Mihin energiasi menee?
Olemme kuvailleet polkupyörää koneeksi, ja tieteellisessä mielessä se on juuri sitä: laite, joka voi suurentaa voimaa (jolloin ylämäkeen meneminen on helpompaa) tai nopeutta. Se on kone myös siinä mielessä, että se muuntaa energiaa yhdestä energiamuodosta (mitä tahansa söitkin) toiseen (liike-energia, joka kehollasi ja polkupyörälläsi on, kun ne kiihdyttävät eteenpäin).Olet luultavasti kuullut fysiikan laista, jota kutsutaan energian säilymiseksi ja jonka mukaan energiaa ei voi luoda tyhjästä tai saada sitä katoamaan jäljettömiin: sen voi vain muuntaa yhdestä energiamuodosta toiseen. Mihin pyöräilyyn käyttämäsi energia siis todellisuudessa menee? Tieteellisessä mielessä sanomme sen menevän ”työn tekemiseen” – mutta mitä se tarkoittaa käytännössä?
Pyöräily voi joskus tuntua kovalta työltä, varsinkin jos ajetaan ylämäkeen.Pyöräilyn tieteessä ”kovalla työllä” tarkoitetaan sitä, että joskus on käytettävä melko paljon voimaa, jotta voi polkea jonkin matkaa. Jos ajat ylämäkeen, sinun on työskenneltävä painovoimaa vastaan. Jos ajat nopeasti, sinun on työskenneltävä ilmanvastuksen voimaa (drag) vastaan, joka painaa kehoasi vasten. Joskus tiessä on kuoppia, joiden yli sinun on ajettava; se vaatii enemmän voimaa ja kuluttaa myös energiaa (kuopat vähentävät liike-energiaasi vähentämällä nopeuttasi).
Kuva: Polkupyörä toimii niin hyvin ihmiskehon kanssa, koska se valjastaa voiman suurista ja erittäin voimakkaista jalkalihaksistamme. Makuuasennossa olevat polkupyörät (joita ajetaan makuuasennossa) saattavat näyttää huippumoderneilta ja hieman oudoilta, mutta ne ovat peräisin ainakin 100 vuoden takaa. Ne ovat nopeampia kuin perinteiset polkupyörät, koska niiden kuljettajat omaksuvat paljon aerodynaamisemman, putkimaisen asennon, joka minimoi ilmanvastuksen. Koska polkimet ovat korkeammalla maasta, kampiakselit voivat olla pidemmät, joten vipuvoima on suurempi ja lihakset pystyvät tuottamaan voimaa pidempään ja tehokkaammin. Kuva: Robin Hillyer-Miles, US Navy.
Mutta ajoitpa sitten ylämäkeen tai alamäkeen, nopeasti tai hitaasti, sileällä tai kuoppaisella tiellä, on aina tehtävä myös toisenlaista työtä, jotta pyörät pyörivät. Kun pyörä lepää maassa kannattelemassa kuormaa, kuten pyöräilijää, pyörän ympärille kääritty rengas on paikoin puristunut ja paikoin pullistunut. Kun pyöräilet eteenpäin, renkaan eri osat puristuvat ja pullistuvat vuorotellen, ja kumia, josta rengas on tehty, vedetään ja työnnetään kaikkiin suuntiin.Renkaan toistuva puristaminen tällä tavoin on vähän kuin leivän vaivaaminen: se vie energiaa – ja tämä energia tunnetaan vierintävastuksena. Mitä enemmän kuormaa renkaaseen kohdistuu (mitä painavampi olet tai mitä enemmän kannat mukanasi), sitä suurempi on vierintävastus. Noin 80-90 prosenttia vierintävastuksesta aiheutuu itse renkaan muodonmuutoksesta, ja loput renkaan ilmanvastuksesta ja siitä, miten se liukuu maata vasten.
Nopeasti ajavan kilpapyöräilijän työstä noin 80 prosenttia kuluu ilmanvastuksen voittamiseen ja loput vierintävastuksen voittamiseen; maastopyöräilijän, joka kulkee paljon hitaammin vaikeakulkuisessa maastossa, energiasta 80 prosenttia kuluu vierintävastuksen voittamiseen, ja vain 20 prosenttia häviää vierintävastuksen vuoksi. Pieniä kitkahäviöitä syntyy myös esimerkiksi ketjussa ja vaihteissa, mutta riippumatta siitä, miten ja millä pyöräilet, kunhan se on kohtuullisen hyvin huollettu, tällä tavoin menetetty energia ei yleensä ole huolestuttavaa.
Kaavio: Hitaat maastopyörät hukkaavat eniten energiaa vierintävastuksen kautta; nopeammat kilpapyörät hukkaavat enemmän ilmanvastuksen kautta.
Miten suuresta energiamäärästä tässä oikeastaan puhutaan? Training Peaksin tekemän kiehtovan analyysin mukaan Tour de Francessa huippupyöräilijät käyttävät keskimäärin noin 300-400 wattia tehoa, mikä on yhtä paljon kuin 3-4 vanhanaikaista 100 watin lamppua tai noin 15 prosenttia siitä tehosta, jonka tarvitsisit vedenkeittimen pyörittämiseen.Vertailun vuoksi mainittakoon, että käsikäyttöisellä sähkögeneraattorilla voi tuottaa noin 10 wattia, vaikkakaan sellaista ei voi käyttää kovinkaan pitkään väsymättä. Mitä tämä kertoo meille? On paljon helpompaa tuottaa suuria määriä tehoa pitkäksi aikaa käyttämällä suuria jalkalihaksia kuin käyttämällä käsiä ja käsivarsia. Siksi polkupyörät ovat niin älykkäitä: niissä hyödynnetään kehon tehokkaimpia lihaksia.
Miten polkupyörän runko toimii
Jos oletetaan, että aikuinen painaa 60-80 kg, polkupyörän rungon on oltava melko luja, jos se ei meinaa napsahtaa tai loksahtaa paikalleen sillä hetkellä, kun pyöräilijä nousee kyytiin. Tavallisten polkupyörien rungot on valmistettu vahvasta, edullisesta teräsputkesta (kirjaimellisesti onttoja teräsputkia, jotka sisältävät pelkkää ilmaa) tai kevyemmistä teräkseen tai alumiiniin perustuvista seoksista.Kilpapyörät on todennäköisemmin valmistettu hiilikuitukomposiiteista, jotka ovat kalliimpia, mutta vahvempia, kevyempiä ja ruostumattomia.
Kuva: Polkupyörän käänteinen A-runko on uskomattoman vahva rakenne, joka auttaa jakamaan painosi etu- ja takapyörien välillä.Se auttaa nojaamaan eteenpäin tai jopa seisomaan ylämäkeen noustessasi, jotta voit käyttää mahdollisimman paljon voimaa polkimiin ja säilyttää tasapainosi.
Voisit ajatella, että pyörän runko, joka on valmistettu alumiiniputkista, olisi paljon heikompi kuin teräksestä valmistettu runko – mutta vain, jos putket ovat samankokoisia.Käytännössä jokaisen polkupyörän on oltava riittävän vahva kannattelemaan ajajan painoa ja kuormituksia, joita siihen todennäköisesti kohdistuu erilaisten käsittelytapojen aikana.Alumiinipyörässä käytettäisiin siis halkaisijaltaan ja/tai seinämiltään suurempia putkia kuin teräsputkista valmistetussa pyörässä.
Runko ei pelkästään kannattele sinua: sen kolmiomainen muoto (usein kaksi kolmiota, jotka on liitetty toisiinsa vinoneliöksi) on suunniteltu huolellisesti jakamaan painosi. Vaikka satula on sijoitettu paljon lähemmäs takapyörää, nojaat eteenpäin pitämään kiinni ohjaustangosta. Rungon kulmatangot on suunniteltu siten, että paino jakautuu suurin piirtein tasaisesti etu- ja takapyörän kesken. Jos ajattelet asiaa, se on todella tärkeää. Jos kaikki painosi olisi takapyörän päällä ja yrittäisit polkea ylämäkeen, kallistuisit taaksepäin; samoin, jos etupyörän päällä olisi liikaa painoa, menisit pää edellä aina alamäkeen!
