Vart tar din energi vägen?
Vi har beskrivit en cykel som en maskin och vetenskapligt sett är det precis vad den är: en anordning som kan förstora kraften (vilket gör det lättare att gå uppför en backe) eller hastigheten. Det är också en maskin i den meningen att den omvandlar energi från en form (det du hade att äta) till en annan (den rörelseenergi som din kropp och cykeln har när de rusar fram).Du har säkert hört talas om en fysiklag som kallas energihushållning, som säger att man inte kan skapa energi ur tomma intet eller få den att försvinna spårlöst: det enda man kan göra är att omvandla den från en form till en annan. Så vart tar den energi som du använder när du cyklar egentligen vägen? I vetenskapliga termer säger vi att den går till ”arbete” – men vad betyder det i praktiken?
Cykling kan ibland kännas som hårt arbete, särskilt om det går uppför.Inom cykelvetenskapen betyder ”hårt arbete” att du ibland måste använda en hel del kraft för att trampa en viss sträcka. Om du cyklar i uppförsbacke måste du arbeta mot gravitationskraften. Om du cyklar snabbt måste du arbeta mot kraften i luftmotståndet (dragkraft) som trycker mot din kropp. Ibland finns det gupp på vägen som du måste cykla över; det kräver mer kraft och använder också energi (guppen minskar din rörelseenergi genom att minska din hastighet).
Foto: Cyklar fungerar så bra med människokroppen eftersom de utnyttjar kraften från våra stora och mycket kraftfulla benmuskler. Liggcyklar (cyklar som du kör liggande) ser kanske ultramoderna och lite konstiga ut, men de är minst 100 år gamla. De är snabbare än konventionella cyklar eftersom cyklisterna har en mycket mer aerodynamisk, rörliknande hållning som minimerar luftmotståndet. Eftersom pedalerna är högre från marken kan vevstakarna vara längre, så att du får större hävstångseffekt, dina muskler kan ge hög effekt under längre tid och göra det mer effektivt. Foto av Robin Hillyer-Miles med tillstånd av US Navy.
Men oavsett om du åker uppför eller nedför, snabbt eller långsamt, på en jämn eller ojämn väg, finns det en annan typ av arbete som du alltid måste utföra för att få hjulen att gå runt. När ett hjul vilar på marken och bär upp en last, t.ex. en cyklist på en cykel, är däcket som är lindat runt hjulet hoptryckt på vissa ställen och utbuktat på andra. När du cyklar vidare pressas och böljes olika delar av däcket i tur och ordning, och gummit de är gjorda av dras och trycks i alla riktningar.Att upprepade gånger pressa ett däck på det här sättet är lite som att knåda bröd: det kräver energi – och den energin är det som vi känner till som rullmotstånd. Ju mer belastning du lägger på däcket (ju tyngre du är eller ju mer du bär med dig), desto högre blir rullmotståndet. Omkring 80-90 procent av rullmotståndet orsakas av deformationen av själva däcket, medan resten kommer från luftmotståndet i däcket och hur det glider mot marken.
För en racercykel som kör snabbt går omkring 80 procent av cyklistens arbete åt till att övervinna luftmotståndet, medan resten används för att bekämpa rullmotståndet. För en mountainbikecyklist som kör mycket långsammare i ojämn terräng går 80 procent av energin åt till rullmotståndet och endast 20 procent går förlorat till luftmotståndet. Det finns också små friktionsförluster i saker som kedja och växlar, men hur och vad du än åker, så länge den är rimligt väl underhållen, är den energi som går förlorad på detta sätt vanligtvis inte värd att oroa sig för.
Karta: Långsamma mountainbikes förlorar mest energi genom rullmotstånd; snabbare racercyklar förlorar mer genom luftmotstånd.
Hur mycket energi talar vi egentligen om här? I Tour de France, enligt en fascinerande analys av Training Peaks, har toppryttarna en genomsnittlig effekt på 300-400 watt, vilket är lika mycket som 3-4 gammaldags 100-watt-lampor eller cirka 15 procent av den effekt du skulle behöva för att driva en elektrisk vattenkokare.Som jämförelse kan du generera cirka 10 watt med en elgenerator med handvev, även om du inte kan använda en sådan särskilt länge utan att bli trött. Vad säger detta oss? Det är mycket lättare att generera stora mängder kraft under långa perioder genom att använda dina stora benmuskler än genom att använda dina händer och armar. Det är därför cyklar är så smarta: de utnyttjar de starkaste musklerna i kroppen.
Hur en cykelram fungerar
Antagen att en vuxen person väger 60-80 kg (130-180 lb) måste cykelramen vara ganska stark om den inte ska knäcka eller spänna sig i samma ögonblick som cyklisten kliver upp på cykeln. Vanliga cyklar har ramar som är tillverkade av starka, billiga stålrör (bokstavligen ihåliga stålrör som bara innehåller luft) eller lättare legeringar baserade på stål eller aluminium. tävlingscyklar är oftare tillverkade av kolfiberkompositer, som är dyrare men starkare, lättare och rostfria.
