Hvor går din energi hen?
Vi har beskrevet en cykel som en maskine, og i videnskabelige termer er det præcis, hvad det er: en enhed, der kan forstørre kraften (hvilket gør det lettere at køre op ad bakke) eller hastigheden. Det er også en maskine i den forstand, at den omdanner energi fra én form (det, du har spist) til en anden (den kinetiske energi, som din krop og cyklen har, når de kører af sted).Nu har du sikkert hørt om en fysiklov, der hedder energibevarelse, som siger, at man ikke kan skabe energi ud af den blå luft eller få den til at forsvinde sporløst: det eneste, man kan gøre, er at omdanne den fra én fra til en anden. Så hvor går den energi, du bruger ved cykling, egentlig hen? I videnskabelige termer siger vi, at den går til at “udføre arbejde” – men hvad betyder det i praksis?
Cykling kan nogle gange føles som hårdt arbejde, især hvis du kører op ad bakke.I videnskaben om cykling betyder “hårdt arbejde”, at du nogle gange er nødt til at bruge en hel del kraft på at træde i pedalerne for at tilbagelægge en distance. Hvis du kører op ad bakke, er du nødt til at arbejde mod tyngdekraften. Hvis du kører hurtigt, skal du arbejde mod luftmodstandens kraft, der presser mod din krop. Nogle gange er der bump på vejen, som du skal køre over; det kræver mere kraft og bruger også energi (bump reducerer din kinetiske energi ved at nedsætte din hastighed).
Foto: Cykler fungerer så godt med menneskekroppen, fordi de udnytter kraften fra vores store og meget kraftige benmuskler. Liggende cykler (cykler, som man kører liggende) ser måske ultramoderne og lidt mærkelige ud, men de stammer fra mindst 100 år tilbage i tiden. De er hurtigere end konventionelle cykler, fordi deres ryttere indtager en meget mere aerodynamisk, rørlignende stilling, der minimerer luftmodstanden. Da pedalerne er højere oppe fra jorden, kan pedalerne være længere, så du får mere løftestangseffekt, og dine muskler kan yde mere kraft i længere tid og gøre det mere effektivt. Foto af Robin Hillyer-Miles med tilladelse fra US Navy.
Men uanset om du kører op ad bakke eller ned ad bakke, hurtigt eller langsomt, på en jævn eller ujævn vej, er der en anden form for arbejde, du altid skal udføre for at få dine hjul til at køre rundt. Når et hjul hviler på jorden og bærer en belastning som f.eks. en cyklist på en cykel, er dækket, der er viklet rundt om det, presset sammen nogle steder og buler ud andre steder. Når du cykler fremad, bliver forskellige dele af dækket på skift presset sammen og bule ud, og gummiet, som de er lavet af, bliver trukket og skubbet i alle retninger.At presse et dæk sammen på denne måde er lidt ligesom at ælte brød: det kræver energi – og denne energi er det, vi kender som rullemodstand. Jo mere belastning du lægger på dækket (jo tungere du er, eller jo mere du bærer), jo større er rullemodstanden. Omkring 80-90 procent af rullemodstanden skyldes deformation af selve dækket, mens resten kommer fra dækkets luftmodstand og den måde, det glider mod jorden.
For en racercykel, der kører hurtigt, går omkring 80 procent af cyklistens arbejde til at overvinde luftmodstanden, mens resten bruges til at bekæmpe rullemodstanden; for en mountainbiker, der kører meget langsommere i ujævnt terræn, går 80 procent af energien til rullemodstand, og kun 20 procent går tabt til luftmodstand. Der er også små friktionstab i ting som kæde og gear, men uanset hvordan og hvad du kører, så længe den er rimeligt velholdt, er det normalt ikke værd at bekymre sig om den energi, der går tabt på denne måde.
Diagram: Langsomme mountainbikes spilder mest energi gennem rullemodstand; hurtigere racercykler spilder mere gennem luftmodstand.