Runkoja ei ole suunniteltu 100-prosenttisesti jäykiksi: se tekisi ajamisesta paljon epämukavampaa.Käytännöllisesti katsoen kaikki pyörän rungot taipuvat ja taipuvat hieman, jotta ne vaimentaisivat osan ajamisen aiheuttamista iskuista, vaikka muilla tekijöillä (kuten satulalla ja renkailla) on paljon suurempi vaikutus ajomukavuuteen. Kannattaa myös muistaa, että ihmiskeho on itsessään hämmästyttävän tehokas jousitusjärjestelmä; kun ajat maastopyörällä pitkin epätasaista polkua, tulet hyvin nopeasti tietoiseksi siitä, miten kädet voivat toimia iskunvaimentimina! Voi nimittäin olla varsin opettavaista tarkastella vartaloa pyörän perusrungon jatkeena (tai täydennyksenä), joka tasapainottuu sen päällä.
Miten polkupyörän pyörät toimivat
Kuva: Polkupyörän pyörä on auton pyörän tavoin nopeuden moninkertaistaja. Polkimet ja hammaspyörät pyörittävät keskellä olevaa akselia. Akseli kääntyy vain lyhyen matkan, mutta pyörän vipuvoiman ansiosta ulkokehä kääntyy paljon pidemmälle samassa ajassa. Näin pyörä auttaa sinua kulkemaan nopeammin.
Jos olet lukenut artikkelimme pyörien toiminnasta, tiedät, että pyörä ja sen ympärillä pyörivä akseli ovat esimerkki siitä, mitä tiedemiehet kutsuvat yksinkertaiseksi koneeksi: se moninkertaistaa voiman tai nopeuden sen mukaan, miten sitä käännetään. Polkupyörän pyörät ovat tyypillisesti halkaisijaltaan yli 50 senttimetriä (20 tuumaa), mikä on useimpia auton pyöriä pienempi. Mitä korkeammat pyörät ovat, sitä enemmän ne moninkertaistavat nopeuden, kun niitä käännetään akselilla. Siksi kilpapyörissä on korkeimmat pyörät (tyypillisesti halkaisijaltaan noin 70 cm tai 27,5 tuumaa).
Pyörät tukevat viime kädessä koko painosi, mutta hyvin mielenkiintoisella tavalla.Jos pyörät olisivat kiinteät, ne puristuisivat (puristuisivat) alaspäin istuessasi istuimella ja painuisivat takaisin ylös tukeakseen sinua. Useimpien polkupyörien pyörät koostuvat kuitenkin itse asiassa vahvasta navasta, ohuesta vanteesta ja noin 24:stä erittäin jännitetystä kiekosta. Polkupyörissä on täysmetallipyörien sijasta puikkopyörät, jotta ne olisivat sekä vahvoja että kevyitä ja jotta ne vähentäisivät ilmanvastusta (jotkut pyöräilijät käyttävät litteitä tai ovaalinmuotoisia puikkoja perinteisten pyöreiden puikkojen sijasta vähentääkseen ilmanvastusta entisestään).
Tärkeää ei ole vain puikkojen määrä, vaan myös tapa, jolla puikot on yhdistetty vanteen ja navan välille. Kuten hämähäkinseitin säikeet tai riippusillan roikkuvat köydet, pyöränpyörä on kireällä – pyöränkehät on vedetty tiukalle. Koska pyöränpyörän pyöränpyörät kulkevat ristikkäin vanteelta navan vastakkaiselle puolelle, pyörä ei ole niin litteä ja hauras kuin miltä se näyttää, vaan se on itse asiassa hämmästyttävän vahva, kolmiulotteinen rakenne. Kun istut pyörän selässä, painosi painaa navat alaspäin, jolloin jotkin pyöränpyörän puolat venyvät hieman enemmän ja toiset hieman vähemmän. Jos painat 60 kiloa, jokaiseen pyörään kohdistuu noin 30 kiloa painoa (polkupyörän omaa painoa lukuun ottamatta), ja pyöränpyörien painon ansiosta pyörät eivät taivu.
Kuva: Ulkonäöstä huolimatta polkupyörän pyörä ei ole litteä eikä heikko. Napa on paljon leveämpi kuin rengas, puolat ovat jännitettyinä, ja ne risteilevät ristikkäin yhdistyen napaan tangentin kohdalla. Kaikki tämä muodostaa jäykän kolmiulotteisen rakenteen, joka kestää vääntymistä, lommahtamista ja taipumista. Todellisuudessa pyöränpyörien paino jakautuu epätasaisesti: muutamat lähellä pystysuoraa olevat pyöränpyöriä olevat pyöränpyörien osat kantavat paljon enemmän painoa kuin muut. (Pyörätieteilijät kiistelevät edelleen siitä, miten kuorma todellisuudessa kannetaan, ja siitä, onko parempi ajatella, että pyörä roikkuu ylhäällä olevista pyöränpyöristä vai painaa alaspäin alhaalla olevista pyöränpyöristä). Kun pyörä pyörii, muut puolat siirtyvät lähemmäs pystysuoraa ja alkavat ottaa suuremman osan kuormituksesta. Kunkin puikon kuormitus nousee ja laskee dramaattisesti pyörän jokaisen kierroksen aikana, joten lopulta monien tuhansien toistuvien jännitys- ja rasitussyklien jälkeen, joiden aikana kukin puikko venyy ja rentoutuu nopeassa vuorottelussa, yksi puikoista (tai sen liitos pyörään tai napaan) todennäköisesti pettää metallin väsymisen vuoksi. Tämä lisää välittömästi ja dramaattisesti jäljelle jääviin puikkoihin kohdistuvaa kuormitusta, jolloin nekin todennäköisemmin vioittuvat ja aiheuttavat eräänlaisen ”dominoefektin”, joka saa pyörän vääntymään.
Miten polkupyörän hammaspyörät toimivat
Kuva: Vaihde on hammaspyöräpari, jossa on hammasrattaita, jotka lukittuvat toisiinsa tehon tai nopeuden lisäämiseksi.Polkupyörässä hammaspyöräparia ei ajeta suoraan, vaan se on yhdistetty ketjulla. Toisessa päässä ketju on pysyvästi silmukoitu päävaihteen pyörän ympärille (polkimien välissä). Toisessa päässä se siirtyy isompien tai pienempien hammastettujen pyörien välillä, kun vaihdetaan vaihdetta.
Tyypillisessä polkupyörässä on kolmesta kolmeen tai kolmeenkymmeneen erilaista hammaspyörää, jotka ketju yhdistää toisiinsa ja jotka nopeuttavat koneen nopeutta (suoraa pitkin kulkeminen) tai helpottavat polkemista (ylämäkeen kulkeminen). Isommat pyörät auttavat myös kulkemaan nopeammin suoralla, mutta ne ovat suuri haitta mäissä.Tämä on yksi syy siihen, miksi maastopyörissä ja BMX-pyörissä on pienemmät pyörät kuin kilpapyörissä. Polkupyörän vaihteet eivät pelkästään auta suurentamaan poljinvoimaasi ylämäkeen mentäessä: polkimet on kiinnitetty päävaihteistoon parilla kampiakselilla: kahdella lyhyellä vivulla, jotka myös suurentavat voimaa, jonka voit käyttää jaloillasi.
Vaihteet voivat vaikuttaa uskomattomasti nopeuteesi. Esimerkiksi tyypillisessä kilpapyörässä välityssuhde (poljinpyörän hampaiden lukumäärä jaettuna takapyörän hampaiden lukumäärällä) voi olla jopa 5:1, joten yhdellä polkimien pyöräytyksellä pääset noin 10 metrin (35 jalan) matkan. Jos oletetaan, että pystyt liikuttamaan jalkojasi vain niin nopeasti, voit nähdä, että vaihteet nopeuttavat tehokkaasti etenemistäsi auttamalla sinua etenemään pidemmälle jokaisella polkimen kierroksella.
Lue lisää vaihteita käsittelevästä pääartikkelistamme.
Artwork: Polkupyörät ennen vaihteita: Niissä ei ollut vaihteita: etupyörä kääntyi kerran joka kerta, kun jalat painoivat kampiakseleita (polkimia) ylös ja alas.Alamäkeen ajaminen oli melko hankalaa (ellet ottanut jalkojasi irti kampiakseleista) ja ylämäkeen ajaminen oli lähes mahdotonta!Yksityiskohta alkuperäisestä maalauksesta, noin 1887, Henry ”Hy” Sandham, Yhdysvaltain kongressin kirjasto.
Miten polkupyörän jarrut toimivat
Kuva: Vannejarrut: Tämän polkupyörän jarrujen kumikengät (lohkot) puristavat pyörän metallivanteen kiinni hidastaakseen vauhtia. Kun menetät nopeutta, menetät energiaa. Minne energia menee? Se muuttuu lämmöksi: jarrupalat voivat kuumentua uskomattoman kuumiksi!
Vaikka ajaisit kuinka kovaa, tulee aika, jolloin sinun on pysähdyttävä. Polkupyörän jarrut toimivat kitkan avulla (kahden asian välinen hankausvoima, joka liukuu toistensa ohi, kun ne koskettavat toisiaan). Vaikka joissakin polkupyörissä on nykyään levyjarrut (samanlaiset kuin autoissa), joissa on erilliset, pyöriin kiinnitetyt jarrulevyt, monissa pyörissä käytetään edelleen perinteisiä jarrusatulalla toimivia vannejarruja, joissa on kengät.
Kun painat jarruvipuja, kumikenkäpari (jota joskus kutsutaan lohkoiksi) puristuu etu- ja takapyörän metalliselle sisävanteelle. Kun jarrukengät hankautuvat tiukasti pyöriä vasten, ne muuttavat liike-energiasi (energia, joka sinulla on, koska etenet eteenpäin) lämmöksi, joka hidastaa vauhtia.Tästä on lisää jarruja käsittelevässä pääartikkelissamme.
Vannejarrut verrattuna levyjarruihin
Vannejarrut painavat vanteen ulkoreunaa, jossa pyörä pyörii nopeimmin mutta pienimmällä voimalla. Tämä tarkoittaa, että ne tarvitsevat suhteellisen vähän jarruvoimaa pyörien hidastamiseen (joten ne voivat olla pieniä ja kevyitä), vaikka sinun on silti painettava voimakkaasti ja sinun on käytettävä tätä voimaa pidempään, jotta saat itsesi ja pyöräsi pysähtymään. Yksi vannejarrujen suuri haittapuoli on se, että ne ovat täysin alttiina sateelle ylhäältä päin ja sivusta sekä pyöristä roiskuvalle sateelle; jos jarrukengät ja pyörät ovat märät ja likaiset, voitelu on huomattavan vähäistä, jarrujen ja pyörien välinen kitka voi olla jopa kymmenkertainen kuiviin olosuhteisiin verrattuna (David Gordon Wilsonin julkaiseman Bicycling Science -kirjan mukaan), ja pysähtymismatkasi on paljon pitempi.
Levyjarrut toimivat lähempänä napaa, joten niiden on käytettävä suurempaa jarruvoimaa, mikä voi rasittaa haarukoita ja pyöränkehiä, ja ne ovat sekä painavampia (mikä voi vaikuttaa pyörän käsiteltävyyteen) että mekaanisesti monimutkaisempia, mutta niillä on taipumus olla tehokkaampia märällä säällä ja mutaisissa olosuhteissa.
Selaa pyöräilyä käsitteleviä internetin pyöräilyfoorumeita, ja tulet löytämään hyvinkin eriäviä mielipiteitä siitä, minkälaiset jarrut ovat parhaita erityyppisille polkupyörille ja eri tyyppisissä maasto- ja sääolosuhteissa. Jotkut pitävät levyjarruista, koska ne saavat pyörän näyttämään paremmalta; toiset taas pitävät vannejarruista, koska ne ovat niin yksinkertaiset ja suoraviivaiset.
Artwork: Levyjarrut (yksinkertaistettuna). Kun vedät jarruvivusta, vaijeri tai hydrauliletku (keltainen) käyttää jarrusatuloita (sininen), jotka painavat jarrupaloja pyörään kiinnitettyä roottoriksi kutsuttua levyä (punainen) vasten. Koska jarrusatulat on kiinnitetty yhteen haarukoista (harmaa) ja jarruvoiman on kuljettava pyörän pysäyttämiseksi puikkojen (musta) läpi, levyjarrut rasittavat haarukoita ja puikkoja paljon enemmän kuin vannejarrut.
Miten polkupyörän renkaat toimivat
Kumirenkaiden ja tien, jolla ajat, välinen kitka toimii myös eduksesi: se antaa pitoa, jonka ansiosta pyörääsi on helpompi hallita erityisesti märkinä päivinä.
Pyörän renkaat eivät ole autonrenkaiden tapaan kiinteää kumia: niissä on sisempi letku, joka on täytetty puristetulla (puristetulla) ilmalla. Tämä tarkoittaa, että ne ovat kevyempiä ja jousikkaampia, mikä antaa sinulle paljon mukavamman ajomukavuuden. Pneumaattiset renkaat patentoi skotlantilainen keksijä John Boyd Dunlop vuonna 1888.
Erilaisissa polkupyörissä on erilaiset renkaat.Kilpapyörissä on kapeat, sileät renkaat, jotka on suunniteltu maksimaalista nopeutta varten (vaikka niiden ”ohut” profiili lisääkin renkaiden vierintävastusta), kun taas maastopyörissä on paksummat, tukevammat renkaat, joissa on syvemmät kulutuspinnat, enemmän kumia kosketuksissa tien kanssa ja parempi pito (vaikka leveämmät renkaat aiheuttavatkin suuremman ilmanvastuksen).
Miksi vaatetuksella on väliä
Kiinnitys on hieno asia jarruissa ja renkaissa, mutta se ei ole yhtä tervetullut toisessa muodossa: ilmanvastuksena, joka hidastaa sinua. Mitä nopeammin ajat, sitä suuremmaksi ongelmaksi muodostuu vastus. Suurilla nopeuksilla polkupyörällä ajaminen voi tuntua kuin uisi vedessä: voit todella tuntea, kuinka ilma työntyy sinua vastaan, ja (kuten olemme jo nähneet) käytät noin 80 prosenttia energiastasi vastuksen voittamiseen. Polkupyörä on melko ohut ja virtaviivainen, mutta pyöräilijän vartalo on paljon paksumpi ja leveämpi.Käytännössä pyöräilijän vartalo aiheuttaa tuplasti enemmän vastusta kuin pyörä. Siksi pyöräilijät käyttävät tiukkoja neopreenivaatteita ja pistemäisiä kypäriä virtaviivaistaakseen itseään ja minimoidakseen energiahäviöt.
Kuva: Kilpapyörissä on kaksi ohjaustankosarjaa. Sisempi ohjaustanko auttaa kuljettajaa vähentämään ilmanvastusta pitämällä kyynärpäät lähempänä toisiaan.Kuva: Ben A. Gonzales, US Navy.
Et ehkä ole huomannut, mutta polkupyörän ohjaustanko on myös vipuvarsi: pidemmät ohjaustangot antavat vipuvoiman, joka helpottaa etupyörän kääntämistä.Mitä leveämpi käsivarsien etäisyys on, sitä enemmän ilmanvastusta syntyy.Siksi kilpapyörissä on kaksi ohjaustankosarjaa, joiden avulla pyöräilijä voi omaksua parhaan ja virtaviivaisimman asennon. Perinteinen, ulompi ohjaustanko on ohjaamista varten ja sisempi ohjaustanko, josta voi pitää kiinni suoralla. Sisemmän ohjaustangon käyttö pakottaa pyöräilijän kädet paljon tiukempaan, virtaviivaisempaan asentoon.Useimmat pyöräilijät käyttävät nykyään kypärää sekä turvallisuussyistä että paremman aerodynamiikan vuoksi.
Pyörä on fysiikkaa toiminnassa
Kerrataan lyhyesti yksinkertaisella kaaviolla, joka osoittaa kaikki nämä pyöräilytieteen eri osa-alueet toiminnassa:
.