Foto: Den hjälper dig att luta dig framåt eller till och med resa dig upp när du åker uppför en backe, så att du kan lägga maximal kraft på pedalerna och hålla balansen.
Du kanske tror att en cykelram av aluminiumrör är mycket svagare än en cykelram av stål, men bara om rören har liknande dimensioner.I praktiken måste varje cykel vara tillräckligt stark för att klara förarens vikt och de belastningar som den sannolikt kommer att utsättas för vid olika typer av hantering.En aluminiumcykel skulle därför använda rör med större diameter och/eller tjockare väggar än en cykel som är tillverkad av stålrör.
Ramen stöder dig inte bara: dess triangulära form (ofta två trianglar som är sammanfogade för att bilda en diamant) är noggrant utformad för att fördela din vikt. Även om sadeln är placerad mycket närmare bakhjulet lutar du dig framåt för att hålla i styret. De vinklade styrstängerna i ramen är utformade för att fördela din vikt mer eller mindre jämnt mellan fram- och bakhjulet. Om du tänker efter är det verkligen viktigt. Om all din vikt låg på bakhjulet och du försökte trampa i uppförsbacke skulle du tippa bakåt. På samma sätt skulle du, om det låg för mycket vikt på framhjulet, få huvudet över huvudet varje gång du körde i nedförsbacke!
Frames är inte konstruerade för att vara 100 procent styva: det skulle ge en mycket mindre bekväm cykeltur.Nästan alla cykelramar böjer sig och böjer sig lite så att de absorberar en del av stötarna vid cykling, även om andra faktorer (som sadeln och däcken) har mycket större inverkan på komforten vid cykling. Det är också värt att komma ihåg att människokroppen i sig själv är ett anmärkningsvärt effektivt fjädringssystem. När du åker mountainbike på en grov stig kommer du mycket snabbt att bli medveten om hur dina armar kan fungera som stötdämpare! Det kan faktiskt vara ganska lärorikt att se kroppen som en förlängning (eller ett komplement) av cykelns grundläggande ram, balanserad ovanpå den.
Hur cykelhjul fungerar
Foto: Liksom ett bilhjul är ett cykelhjul en hastighetsmultiplikator. Pedalerna och kugghjulen vrider axeln i mitten. Axeln vrider sig endast en kort sträcka, men hjulets hävstångseffekt gör att den yttre fälgen vrider sig mycket längre på samma tid. Det är så ett hjul hjälper dig att gå snabbare.
Om du har läst vår artikel om hur hjul fungerar vet du att ett hjul och axeln som det vänder sig runt är ett exempel på vad forskarna kallar en enkel maskin: den multiplicerar kraft eller hastighet beroende på hur du vrider den. Cykelhjul har vanligtvis en diameter på över 50 cm (20 tum), vilket är större än de flesta bilhjul. Ju högre hjulen är, desto mer multiplicerar de din hastighet när du vrider dem vid axeln. Det är därför tävlingscyklar har de högsta hjulen (vanligtvis cirka 70 cm eller 27,5 tum i diameter).
Hjulen stöder i slutändan hela din vikt, men på ett mycket intressant sätt.Om hjulen var solida skulle de tryckas ner (komprimeras) när du sitter på sätet och tryckas upp igen för att stödja dig. Men hjulen på de flesta cyklar består faktiskt av ett starkt nav, en tunn fälg och cirka 24 högt spända ekrar. Cyklar har ekade hjul i stället för massiva metallhjul för att göra dem både starka och lätta och för att minska luftmotståndet (vissa cyklister använder platta ekrar med blad eller ovala ekrar i stället för traditionella rundade ekrar för att minska luftmotståndet ytterligare).
Det är inte bara antalet ekrar som är viktigt utan också hur de är kopplade mellan fälgen och dess nav. Precis som trådarna i ett spindelnät eller de hängande repen på en hängbro är ett cykelhjul spänt – ekrarna dras åt. Eftersom ekrarna korsar varandra från fälgen till den motsatta sidan av navet, är hjulet inte så platt och lättviktigt som det ser ut, utan i själva verket en otroligt stark, tredimensionell struktur. När du sitter på en cykel trycker din vikt på naven, vilket sträcker ut vissa av ekrarna lite mer och andra lite mindre. Om du väger 60 kg (130 lb) är det ungefär 30 kg (130 lb) som trycks ner på varje hjul (exklusive cykelns egen vikt), och det är ekrarna som hindrar hjulen från att buckla.