Hvor meget energi er det egentlig, vi taler om her? Ifølge en fascinerende analyse fra Training Peaks har toprytterne i Tour de France i gennemsnit en effekt på 300-400 watt, hvilket er lige så meget som 3-4 gammeldags 100-watt-lamper eller ca. 15 procent af den effekt, du skal bruge for at drive en elkedel.Til sammenligning kan du generere ca. 10 watt med en elgenerator med håndkraft, men du kan ikke bruge sådan en i særlig lang tid uden at blive træt. Hvad fortæller dette os? Det er meget lettere at generere store mængder strøm i lange perioder ved at bruge dine store benmuskler end ved at bruge dine hænder og arme. Derfor er cykler så smarte: de udnytter de mest kraftfulde muskler i kroppen.
Sådan fungerer en cykelramme
Hvis man antager, at en voksen vejer 60-80 kg (130-180 lb), skal en cykelramme være ret robust, hvis den ikke skal knække eller bukke, så snart rytteren stiger op på cyklen. Almindelige cykler har rammer lavet af stærke, billige stålrør (bogstaveligt talt hule stålrør, der kun indeholder luft) eller lettere legeringer baseret på stål eller aluminium.Racercykler er oftere lavet af kulfiberkompositter, som er dyrere, men stærkere, lettere og rustfri.
Foto: Det hjælper dig med at læne dig fremad eller endda rejse dig op, når du kører op ad bakke, så du kan lægge maksimal kraft på pedalerne og holde balancen.
Du tror måske, at en cykelramme lavet af aluminiumsrør er meget svagere end en af stål – men kun hvis rørene har samme dimensioner.I praksis skal enhver cykel være stærk nok til at bære rytterens vægt og de belastninger, den sandsynligvis vil blive udsat for under forskellige former for håndtering.Så en cykel i aluminium vil bruge rør med en større diameter og/eller tykkere vægge end en cykel fremstillet af stålrør.
Rammen støtter dig ikke bare: dens trekantede form (ofte to trekanter, der er sat sammen til en diamant) er omhyggeligt designet til at fordele din vægt. Selv om sadlen er placeret meget tættere på baghjulet, læner du dig fremad for at holde om styret. De vinklede stænger i stellet er designet til at fordele din vægt mere eller mindre ligeligt mellem for- og baghjulet. Hvis du tænker over det, er det virkelig vigtigt. Hvis al din vægt lå på baghjulet, og du forsøgte at træde op ad bakke, ville du vælte bagud; på samme måde ville du vælte bagud, hvis der var for meget vægt på forhjulet, hver gang du kørte ned ad bakke!
Rammene er ikke designet til at være 100 procent stive: det ville give en meget mindre behagelig tur.Stort set alle cykelrammer bøjer og bøjer lidt, så de absorberer nogle af støddene fra kørslen, selv om andre faktorer (som f.eks. sadlen og dækkene) har meget større indflydelse på kørekomforten. Det er også værd at huske på, at menneskekroppen i sig selv er et bemærkelsesværdigt effektivt affjedringssystem; når du kører på en mountainbike på et ujævnt sti, vil du meget hurtigt blive klar over, hvordan dine arme kan fungere som støddæmpere! Det kan faktisk være ganske lærerigt at se kroppen som en forlængelse (eller et supplement) af cyklens grundlæggende ramme, der balanceres ovenpå den.
Hvordan cykelhjul fungerer
Foto: Ligesom et bilhjul er et cykelhjul en fartmultiplikator. Pedalerne og tandhjulene drejer akslen i midten. Akslen drejer kun et kort stykke, men hjulets løftestang betyder, at den ydre fælg drejer meget længere på samme tid. Det er sådan et hjul hjælper dig med at køre hurtigere.
Hvis du har læst vores artikel om, hvordan hjul fungerer, ved du, at et hjul og den aksel, det drejer rundt om, er et eksempel på det, som forskerne kalder en simpel maskine: den multiplicerer kraft eller hastighed, afhængigt af hvordan du drejer den. Cykelhjul er typisk over 50 cm (20 tommer) i diameter, hvilket er større end de fleste bilhjul. Jo højere hjulene er, jo mere multiplicerer de din hastighed, når du drejer dem ved akslen. Det er derfor, at racercykler har de højeste hjul (typisk omkring 70 cm eller 27,5 tommer i diameter).
Hjulene støtter i sidste ende hele din vægt, men på en meget interessant måde: Hvis hjulene var massive, ville de blive presset nedad (komprimeret), når du sad på sædet, og skubbe sig op igen for at støtte dig. Men hjulene på de fleste cykler består faktisk af et stærkt nav, en tynd fælg og ca. 24 stærkt spændte eger. Cykler har egehjul i stedet for massive metalhjul for at gøre dem både stærke og lette og for at reducere luftmodstanden (nogle cyklister bruger flade eger med “klinge” eller eger med en oval form i stedet for de traditionelle runde eger i et forsøg på at reducere luftmodstanden endnu mere).
Det er ikke kun antallet af eger, der er vigtigt, men også den måde, de er forbundet mellem fælgen og dens nav på. Ligesom trådene i et edderkoppespind eller de dinglende reb på en hængebro er et cykelhjul under spænding – egerne er trukket tæt sammen. Da egerne går på kryds og tværs fra fælgen til den modsatte side af navet, er hjulet ikke så fladt og spinkelt, som det ser ud, men faktisk en utrolig stærk, tredimensionel struktur. Når du sidder på en cykel, presser din vægt ned på navene, hvilket strækker nogle af egerne lidt mere og andre lidt mindre. Hvis du vejer 60 kg (130 lb), er der ca. 30 kg (130 lb), der presser ned på hvert hjul (ikke medregnet cyklens egen vægt), og det er egerne, der forhindrer hjulene i at bukke sammen.
Foto: På trods af udseendet er et cykelhjul hverken fladt eller svagt. Navet er meget bredere end dækket, egerne er under spænding, og de krydser hinanden på kryds og tværs og slutter sig til navet i en tangent. Alt dette giver en stiv tredimensionel struktur, der kan modstå vridning, bukning og bøjning. Foto af David Danals med tilladelse fra US Navy.
Da hvert hjul har et par dusin eger, kan man tro, at hver eger kun skal bære en brøkdel af den samlede vægt – måske så lidt som 1-2 kg (2,2-4,4 lb), hvis der er 30 eger, hvilket den sagtens kan klare. I virkeligheden bærer egerne vægten ujævnt: de få eger, der er tæt på lodret, bærer meget mere vægt end de andre. (Der er stadig en del debat blandt cykelforskere om, hvordan belastningen faktisk bæres, og om det er bedre at tænke på en cykel, der hænger i egerne i toppen eller skubber ned på dem i bunden). Efterhånden som hjulet roterer, bevæger de andre eger sig tættere på lodret og begynder at tage en større del af belastningen. Belastningen på hver enkelt eger stiger og falder dramatisk under hver omdrejning af hjulet, så efter mange tusinde cyklusser med gentagne belastninger og belastninger, hvor hver enkelt eger strækker og slapper af i hurtig vekslen, vil en af egerne (eller dens forbindelse til hjulet eller navet) sandsynligvis gå i stykker på grund af metaltræthed. Det øger øjeblikkeligt og dramatisk belastningen på de resterende eger, hvilket gør dem mere tilbøjelige til også at svigte og forårsager en slags “dominoeffekt”, der får hjulet til at bukke.
Hvordan cykelgear virker
Foto: Et gear er et par hjul med tænder, der griber ind i hinanden for at øge kraften eller hastigheden.I en cykel er parret af gear ikke direkte drevet, men forbundet af en kæde. I den ene ende er kæden permanent slået om hovedhjulet (mellem pedalerne). I den anden ende skifter den mellem en række større eller mindre hjul med tænder, når du skifter gear.
En typisk cykel har alt fra tre til tredive forskellige gear – hjul med tænder, der er forbundet med kæden, og som gør maskinen hurtigere (når du kører på lige strækninger) eller lettere at træde i pedalerne (når du kører op ad bakke). Større hjul hjælper dig også til at køre hurtigere på den lige vej, men de er en stor ulempe, når det drejer sig om bakker.Det er en af grundene til, at mountainbikes og BMX-cykler har mindre hjul end racercykler. Det er ikke kun gearene på en cykel, der er med til at forstærke din pedalkraft, når du kører op ad bakke: Pedalerne er fastgjort til hovedhjulet ved hjælp af et par krankgear: to korte håndtag, der også forstærker den kraft, du kan udøve med dine ben.
Gears kan gøre en utrolig forskel for din hastighed. På en typisk racercykel kan gearforholdet (antallet af tænder på pedalhjulet divideret med antallet af tænder på baghjulet) f.eks. være på helt op til 5:1, så et enkelt spin i pedalerne vil give dig ca. 10 meter ned ad gaden. Hvis du antager, at du kun kan bevæge dine ben så hurtigt, kan du se, at gear effektivt får dig til at komme hurtigere frem ved at hjælpe dig med at komme længere for hver omgang med pedalerne.
Læs mere i vores hovedartikel om gear.
Artwork: Cykler før gear: De tidlige cykler som disse (kendt som “Penny Farthings” eller “High Wheels”) havde et enormt forhjul, der effektivt mangedoblede din hastighed og gjorde det muligt at køre meget hurtigt på den lige vej.Der var ingen gear: forhjulet drejede rundt én gang, hver gang dine ben trykkede op og ned på pedalerne.Det var ret svært at køre ned ad bakke (medmindre du tog fødderne væk fra pedalerne), og det var stort set umuligt at køre op ad bakke!Detalje af et originalt maleri, ca. 1887, af Henry “Hy” Sandham, venligst udlånt af US Library of Congress.
Sådan fungerer cykelbremser
Foto: Fælgbremser: Gummi-skoene (klodserne) på denne cykels bremser klemmer hjulets metalfælg fast for at bremse dig. Når du mister fart, mister du energi. Hvor går energien hen? Den bliver til varme: bremseklodserne kan blive utroligt varme!
Og uanset hvor hurtigt du kører, kommer der et tidspunkt, hvor du er nødt til at stoppe. Bremser på en cykel fungerer ved hjælp af friktion (den gnidende kraft mellem to ting, der glider forbi hinanden, mens de rører hinanden). Selv om nogle cykler nu har skivebremser (svarende til dem, som biler bruger) med separate bremseskiver, der er fastgjort til hjulene, bruger mange stadig traditionelle fælgbremser med bremseklapper og sko.
Når du trykker på bremsehåndtagene, klemmer et par gummisko (nogle gange kaldet klodser) sig fast på den indre metalfælg på for- og baghjulet. Når bremseklodserne gnider tæt mod hjulene, omdanner de din kinetiske energi (den energi, du har, fordi du kører videre) til varme, hvilket har den virkning, at du bliver langsommere.Der er mere om dette i vores hovedartikel om bremser.
Fælgebremser kontra skivebremser
Fælgebremser med bremsesliber presser på hjulets yderkant, hvor det drejer hurtigst, men med mindst kraft. Det betyder, at de har brug for relativt lidt bremsekraft for at bremse hjulene (så de kan være små og lette), selv om du stadig skal trykke hårdt, og du skal anvende denne kraft i længere tid for at få dig selv og din cykel til at standse. En stor ulempe ved fælgbremser er, at de er fuldt ud udsat for regn ovenfra og fra siden og spray fra hjulene; hvis bremseklodserne og hjulene er våde og mudrede, er der betydelig smøring, friktionen mellem bremserne og hjulene kan være op til ti gange mindre end under tørre forhold (ifølge David Gordon Wilsons Bicycling Science), og din bremselængde vil være meget større.
Diskbremser arbejder tættere på navet, så de skal anvende større bremsekraft, hvilket kan belaste gafler og eger, og de er både tungere (hvilket kan påvirke cyklens håndtering) og mekanisk mere komplekse, men de har en tendens til at være mere effektive i vådt vejr og mudret.
Søg rundt i cykelfora på nettet, og du vil finde meget forskellige meninger om, hvilken type bremser der er bedst til forskellige typer cykler, terræn og vejrforhold. Nogle kan lide skivebremser, fordi de får en cykel til at se bedre ud, mens andre kan lide fælgbremser, fordi de er så enkle og ligetil.
Artwork: Skivebremser (forenklet). Når du trækker i bremsegrebet, betjener et wirekabel eller en hydraulisk ledning (gul) bremseklapperne (blå), der skubber bremseklodserne mod en skive, der kaldes rotoren (rød), og som er fastgjort til hjulet. Fordi bremseklapperne er fastgjort til en af gaflerne (grå), og bremsekraften skal passere gennem egerne (sorte) for at stoppe hjulet, belaster skivebremser gaflerne og egerne meget mere end fælgbremser.
Sådan fungerer cykeldæk
Friktionen arbejder også til din fordel mellem gummidækkeneog vejen, du kører på: den giver dig et greb, der gør din cykel lettere at styre, især på våde dage.
Ligeom bildæk er cykeldæk ikke lavet af massivt gummi: de har et inderrør fyldt med komprimeret (presset) luft. Det betyder, at de er lettere og mere fjedrende, hvilket giver dig en meget mere behagelig kørsel. Luftdæk, som de kaldes, blev patenteret i 1888 af den skotske opfinder John Boyd Dunlop.
Forskellige typer cykler har forskellige typer dæk.Racercykler har smalle, glatte dæk, der er designet til maksimal hastighed (selv om deres “tynde” profil giver dem større rullemodstand), mens mountainbikes har tykkere, mere robuste dæk med dybere slidbaner, mere gummi i kontakt med vejen og bedre vejgreb (selv om de er bredere og giver større luftmodstand).
Hvorfor tøj har betydning
Friktion er en god ting i bremser og dæk – men den er mindre velkommen i en anden form: som luftmodstand, der gør dig langsommere. Jo hurtigere du kører, jo mere bliver luftmodstanden et problem. Ved høje hastigheder kan det at køre på cykel føles som at svømme gennem vand: Du kan virkelig mærke luften skubbe mod dig, og (som vi allerede har set) bruger du omkring 80 procent af din energi på at overvinde luftmodstanden. En cykel er ret tynd og strømlinet, men en cyklists krop er meget tykkere og bredere, og i praksis skaber en cyklists krop dobbelt så meget luftmodstand som cyklen. Derfor bærer cyklister stramt neopretøj og spidse hjelme for at strømline sig selv og minimere energitabet.
Foto: racercykler har to sæt styr. Det inderste styr hjælper cyklisterne med at reducere luftmodstanden ved at holde albuerne tættere sammen.Foto af Ben A. Gonzales, venligst udlånt afUS Navy.
Du har måske ikke bemærket det, men cykelstyret er også et håndtag: Et længere styr giver en løftestang, der gør det lettere at dreje forhjulet.Men jo bredere du placerer dine arme, jo mere luftmodstand skaber du.Derfor har racercykler to sæt styr for at hjælpe cyklisten med at indtage den bedste og mest strømlinede position. Der er et konventionelt, ydre styr til styring og et indre til at holde fast på den lige vej. De fleste cyklister bærer nu hjelm, både af sikkerhedshensyn og af hensyn til den forbedrede aerodynamik.
Cykler er fysik i praksis
Lad os kort opsummere med et simpelt diagram, der viser alle disse forskellige dele af cykelvidenskaben i praksis:
