TTT - Team Time Trial: some considerations

The author of this article is Mattia Michelusi. Decisions concerning use of the work, such as distribution, access, updates, and any use restrictions belong to the author.

A Team Time Trial (TTT) World Championship was introduced in 1962 and held until 1994. It was a race for national teams and there were 4 riders per team on a route around 100 kilometres.

After a long break a TTT World Championship was introduced in 2012. It's for club teams and there are 6 riders per team.

Team Cannondale during 2014 TTT WC

Last year I had the opportunity as a coach to take part in the TTT World Championship at Ponferrada - Spain with the Team Cannondale Pro Cycling. 

Individual drag area, aerodynamic TT bikes, aerodynamic helmets etc are very important.

The benefits of drafting in terms of aerodynamics and oxygen consumption are well known. It provides benefits for both the drafting cyclists and the lead cyclist. The reduction in drag is greatest when the drafting rider is as close to the wheel as possible, with a significant reduction in efficiency when the drafting rider is 20-30cm from the lead rider. No benefit from drafting when the drafting rider is 3m from the wheel in front. The aerodynamics of drafting is complex, due to the position and equipment of both the lead cyclist and the drafter, moreover outdoor factors like wind, weather conditions can change all.

Several factors can alterate the final time, but in my opinion this speciality demands first of all a good feeling between the six riders in order to keep the same pacing without decreasing the speed when the rider takes the leading position and the ability to maintain wheel spacing and alignment.

In the chart below you can see 2' - 2' 30" of the TTT WC 2014. I synchronized together speed and power of the six riders participating in it. 

Every color represents a rider. It's easy to understand every moment who was the leading rider (the rider with higher power than the others) and the changing moment (when leading rider's speed and power decrease ).

If you compare power and speed you can note that after changing all riders need to output a peak power to take again the wheel of the others riders.
Can this peak power to determinate the rider's changing ability?
Good question, I just need more data to understand it.

Below a video I recorded during the TTT stage of "Settimana Internazionale Coppi e Bartali" with Italian National Team. The video was synchronized by Kinomap with GPS position, power, speed, cadence and heart rate:

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Dott. Mattia Michelusi
Email: mattia.michelusi@gmail.com
Web: www.coachmichelusi.blogspot.it 

Bibliography:

T Olds. The mathematics of breaking away and chasing in cycling. European journal of applied physiology
and occupational physiology, 77(6):492–497, 1998.

R. A. Lukes, S. B. Chin, and S. J. Haake. The understanding and development of cycling aerodynamics. Sports Engineering, 8(2):59–74, 2005.

CdA - Aerodynamic drag area estimation on the field

The author of this article is Mattia Michelusi. Decisions concerning use of the work, such as distribution, access, updates, and any use restrictions belong to the author.

Versione in italiano: CdA - Stima del coefficiente aerodinamico su campo

If you are riding on a flat road over 90% of the effort needed to maintain the speed is used to overcome air resistance (Fair). So, Fair is not the only factor (there is also rolling resistance and gravity resistance) but for sure it’s the most important:

Fair = 1/2 * Cda * P * s^2

Every factor of this formula is very important:

P - air density

In a previous article I have already talked about the importance of air density (Link: Record dell'ora e condizioni atmosferiche): a lower air density enables the cyclist to pedal faster for the same amount of power output due to the fewer air particles per square meter (the total air resistance to overcome is lower).

s - speed

Higher speed, higher air resistance. So, increasing your speed, the effort needed to overcome air resistance increases.

CdA - Drag area

CdA is the product of the drag coefficient of the system cyclist+bike and the frontal area (the portion of a body which can be seen by an observer placed exactly in front of cyclist):

CdA = Cd * A

Air density depends on the weather conditions, we can't artificially change them (unless you are in an indoor velodrome). If you want to go faster you need to keep an higher speed increasing the air resistance to overcome. So,  If you want to save energies or if you want to ride faster at the same power output, you just need to decrease your Drag Area (CdA). How can you do it? You can change your frame, your helmets, your clothing or your position on the bike. For sure the last one is the easiest and the cheapest.

The are many ways to measure CdA - drag area. The gold standard is wind tunnel testing where the wind is artificially generated from a fan on the cyclist-bicycle system. This technique is very sensitive to wheel type, yaw angle and cyclist position but it's very expensive and it doesn't simulate exactly the real conditions on the filed.

In order to simulate actual conditions, I chose a filed method called "Method of linear regression analysis" and I tried to measure my CdA on the field. This method consists of measuring mechanical power output using powermeter BePro (website: http://www.bepro-favero.com/en/) at different velocity to determinate the total resistive forces. According to the equation of cyclist's motion, the total resistive forces vary in a linear way with the square of the velocity. 

Average power as a function of average speed (hoods and drops position)

I found a flat road segment where I performed with my road bike five several trials at different velocities in hoods and drops position. For every step I recorded the average speed and power, and I estimated the air density considering the pressure, temperature and the realative humidity.

On the chart It's easy to see how keeping a drops position the output power is lower at the same speed than hoods position. It means that aerodynamic coefficient is better .

Anyway the purpose of this examination was to estimate my CdA, so with an algorithm I calculated the linear regression between total resistive forces and the  square of the velocity, estimating my CdA changing the position:

CdA hoods position: 0,363 m^2

CdA drops position: 0,314 m^2

So, keeping a drop positions my CdA decreased of about 13,5%.

What does this mean? 

It means that the final time to ride a 40km TT at 300 Watt with the same conditions (flat and straight road, no wind, same air density and Crr - Rolling Resistance) would be:

Hoods position: 1h 02' 42"

Drops position: 0h 59' 52"

The final time would be 2' 50" faster just changing the position.

I know that cycling is not just a mathematical algorithm, many factors can alterate the performance, but with this simple test it's easy to understand the importance and the advantages of keeping a more aerodynamic position.

The author of this article is Mattia Michelusi. Decisions concerning use of the work, such as distribution, access, updates, and any use restrictions belong to the author.

Dott. Mattia Michelusi
Email: mattia.michelusi@gmail.com
Web: www.coachmichelusi.blogspot.it 

Bibliography:
Capelli, C., Rosa, G., Butti, F., Ferretti, G., & Veicsteinas, A. (1993). Energy cost and efficiency of riding
aerodynamics bicycles. European Journal of Applied Physiology, 67, 144–149.
Capelli, C., Schena, F., Zamparo, P., Dal Monte, A., Faina, M., & di Prampero, P. E. (1998). Energetics of best
performances in track cycling. Medicine and Science in Sports and Exercise, 30, 614–624.
Di Prampero PE, Cortili G, Mognoni P, Saibene F. Equation of motion of a cyclist. J Appl Physiol. 1979 Jul; 47 (1): 201-6
Di Prampero P. E. La locomozione su terra, aria e acqua. Fatti e teorie. Edi-ermes Milano 1985
Di Prampero. Cycling on Earth, in space, on the Moon. Eur J Appl Physiol. 2000 Aug;82(5-6): 345-60
Martin, J. C., Milliken, D. L., Cobb, J. E., McFadden, K. L., & Coggan, A. R. (1998). Validation of a mathematical model for road cycling power. Journal of Applied Biomechanics, 14, 245–259.
Olds T.S., K.I. Norton, and N.P. Craig. Mathematical model of cycling performance. J. Appl. Physiol. 75 (2): 730-737, 1993

CdA - Stima del coefficiente aerodinamico su campo

Si dichiara che l'autore esclusivo del presente articolo è Michelusi Mattia. A quest'ultimo sono riservati tutti i diritti sull'opera quali l'adattamento totale o parziale, la diffusione e la riproduzione in qualsiasi mezzo in quanto frutto di ricerca e di elaborazioni personali.

English version: CdA - Aerodynamic drag area estimation on the field

In pianura più del 90% della forza erogata dal ciclista serve per superare la resistenza dell'aria (Fair). Fair non e' l'unica forza che il ciclista deve superare per avanzare (c'e anche la resistenza aerodinamica e la resistenza gravitazionale) ma sicuramente e' la più importante:

Fair = 1/2 * Cda * P * s^2

Ogni variabile di questa formula e' da tenere in considerazione:

P - densità dell'aria

In un precedente articolo abbiamo già parlato dell'importanza della densità dell'aria (Link: Record dell'ora e condizioni atmosferiche): alla stessa potenza con una densità dell'aria più bassa il ciclista  riesce andare a una velocità maggiore perchè l'aria è più rarefatta.

s - velocità 

Una maggiore velocità comporta una maggiore resistenza dell'aria. Aumentando la velocità aumenta quindi la forza necessaria per superare la resistenza dell'aria.

CdA - Drag area

CdA e' il prodotto tra il coefficiente aerodinamico del sistema ciclista+bicicletta (Cd) e l'area frontale (A):

CdA = Cd * A

La densità dell'aria dipende delle condizioni metereologiche che non possiamo cambiare artificialmente a meno che il test non venga effettuato in un velodromo coperto. Una velocità maggiore comporta una maggiore resistenza dell'aria da superare. Quindi, se si vuole risparmiare energie o a pari potenza andare a una velocità maggiore, l'unico fattore che possiamo cambiare e' il CdA - Drag Area. Ma come possiamo diminuire il nostro CdA? Cambiando il telaio della bicicletta, le ruote, il caschetto, il vestiario o la posizione in bicicletta. Sicuramente l'ultima soluzione e' la più semplice e la più economica.

Ci sono diversi metodi per misurare il CdA - Drag Area del sistema atleta + bicicletta. Il più preciso e' effettuare un test in galleria del vento. E' una tecnica molto sensibile per valutare la componente aerodinamica delle ruote e la posizione del ciclista, ma e' molto costosa e non simula le reale condizioni che poi il ciclista incontra nella strada.

Con l'obiettivo di simulare le reali condizioni he il ciclista incontra nella strada, ho scelto una metodo da campo denominato "Method of linear regression analysis" per provare a misurare il mio CdA su campo con misuratore di potenza BePro (sito internet: http://www.bepro-favero.com/). Questo metodo consiste nel misurare la potenza erogata a varie velocità con l'obiettivo di determinare la resistenza che il ciclista deve superare per avanzare, che, secondo l'equazione del moto del ciclista, varia in maniera lineare con il quadrato della velocità.

Average power as a function of average speed (hoods and drops position)

In un tratto di strada pianeggiante ho effettuato con la mia bici da strada varie prove a differenti velocità in posizione alta e in posizione bassa. Ho stimato la densità dell'aria considerando la pressione atmosferica, la temperatura e l'umidità e per ogni step ho registrato la potenza e la velocità media.

Nel grafico a sinistra e' facile intuire come nella posizione bassa la potenza erogata e' minore a pari velocità rispetto al posizione alta. Ciò significa che il coefficiente aerodinamica della posizione bassa e' migliore.

Comunque l'obiettivo di queste prove era quello di stimare il mio CdA delle due posizioni. Con un algoritmo ho così potuto calcolare la regressione lineare tra la resistenza totale che il ciclista deve superare e il quadrato della velocità stimando così i seguenti valori di CdA:

CdA posizione alta: 0,363 m^2

CdA posizione bassa: 0,314 m^2

Quindi il mio CdA della posizione bassa e' inferiore di circa il 13,5% rispetto la posizione alta

Tutto questo cosa significa?

Ciò significa che il tempo finale per effettuare una cronometro di 40km a 300Watt nelle stesse condizioni (strada piatta e dritta, senza vento, stessa densità dell'aria e Crr - resistenza al rotolamento)  sarebbe:

Posizione alta: 1h 02' 42"

Posizione bassa: 0h 59' 52"

Il tempo finale sarebbe quindi 2' 50" più basso solo cambiando la posizione (da posizione alta a posizione bassa).

Si sa che il ciclismo non e' solo matematica, molti fattori possono alterare la prestazione, ma questo semplice test ci permette di capire l'importanza e i vantaggi di una posizione aerodinamica.

Si dichiara che l'autore esclusivo del presente articolo è Michelusi Mattia. A quest'ultimo sono riservati tutti i diritti sull'opera quali l'adattamento totale o parziale, la diffusione e la riproduzione in qualsiasi mezzo in quanto frutto di ricerca e di elaborazioni personali.

Dott. Mattia Michelusi
Email: mattia.michelusi@gmail.com
Web: www.coachmichelusi.blogspot.it 

Bibliografia:
Capelli, C., Rosa, G., Butti, F., Ferretti, G., & Veicsteinas, A. (1993). Energy cost and efficiency of riding
aerodynamics bicycles. European Journal of Applied Physiology, 67, 144–149.
Capelli, C., Schena, F., Zamparo, P., Dal Monte, A., Faina, M., & di Prampero, P. E. (1998). Energetics of best
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Di Prampero PE, Cortili G, Mognoni P, Saibene F. Equation of motion of a cyclist. J Appl Physiol. 1979 Jul; 47 (1): 201-6
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Di Prampero. Cycling on Earth, in space, on the Moon. Eur J Appl Physiol. 2000 Aug;82(5-6): 345-60
Martin, J. C., Milliken, D. L., Cobb, J. E., McFadden, K. L., & Coggan, A. R. (1998). Validation of a mathematical model for road cycling power. Journal of Applied Biomechanics, 14, 245–259.
Olds T.S., K.I. Norton, and N.P. Craig. Mathematical model of cycling performance. J. Appl. Physiol. 75 (2): 730-737, 1993