Foto: Trots vad som kan tyckas är ett cykelhjul varken platt eller svagt. Navet är mycket bredare än däcket, ekrarna är spända och de korsar varandra och ansluter till navet i en tangent. Allt detta ger en styv tredimensionell struktur som kan motstå vridning, buckling och böjning. Foto av David Danals med tillstånd av US Navy.
Då varje hjul har ett par dussin ekrar kan man tro att varje ekrar bara behöver bära en bråkdel av den totala vikten – kanske så lite som 1-2 kg (2,2-4,4 lb) om det finns 30 ekrar, vilket de lätt klarar. I verkligheten bär ekrarna vikten ojämnt: de få ekrar som är nära lodräta bär mycket mer belastning än de andra. (Det finns fortfarande en hel del diskussioner bland cykelforskare om hur belastningen faktiskt bärs, och om det är bättre att tänka sig att cykeln hänger i ekrarna upptill eller trycker på ekrarna nedtill). När hjulet roterar rör sig andra ekrar närmare lodrät och börjar ta en större del av belastningen. Belastningen på varje ek ökar och minskar dramatiskt under varje rotation av hjulet så till slut, efter många tusen cykler av upprepad stress och belastning, under vilka varje ek sträcker sig och slappnar av i snabb växling, är det troligt att en av ekarna (eller dess anslutning till hjulet eller navet) går sönder på grund av metallutmattning. Detta ökar omedelbart och dramatiskt belastningen på de återstående ekrarna, vilket gör att de också riskerar att gå sönder och orsakar en slags ”dominoeffekt” som får hjulet att buckla.
Hur cykelväxlar fungerar
Foto: I en cykel är paret av växlar inte direkt drivna utan kopplade med en kedja. I ena änden är kedjan permanent slingrad runt huvudhjulet (mellan pedalerna). I den andra änden växlar den mellan en rad större eller mindre hjul med tänder när du växlar.
En typisk cykel har allt från tre till trettio olika växlar – hjul med tänder, som är sammanlänkade med kedjan och som gör maskinen snabbare (på raksträckor) eller lättare att trampa i pedalerna (i uppförsbacke). Större hjul hjälper dig också att gå snabbare på raksträckan, men de är en stor nackdel när det gäller backar.Det är en av anledningarna till att mountainbikes och BMX-cyklar har mindre hjul än tävlingscyklar. Det är inte bara växlarna på en cykel som hjälper till att förstärka din pedalkraft när du går uppför en backe: Pedalerna är fästade vid huvudhjulet med ett par vevstakar: två korta spakar som också förstärker den kraft som du kan utöva med dina ben.
Skivorna kan göra en otrolig skillnad för din hastighet. På en typisk tävlingscykel, till exempel, kan växelförhållandet (antalet tänder på pedalhjulet dividerat med antalet tänder på bakhjulet) vara så mycket som 5:1, så en enda snurr på pedalerna gör att du kan ta dig ungefär 10 meter ner på gatan. Om du antar att du bara kan röra dina ben så snabbt kan du se att växlar effektivt får dig att gå fortare genom att hjälpa dig att gå längre för varje varv på pedalerna.
Läs mer i vår huvudartikel om växlar.
Artwork: Cyklar före växlar: Tidiga cyklar som dessa (kända som ”Penny Farthings” eller ”High Wheels”) hade ett enormt framhjul som effektivt multiplicerade din hastighet och gjorde det möjligt att åka mycket snabbt på raksträckan.Det fanns inga växlar: framhjulet vände sig runt en gång varje gång dina ben tryckte upp och ner på veven (pedalerna).Att åka i backen var ganska knepigt (såvida du inte tog bort fötterna från veven) och att åka i uppförsbacke var i princip omöjligt!Detalj av en originalmålning från ca 1887, av Henry ”Hy” Sandham, med tillstånd av US Library of Congress.
Hur cykelbromsar fungerar
Foto: Fälgbromsar: Gummiakterna (klossarna) på den här cykelbromsen klämmer fast hjulets metallfälg för att sakta ner dig. När du tappar fart förlorar du energi. Vart tar energin vägen? Den förvandlas till värme: bromsklossarna kan bli otroligt varma!
Oavsett hur snabbt du kör, kommer det en tid då du måste stanna. Bromsarna på en cykel fungerar med hjälp av friktion (den gnidande kraften mellan två saker som glider förbi varandra när de rör vid varandra). Även om vissa cyklar numera har skivbromsar (liknande dem som bilar använder), med separata bromsskivor som är fästa vid hjulen, använder många fortfarande traditionella fälgbromsar med bromsbackar och skor.
När du trycker på bromsspakarna klämmer ett par gummiskor (ibland kallade klossar) fast på den inre metallfälgen på fram- och bakhjulet. När bromsskorna gnider hårt mot hjulen omvandlar de din rörelseenergi (den energi du har för att du går framåt) till värme, vilket gör att du saktar ner.Det finns mer information om detta i vår huvudartikel om bromsar.
