Kam jde vaše energie?
Kolo jsme popsali jako stroj a z vědeckého hlediska je to přesně to: zařízení, které může zvětšovat sílu (což usnadňuje jízdu do kopce) nebo rychlost. Je to také stroj v tom smyslu, že přeměňuje energii z jedné formy (cokoli, co jste museli sníst) na jinou (kinetickou energii, kterou má vaše tělo a kolo, když se řítí).Pravděpodobně jste už slyšeli o fyzikálním zákonu zvaném zákon zachování energie, který říká, že energii nemůžete vytvořit ze vzduchu nebo ji nechat beze stopy zmizet: můžete ji pouze přeměnit z jedné formy na jinou. Kam tedy vlastně mizí energie, kterou spotřebováváte při jízdě na kole? Vědecky se říká, že jde na „vykonání práce“ – ale co to znamená v praxi?
Cykloturistika se někdy může zdát jako dřina, zejména pokud jedete do kopce.Ve vědě o cyklistice „dřina“ znamená, že někdy musíte vynaložit poměrně velkou sílu, abyste ušlapali nějakou vzdálenost. Pokud jedete do kopce, musíte pracovat proti gravitační síle. Pokud jedete rychle, musíte pracovat proti síle odporu vzduchu (odporu vzduchu), který tlačí na vaše tělo. Někdy jsou na silnici nerovnosti, přes které musíte jet; to vyžaduje větší sílu a spotřebovává také energii (nerovnosti snižují vaši kinetickou energii tím, že snižují vaši rychlost).
Foto: Jízdní kola pracují s lidským tělem tak dobře, protože využívají sílu našich velkých a velmi výkonných svalů nohou. Ležatá kola (taková, na kterých se jezdí vleže) možná vypadají ultramoderně a trochu divně, ale jsou stará nejméně 100 let. Jsou rychlejší než běžná kola, protože jejich jezdci zaujímají mnohem aerodynamičtější, trubkovitý postoj, který minimalizuje odpor vzduchu. Protože jsou pedály výš nad zemí, mohou být kliky delší, takže máte větší páku, vaše svaly mohou déle vyvíjet vysoký výkon, a to efektivněji. Foto: Robin Hillyer-Miles s laskavým svolením US Navy.
Ať už ale jedete do kopce nebo z kopce, rychle nebo pomalu, po hladké nebo hrbolaté cestě, vždycky je tu ještě jeden druh práce, kterou musíte udělat jednoduše proto, aby se kola roztočila. Když kolo spočívá na zemi a nese náklad, například jezdce na kole, pneumatika obtočená kolem něj je na některých místech zmačkaná a na jiných vyboulená. Při jízdě na kole se různé části pneumatiky střídavě mačkají a vyboulují a guma, ze které jsou vyrobeny, je tažena a tlačena ve všech směrech. opakované mačkání pneumatiky tímto způsobem je trochu jako hnětení chleba: vyžaduje energii – a tato energie je to, co známe jako valivý odpor. Čím více pneumatiku zatěžujete (čím jste těžší nebo čím více toho vezete), tím větší je valivý odpor. Přibližně 80-90 procent valivého odporu je způsobeno deformací samotné pneumatiky, zbytek pochází z odporu vzduchu a způsobu, jakým pneumatika klouže po zemi.
Při rychlé jízdě na závodním kole jde asi 80 procent práce cyklisty na překonání odporu vzduchu, zatímco zbytek se spotřebuje na boj s valivým odporem; u horského cyklisty, který jede mnohem pomaleji po nerovném terénu, jde 80 procent jeho energie na valivý odpor a pouze 20 procent se ztratí na odporu vzduchu. K malým třecím ztrátám dochází také v takových věcech, jako je řetěz a převody, ale ať už jedete na čemkoli, pokud je to přiměřeně dobře udržované, obvykle nestojí za to se takto ztracenou energií zabývat.
Kart: Pomalá horská kola ztrácejí nejvíce energie odporem odvalování; rychlejší závodní kola ztrácejí více energie odporem vzduchu.
O jakém množství energie zde vlastně mluvíme? Podle fascinující analýzy Training Peaks mají špičkoví jezdci na Tour de France průměrný výkon asi 300-400 wattů, což je tolik jako 3-4 staromódní 100wattové lampy nebo asi 15 procent výkonu, který byste potřebovali k pohonu rychlovarné konvice. pro srovnání, ručním generátorem elektřiny na kliku můžete vygenerovat asi 10 wattů, ačkoli takový generátor nemůžete používat příliš dlouho, aniž byste se unavili. Co nám to říká? Je mnohem snazší vyrábět velké množství energie po dlouhou dobu pomocí velkých svalů na nohou než pomocí rukou a paží. Proto jsou kola tak chytrá: dobře využívají nejsilnější svaly v našem těle.
Jak funguje rám kola
Předpokládáme-li, že dospělý člověk váží 60-80 kg, musí být rám kola poměrně pevný, pokud nemá prasknout nebo se vzpříčit v okamžiku, kdy jezdec nasedne. Běžná jízdní kola mají rámy vyrobené z pevné a levné trubkové oceli (doslova duté ocelové trubky obsahující pouze vzduch) nebo z lehčích slitin na bázi oceli nebo hliníku.Závodní kola jsou spíše vyrobena z uhlíkových kompozitů, které jsou dražší, ale pevnější, lehčí a odolné proti korozi.
Foto: Rám kola ve tvaru obráceného písmene A je neuvěřitelně pevná konstrukce, která pomáhá rozložit vaši váhu mezi přední a zadní kolo. pomáhá vám naklonit se dopředu nebo se dokonce postavit, když jedete do kopce, abyste mohli vyvinout maximální sílu na pedály a udržet rovnováhu.
Mohlo by se zdát, že rám kola vyrobený z hliníkových trubek bude mnohem slabší než rám vyrobený z oceli – ale pouze v případě, že trubky mají podobné rozměry.V praxi musí být každé kolo dostatečně pevné, aby uneslo váhu jezdce a zatížení, kterému bude pravděpodobně vystaveno při různých druzích manipulace.
Hliníkové kolo by tedy mělo používat trubky s větším průměrem a/nebo silnějšími stěnami než kolo vyrobené z ocelových trubek.
Rám vás jednoduše nepodrží: jeho trojúhelníkový tvar (často dva trojúhelníky spojené do kosočtverce) je pečlivě navržen tak, aby rozložil vaši váhu. Přestože je sedlo umístěno mnohem blíže k zadnímu kolu, nakláníte se dopředu a držíte se řídítek. Šikmá řídítka v rámu jsou navržena tak, aby rozdělovala vaši váhu víceméně rovnoměrně mezi přední a zadní kolo. Když se nad tím zamyslíte, je to opravdu důležité. Pokud by celá vaše váha působila na zadní kolo a vy byste se snažili šlapat do kopce, převrátili byste se dozadu; podobně, pokud by byla příliš velká váha na předním kole, šli byste hlavou dolů pokaždé, když byste jeli z kopce!
Rámy nejsou navrženy tak, aby byly stoprocentně tuhé: to by byla jízda mnohem méně pohodlná.Prakticky všechny rámy kol se trochu prohýbají a ohýbají, takže pohlcují některé nárazy při jízdě, ačkoli jiné faktory (například sedlo a pneumatiky) mají na pohodlí při jízdě mnohem větší vliv. Je také dobré si uvědomit, že lidské tělo je samo o sobě pozoruhodně účinným systémem odpružení; při jízdě na horském kole po drsné stezce si velmi rychle uvědomíte, jak vaše paže mohou fungovat jako tlumiče nárazů! Vskutku může být docela poučné dívat se na tělo jako na prodloužení (nebo doplněk) základního rámu kola, který je na něm vyvážen.
Jak fungují kola jízdního kola
Foto: Stejně jako kolo automobilu je i kolo jízdního kola násobičem rychlosti. Pedály a převody otáčejí osou ve středu. Osa se otáčíjen na krátkou vzdálenost, ale díky pákovému efektu kola se vnější ráfek za stejnou dobu otočí mnohem dále. Tak vám kolo pomáhá jet rychleji.
Pokud jste četli náš článek o tom, jak fungují kola,víte, že kolo a osa, kolem které se otáčí, je příkladem toho, čemu vědci říkají jednoduchý stroj: znásobí sílu nebo rychlost v závislosti na tom, jak jím otáčíte. Kola jízdních kol mají obvykle průměr přes 50 cm (20 palců), což je méně než většina kol automobilů. Čím vyšší jsou kola, tím více násobí rychlost, když jimi otáčíte na ose. Proto mají závodní kola nejvyšší kola (obvykle o průměru 70 cm nebo 27,5 palce).
Kola nakonec podpírají celou vaši váhu, ale velmi zajímavým způsobem. kdyby byla kola pevná, při sezení na sedadle by se mačkala (stlačovala) a tlačila zpět nahoru, aby vás podpírala. Kola většiny jízdních kol jsou však ve skutečnosti tvořena pevným nábojem, tenkým ráfkem a asi 24 vysoce napjatými paprsky. Kola mají spíše paprsky než plná kovová kola, aby byla pevná a lehká a aby se snížil odpor vzduchu(někteří jezdci používají ploché „lopatkové“ paprsky nebo paprsky oválného tvaru namísto tradičních zaoblených ve snaze ještě více snížit odpor vzduchu).
Důležitý není jen počet paprsků, ale i způsob jejich spojení mezi ráfkem a jeho nábojem. Stejně jako vlákna pavučiny nebo visící lana zavěšeného mostu je kolo napjaté – paprsky jsou napnuté. Protože se paprsky kříží z ráfku na opačnou stranu náboje, není kolo tak ploché a křehké, jak se zdá, ale ve skutečnosti je to úžasně pevná, trojrozměrná struktura. Když na kole sedíte, tlačíte svou vahou na náboje, které některé paprsky napínají o něco více a jiné o něco méně. Pokud vážíte 60 kg, tlačí na každé kolo asi 30 kg (130 liber) (nepočítaje v to vlastní hmotnost kola) a právě paprsky brání tomu, aby se kola prohnula.
Foto: Navzdory zdání není kolo jízdního kola ploché ani slabé. Náboj je mnohem širší než pneumatika, paprsky jsou v tahu a kříží se a spojují náboj v tečně. To vše vytváří tuhou trojrozměrnou strukturu, která odolává kroucení, vzpěru a ohybu. Foto: David Danals s laskavým svolením US Navy.
Protože má každé kolo několik desítek paprsků, mohli byste si myslet, že každý paprsek musí unést jen zlomek celkové hmotnosti – možná jen 1-2 kg (2,2-4,4 lb), pokud je paprsků 30, což snadno zvládne. Ve skutečnosti nesou špice váhu nerovnoměrně: několik málo špic, které jsou blízko svislice, nese mnohem větší zatížení než ostatní. (Mezi vědci zabývajícími se cyklistikou se stále vedou diskuse o tom, jak je vlastně zatížení přenášeno a zda je lepší si představit, že kolo visí na paprscích nahoře, nebo tlačí na ty dole). Jak se kolo otáčí, ostatní paprsky se přibližují ke svislici a začínají přebírat větší část zátěže. Zatížení jednotlivých paprsků se během každé otáčky kola dramaticky zvyšuje a snižuje, takže nakonec po mnoha tisících cyklů opakovaného namáhání a deformace, během nichž se jednotlivé paprsky v rychlém střídání natahují a uvolňují, jeden z paprsků (nebo jeho spojení s kolem či nábojem) pravděpodobně selže v důsledku únavy kovu. Tím se okamžitě a dramaticky zvýší zatížení zbývajících paprsků, čímž se zvýší pravděpodobnost, že selžou také, a vznikne jakýsi „dominový“ efekt, který způsobí, že se kolo prohne.
Jak fungují převody jízdních kol
Foto: Převod je dvojice kol se zuby, které se vzájemně propojují za účelem zvýšení výkonu nebo rychlosti. v jízdním kole není dvojice převodů poháněna přímo, ale je spojena řetězem. Na jednom konci je řetěz trvale obtočen kolem hlavního převodového kola (mezi pedály). Na jeho druhém konci se při změně převodu přesouvá mezi řadou větších nebo menších ozubených kol.
Typické jízdní kolo má tři až třicet různých převodů – kol se zuby, propojených řetězem, díky nimž je stroj rychlejší (jízda po rovině) nebo se na něm lépe šlape (jízda do kopce). Větší kola také pomáhají jet rychleji po rovině, ale jsou velkou nevýhodou, když přijde na kopce.To je jeden z důvodů, proč mají horská kola a kola BMX menší kola než závodní kola. Nejsou to jen převody na kole, které pomáhají zvětšit sílu šlapání při jízdě do kopce: pedály jsou k hlavnímu převodovému kolu připevněny dvojicí klik: dvěma krátkými pákami, které také zvětšují sílu, kterou můžete vyvinout nohama.
Převody mohou mít neuvěřitelný vliv na vaši rychlost. Například na typickém závodním kole může být převodový poměr (počet zubů na šlapacím kole vydělený počtem zubů na zadním kole) až 5:1, takže jediné otočení pedálů vás popožene asi 10 m po ulici. Za předpokladu, že můžete pohybovat nohama jen tak rychle, můžete vidět, že převody vám účinně urychlují jízdu tím, že vám pomáhají ujet dál na každé otočení pedálů.
Přečtěte si více v našem hlavním článku o převodech.
Práce: Jízdní kola před převody: Raná kola, jako jsou tato (známá jako „Penny Farthings“ nebo „High Wheels“), měla obrovské přední kolo, které účinně násobilo vaši rychlost a umožňovalo jet velmi rychle po rovině.Nebyly žádné převody: přední kolo se otočilo jednou pokaždé, když vaše nohy zatlačily na kliky (pedály) nahoru a dolů.Jízda z kopce byla docela složitá (pokud jste nesundali nohy z klik) a jízda do kopce byla téměř nemožná!Detail původního obrazu, cca 1887, Henryho „Hy“ Sandhama, se svolením Kongresové knihovny USA.
Jak fungují brzdy jízdního kola
Foto: Ráfkové brzdy: Gumové čelisti (špalíky) této brzdy jízdního kola svírají kovový ráfek kola a zpomalují. Když ztrácíte rychlost, ztrácíte energii. Kam se tato energie ztrácí? Promění se v teplo: brzdové špalky se mohou neuvěřitelně zahřát!
Nezáleží na tom, jak rychle jedete, ale přijde čas, kdy musíte zastavit. Brzdy na kole fungují na základě tření (třecí síly mezi dvěma věcmi, které se vzájemně posouvají, zatímco se dotýkají). Ačkoli některá kola mají nyní kotoučové brzdy (podobné těm, které používají automobily) se samostatnými brzdovými kotouči připevněnými ke kolům, mnoho kol stále používá tradiční ráfkové brzdy se třmeny a čelistmi.
Když stisknete brzdové páky, dvojice gumových čelistí (někdy nazývaných špalíky) se upne na kovový vnitřní ráfek předního a zadního kola. Jak se brzdové čelisti těsně třou o kola, mění vaši kinetickou energii (energii, kterou máte, protože jedete) na teplo – což má za následek vaše zpomalení.Více o tom najdete v našem hlavním článku o brzdách.
Ráfkové brzdy versus kotoučové brzdy
Ráfkové brzdy s třmeny tlačí na vnější okraj kola, kde se točí nejrychleji, ale s nejmenší silou. To znamená, že ke zpomalení kola potřebují relativně malou brzdnou sílu (proto mohou být malé a lehké), ačkoli stále musíte silně tlačit a působit touto silou delší dobu, abyste sebe i kolo zastavili. Jednou z velkých nevýhod ráfkových brzd je, že jsou plně vystaveny dešti shora i ze stran a postřiku od kol; pokud jsou brzdové čelisti a kola mokrá a zablácená, dochází ke značnému mazání, tření mezi brzdami a koly může být až desetkrát menší než za sucha (podle knihy Davida Gordona Wilsona Bicycling Science) a vaše brzdná dráha bude mnohem delší.
Kotoučové brzdy pracují blíže k náboji, takže musí vyvinout větší brzdnou sílu, což může namáhat vidlice a paprsky, a jsou těžší (což může ovlivnit ovladatelnost kola) a mechanicky složitější, ale bývají účinnější za mokra a v blátivých podmínkách.
Prohlédněte si internetová fóra o jízdních kolech a najdete velmi rozdílné názory na to, který typ brzd je nejlepší pro různé typy kol, terén a povětrnostní podmínky. Někteří lidé mají rádi kotoučové brzdy, protože díky nim kolo lépe vypadá, jiní mají rádi ráfkové brzdy, protože jsou tak jednoduché a přímočaré.
Art: Kotoučové brzdy (zjednodušeně). Když zatáhnete za brzdovou páčku, drátěné lanko nebo hydraulické vedení (žluté) ovládá třmeny (modré), které tlačí brzdové destičky na kotouč zvaný rotor (červený) připevněný ke kolu. Protože jsou třmeny připevněny k jedné z vidlic (šedá) a brzdná síla musí procházet paprsky (černá), aby zastavila kolo, kotoučové brzdy zatěžují vidlice a paprsky mnohem více než ráfkové brzdy.
Jak fungují pneumatiky jízdního kola
Ve váš prospěch působí také tření mezi gumovými pláštia vozovkou, po které jedete: poskytuje přilnavost, která usnadňuje ovládání kola, zejména za mokra.
Stejně jako pneumatiky automobilů nejsou ani pneumatiky jízdního kola vyrobeny z pevné gumy: mají vnitřní duši naplněnou stlačeným (vymačkaným) vzduchem. To znamená, že jsou lehčí a pružnější, což vám zajistí mnohem pohodlnější jízdu. Pneumatiky, jak je známe, patentoval v roce 1888 skotský vynálezce John Boyd Dunlop.
Různé druhy jízdních kol mají různé druhy pneumatik.Závodní kola mají úzké, hladké pneumatiky navržené pro maximální rychlost (ačkoli jejich „tenký“ profil jim dává vyšší valivý odpor), zatímco horská kola mají tlustší, robustnější pneumatiky s hlubšími běhouny, více gumy v kontaktu s vozovkou a lepší přilnavost (ačkoli jsou širší a vytvářejí větší odpor vzduchu).
Proč záleží na oblečení
Tření je skvělá věc v brzdách a pneumatikách, ale v jiné podobě je méně vítané: jako odpor vzduchu, který vás zpomaluje. Čím rychleji jedete, tím větší je odpor vzduchu. Při vysokých rychlostech si při závodění na kole můžete připadat jako při plavání ve vodě: opravdu cítíte, jak na vás vzduch tlačí, a (jak jsme již viděli) na překonání odporu spotřebujete přibližně 80 % energie. Jízdní kolo je sice docela tenké a proudnicové, ale tělo cyklisty je mnohem tlustší a širší.V praxi vytváří tělo cyklisty dvakrát větší odpor než jeho kolo. Proto cyklisté nosí přiléhavé neoprenové oblečení a špičaté přilby, aby se zefektivnili a minimalizovali energetické ztráty.
Foto: Závodní kola mají dvě sady řídítek. Vnitřní řídítka umožňují jezdci snížit odpor vzduchu tím, že drží lokty blíže u sebe. foto: Ben A. Gonzales s laskavým svolením amerického námořnictva.
Možná jste si toho nevšimli, ale řídítka jízdního kola jsou také páky: delší řídítka poskytují páku, která usnadňuje otáčení předním kolem. čím širší je však prostor pro ruce, tím větší odpor vzduchu vytváříte. proto mají závodní jízdní kola dvě sady řídítek, které pomáhají cyklistovi zaujmout co nejlepší, co nejefektivnější pozici. Existují klasická vnější řídítka pro řízení a vnitřní řídítka pro držení na rovině. Používání těchto vnitřních řídítek nutí cyklistu zaujmout mnohem těsnější, racionálnější pozici.Většina cyklistů dnes nosí přilby, a to jak z bezpečnostních důvodů, tak kvůli lepší aerodynamice.
Kolo je fyzika v akci
Shrňme si to stručně pomocí jednoduchého schématu, které ukazuje všechny tyto různé části cyklistické vědy v akci:
.