Hová megy az energiád?
A kerékpárt gépként jellemeztük, és tudományos értelemben pontosan ez az: egy eszköz, amely képes felnagyítani az erőt (megkönnyítve a felfelé haladást) vagy a sebességet. Abban az értelemben is gép, hogy energiát alakít át az egyik formából (bármit is ettél) egy másikba (a test és a kerékpár mozgási energiája, ahogy száguldanak).Most már valószínűleg hallottál a fizika egyik törvényéről, az energia megőrzéséről, amely kimondja, hogy nem lehet energiát a semmiből előállítani vagy nyomtalanul eltüntetni: csak annyit tehetsz, hogy egyikből a másikba alakítod át. Tehát hová is megy valójában a kerékpározás során felhasznált energia? Tudományos értelemben azt mondjuk, hogy “munkára” – de mit jelent ez a gyakorlatban?
A kerékpározás néha kemény munkának tűnhet, különösen, ha emelkedőn haladsz.A kerékpározás tudományában a “kemény munka” azt jelenti, hogy néha elég nagy erőt kell kifejtened ahhoz, hogy bármilyen távolságot megtegyél. Ha felfelé haladsz, akkor a gravitációs erővel szemben kell dolgoznod. Ha gyorsan haladsz, akkor a légellenállás (légellenállás) ereje ellen kell dolgoznod, amely a testedet nyomja. Néha vannak az úton dudorok, amelyeken át kell hajtanod; ez több erőt igényel és energiát is felhasznál (a dudorok csökkentik a mozgási energiádat, mivel csökkentik a sebességedet).
Fotó: A kerékpár azért működik olyan jól az emberi testtel, mert a nagy és nagyon erős lábizmaink erejét hasznosítja. A fekvő kerékpárok (azok, amelyeken fekve ülsz) talán ultramodernnek és kissé furcsának tűnnek, de legalább 100 éves múltra tekintenek vissza. Gyorsabbak, mint a hagyományos kerékpárok, mert vezetőik sokkal aerodinamikusabb, csőszerű testtartást vesznek fel, ami minimalizálja a légellenállást. Mivel a pedálok magasabban vannak a talajtól, a hajtókarok hosszabbak lehetnek, így nagyobb a lendület, az izmok hosszabb ideig és hatékonyabban tudnak nagy teljesítményt kifejteni. Robin Hillyer-Miles fotója az amerikai haditengerészet jóvoltából.
De akár emelkedőn vagy lejtőn, gyorsan vagy lassan, sima vagy göröngyös úton haladsz, mindig van egy másik fajta munka, amit egyszerűen azért kell elvégezned, hogy a kerekeidet mozgásba hozd. Amikor egy kerék a talajon nyugszik, és olyan terhet hordoz, mint például egy kerékpáros, a kerék köré tekeredő gumiabroncs egyes helyeken összenyomódik, máshol pedig kidudorodik. Ahogy tekerünk, a gumiabroncs különböző részei felváltva összenyomódnak és kidudorodnak, és a gumi, amelyből készült, minden irányba húzódik és tolódik.A gumiabroncs ilyen módon történő ismételt összenyomódása kicsit olyan, mint a kenyérgyúrás: energiát igényel – és ezt az energiát gördülési ellenállásként ismerjük. Minél nagyobb terhelést helyezünk a gumiabroncsra (minél nehezebbek vagyunk, vagy minél többet cipelünk), annál nagyobb a gördülési ellenállás. A gördülési ellenállás körülbelül 80-90 százalékát magának a gumiabroncsnak a deformációja okozza, a maradékot a gumiabroncs légellenállása és a talajhoz való csúszása adja.
Egy gyorsan haladó versenykerékpár esetében a kerékpáros által végzett munka körülbelül 80 százalékát a légellenállás leküzdése teszi ki, míg a maradékot a gördülési ellenállás leküzdésére fordítják; egy hegyi kerékpáros esetében, aki sokkal lassabban halad durva terepen, az energia 80 százalékát a gördülési ellenállás teszi ki, és csak 20 százalékát veszíti el a légellenállás. Vannak még kisebb súrlódási veszteségek olyan dolgokban, mint a lánc és a fogaskerekek, de bárhogyan és bármit is motorozol, amíg megfelelően karbantartott, az így elveszett energia miatt általában nem érdemes aggódni.
Grafikon: A lassú hegyi kerékpárok a gördülési ellenállással pazarolják a legtöbb energiát; a gyorsabb versenybringák a légellenállással pazarolják a legtöbbet.
Hány energiáról beszélünk itt valójában? A Tour de France-on a Training Peaks lenyűgöző elemzése szerint a legjobb versenyzők átlagosan 300-400 watt teljesítményt használnak, ami 3-4 régimódi 100 wattos lámpa teljesítményének felel meg, vagy egy elektromos vízforraló meghajtásához szükséges teljesítmény körülbelül 15 százalékának. összehasonlításképpen, egy kézi tekerésű áramfejlesztővel körülbelül 10 wattot lehet előállítani, bár egy ilyet nem lehet sokáig használni anélkül, hogy elfáradnánk. Mit mond ez nekünk? Sokkal könnyebb nagy mennyiségű energiát termelni hosszú időn keresztül a nagy lábizmok használatával, mint a kezek és karok használatával. Ezért olyan okosak a kerékpárok: jól kihasználják testünk legerősebb izmait.
Hogyan működik a kerékpár váza
Tegyük fel, hogy egy felnőtt 60-80 kg súlyú, a kerékpár vázának meglehetősen erősnek kell lennie, ha nem akar elpattanni vagy elhajolni abban a pillanatban, amikor a kerékpáros felkapaszkodik rá. A közönséges kerékpárok váza erős, olcsó acélcsőből (szó szerint üreges acélcsövek, amelyekben csak levegő van) vagy könnyebb acél- vagy alumíniumalapú ötvözetekből készül.A versenybiciklik inkább szénszálas kompozitokból készülnek, amelyek drágábbak, de erősebbek, könnyebbek és rozsdamentesek.
Fotó: A kerékpár fordított A-váza egy hihetetlenül erős szerkezet, amely segít elosztani a súlyt az első és a hátsó kerekek között.Segít előre dőlni vagy akár felállni, amikor felfelé megyünk, így maximális erőt tudunk kifejteni a pedálokra és megtartani az egyensúlyt.
Azt gondolhatnánk, hogy egy alumíniumcsőből készült kerékpárváz sokkal gyengébb, mint egy acélból készült – de csak akkor, ha a csövek hasonló méretűek.A gyakorlatban minden kerékpárnak elég erősnek kell lennie ahhoz, hogy elbírja a kerékpáros súlyát és a különböző kezelési módok során várhatóan fellépő terhelést.Így egy alumínium kerékpárhoz nagyobb átmérőjű és/vagy vastagabb falú csöveket használnak, mint egy acélcsőből készült kerékpárhoz.
A váz nem egyszerűen alátámasztja Önt: háromszög alakját (gyakran két háromszöget kötnek össze rombusszá) gondosan úgy tervezték, hogy elossza a súlyát. Bár a nyereg sokkal közelebb helyezkedik el a hátsó kerékhez, Ön előre hajol, hogy megfogja a kormányt. A vázban lévő ferde kormányokat úgy tervezték, hogy a súlyt többé-kevésbé egyenlően osszák el az első és a hátsó kerekek között. Ha belegondolsz,ez nagyon fontos. Ha minden súlyod a hátsó kerékre nehezedne, és megpróbálnál felfelé pedálozni, akkor hátrafelé billennél; hasonlóképpen, ha túl sok súlyod lenne az első keréken, akkor minden alkalommal, amikor lefelé mész, fejjel lefelé mennél!
A vázakat nem úgy tervezték, hogy 100 százalékban merevek legyenek: az sokkal kevésbé kényelmes utazást eredményezne.Gyakorlatilag minden kerékpárváz hajlítható és hajlítható egy kicsit, így elnyeli a lovaglás ütéseinek egy részét, bár más tényezők (mint a nyereg és a gumik) sokkal nagyobb hatással vannak az utazási kényelemre. Érdemes azt is észben tartani, hogy az emberi test maga is figyelemre méltóan hatékony rugózási rendszer; ha hegyi kerékpárral tekersz egy durva ösvényen, nagyon gyorsan rá fogsz jönni, hogy a karjaid mennyire lengéscsillapítóként tudnak működni! Valójában igen tanulságos lehet a testet a kerékpár alapvázának meghosszabbításaként (vagy kiegészítéseként) tekinteni, amely a váz tetején egyensúlyoz.
How bicycle wheels work
Photo: Az autókerékhez hasonlóan a kerékpárkerék is sebességszaporító. Apedálok és fogaskerekek a középen lévő tengelyt forgatják. A tengely csak egy rövid utat tesz meg, de a kerék tőkeáttételének köszönhetően a külső felni ugyanabban az időben sokkal messzebbre fordul. Így segít a kerék gyorsabban haladni.