Fälgbromsar jämfört med skivbromsar
Fälgbromsar med kaliper trycker på hjulets utsida, där det snurrar snabbast men med minst kraft. Det innebär att de behöver relativt lite bromskraft för att bromsa hjulen (så de kan vara små och lätta), även om du fortfarande måste trycka hårt, och du måste använda den kraften under längre tid för att få dig själv och din cykel att stanna. En stor nackdel med fälgbromsar är att de är helt utsatta för regn uppifrån och från sidan och spray från hjulen; om bromsbackarna och hjulen är våta och leriga finns det mycket smörjning, friktionen mellan bromsarna och hjulen kan vara upp till tio gånger mindre än i torra förhållanden (enligt David Gordon Wilsons Bicycling Science), och din stoppsträcka blir mycket längre.
Skivbromsar arbetar närmare navet, så de måste tillämpa större bromskraft, vilket kan stressa gafflar och ekrar, och de är både tyngre (vilket kan påverka cykelns hantering) och mekaniskt mer komplicerade, men de tenderar att vara effektivare i vått väder och leriga förhållanden.
Bläddra igenom cykelforum på nätet och du kommer att hitta mycket olika åsikter om vilken typ av bromsar som är bäst för olika typer av cyklar, terräng och väderförhållanden. Vissa gillar skivbromsar för att de får cykeln att se bättre ut, andra gillar fälgbromsar för att de är så enkla och okomplicerade.
Artwork: Skivbromsar (förenklat). När du drar i bromshandtaget driver en trådkabel eller hydraulisk ledning (gul) bromsbromsarna (blå) som trycker bromsbeläggen mot en skiva som kallas rotor (röd) och som är fäst vid hjulet. Eftersom bromsskivorna är fästa vid en av gafflarna (grå) och bromskraften måste passera genom ekrarna (svarta) för att stoppa hjulet, utsätter skivbromsar gafflarna och ekrarna för mycket större påfrestningar än fälgbromsar.
Hur cykeldäck fungerar
Friktionen fungerar också till din fördel mellan gummidäckenoch vägen du cyklar på: den ger dig grepp som gör cykeln lättare att kontrollera, särskilt på våta dagar.
Likt bildäck är cykeldäck inte gjorda av massivt gummi: de har ett innerslang som är fylld med komprimerad (pressad) luft. Det innebär att de är lättare och mer fjädrande, vilket ger dig en mycket bekvämare körning. Pneumatiska däck, som de kallas, patenterades 1888 av den skotska uppfinnaren John Boyd Dunlop.
Olika typer av cyklar har olika typer av däck.Racercyklar har smala, släta däck som är utformade för maximal hastighet (även om den ”tunna” profilen ger dem ett högre rullmotstånd), medan bergscyklar har tjockare, robustare däck med djupare slitbanor, mer gummi i kontakt med vägen och bättre grepp (även om de är bredare och skapar mer luftmotstånd).
Varför kläder spelar roll
Friktion är en bra sak i bromsar och däck, men den är mindre välkommen i en annan form: som luftmotstånd som saktar ner dig. Ju snabbare du åker, desto mer blir luftmotståndet ett problem. Vid höga hastigheter kan det kännas som att simma i vatten när man tävlar med en cykel: man känner verkligen hur luften trycker mot en och (som vi redan har sett) använder man cirka 80 procent av sin energi för att övervinna luftmotståndet. En cykel är ganska tunn och strömlinjeformad, men en cyklists kropp är mycket fetare och bredare. i praktiken skapar cyklistens kropp dubbelt så mycket luftmotstånd som cykeln. Det är därför cyklister bär tajta neoprenkläder och spetsiga hjälmar för att strömlinjeformas och minimera energiförlusterna.
Foto: De har två uppsättningar styr. Inre styret hjälper cyklisterna att minska luftmotståndet genom att hålla armbågarna närmare varandra.Foto av Ben A. Gonzales med tillstånd avUS Navy.
Du kanske inte har märkt det, men styret på en cykel är också en hävstång: Längre styr ger en hävstång som gör det lättare att svänga framhjulet.Men ju bredare armarna är, desto mer luftmotstånd skapar du.Därför har tävlingscyklar två uppsättningar styr för att hjälpa cyklisten att inta den bästa och mest strömlinjeformade positionen. Det finns ett konventionellt yttre styr för att styra och ett inre för att hålla sig fast på raksträckan. De flesta cyklister bär numera hjälm, både av säkerhetsskäl och för att förbättra aerodynamiken.
Cyklar är fysik i praktiken
Låt oss kort sammanfatta med ett enkelt diagram som visar alla dessa olika delar av cykelvetenskapen i praktiken:
