Hasta cierto punto, puede depender de si le importa más su potencia de salida o la potencia de salida de todo el sistema ciclista+bicicleta.

El mecanismo físico subyacente real es probablemente un medidor de tensión que consta de un alambre delgado que corre en zig-zag sobre una viga que se dobla ligeramente cuando se aplica la fuerza. Doblar los cables cambia la resistencia eléctrica. http://en.wikipedia.org/wiki/Strain_gauge

También he oído hablar de medidores de potencia que miden la fuerza de los pedales. Supongo que necesitan que les digan la longitud de las bielas. También he oído hablar de sistemas que miden la vibración de la cadena para calcular la tensión en la cadena para obtener información de fuerza/par para calcular la potencia de salida.