Ha olvastad a kerekek működéséről szóló cikkünket, akkor tudod, hogy a kerék és a tengely, amely körül forog, példa arra, amit a tudósok egyszerű gépnek neveznek: attól függően, hogy hogyan forgatod, megsokszorozza az erőt vagy a sebességet. A kerékpárkerekek jellemzően több mint 50 cm (20 hüvelyk) átmérőjűek, ami kisebb, mint a legtöbb autó kereke. Minél magasabbak a kerekek, annál jobban megsokszorozzák a sebességet, amikor a tengelynél elforgatjuk őket. Ezért vannak a versenybicikliknél a legmagasabb kerekek (általában 70 cm vagy 27,5 hüvelyk átmérőjűek).
A kerekek végső soron a teljes súlyodat megtartják, de nagyon érdekes módon: Ha a kerekek tömörek lennének, akkor az ülésen ülve összenyomódnának (összenyomódnának), és visszatolódnának, hogy megtartsanak téged. A legtöbb kerékpár kereke azonban valójában egy erős kerékagyból, egy vékony felniből és körülbelül 24 erősen megfeszített küllőről áll. A kerékpárok a tömör fémkerekek helyett küllős kerekeket használnak, hogy egyszerre legyenek erősek és könnyűek, és hogy csökkentsék a légellenállást (egyes kerékpárosok a hagyományos lekerekített küllők helyett lapos vagy ovális alakú küllőket használnak, hogy még jobban csökkentsék a légellenállást).
Nem csak a küllők száma a fontos, hanem az is, hogy hogyan kapcsolódnak a felni és a kerékagy között. Mint a pókháló szálai, vagy a függőhíd lógó kötelei, a kerékpárkerék is feszített állapotban van – a küllők feszesen vannak meghúzva. Mivel a küllők a felnitől a keréktárcsa ellentétes oldalára nyílnak, a kerék nem olyan lapos és gyenge, mint amilyennek látszik, hanem valójában egy elképesztően erős, háromdimenziós szerkezet. Amikor a kerékpárra ülsz, a súlyod nyomja lefelé a kerékagyakat, amelyek egyes küllőket kicsit jobban, másokat kicsit kevésbé feszítenek. Ha 60 kg-ot (130 fontot) nyom minden kerékre körülbelül 30 kg (130 font) (a kerékpár saját súlyát nem számítva), és a küllők azok, amelyek megakadályozzák, hogy a kerekek elhajoljanak.
Fotó: A látszat ellenére a kerékpárkerék nem lapos és nem gyenge. A kerékagy sokkal szélesebb, mint a gumiabroncs, a küllők feszülnek, és keresztbe-kasul, érintőlegesen csatlakoznak a kerékagyhoz. Mindez egy merev háromdimenziós szerkezetet alkot, amely ellenáll a csavarodásnak, csavarodásnak és hajlításnak. David Danals fotója az amerikai haditengerészet jóvoltából.
Mivel minden kerék néhány tucat küllőt tartalmaz, azt gondolhatnánk, hogy az egyes küllőknek csak a teljes súly töredékét kell elbírniuk – talán csak 1-2 kg-ot (2,2-4,4 fontot), ha 30 küllőt tartalmaznak, ami könnyen teljesíthető. A valóságban a küllők egyenlőtlenül viselik a súlyt: a függőlegeshez közeli néhány küllőt sokkal nagyobb terhelés éri, mint a többit. (A kerékpárral foglalkozó tudósok között még mindig elég sok vita folyik arról, hogy a terhelés valójában hogyan terhelődik, és hogy jobb-e úgy gondolni, hogy a kerékpár a felül lévő küllőkön lóg, vagy az alul lévőket nyomja lefelé.) Ahogy a kerék forog, a többi küllők egyre közelebb kerülnek a függőlegeshez, és egyre nagyobb részt vesznek ki a terhelésből. Az egyes küllőkre ható terhelés a kerék minden egyes forgása során drasztikusan emelkedik és csökken, így végül, sok ezer ismétlődő feszültség és igénybevétel után, amelyek során az egyes küllők gyors váltakozással nyúlnak és lazulnak, az egyik küllőt (vagy annak a kerékhez vagy a kerékagyhoz való kapcsolódását) valószínűleg meghibásodik a fém fáradása miatt. Ez azonnal és drámaian megnöveli a többi küllőt terhelő terhelést, így azok is nagyobb valószínűséggel meghibásodnak, és egyfajta “dominóhatást” okoz, ami a kerék elgörbülését eredményezi.
Hogyan működnek a kerékpár fogaskerekei
Fotó: A fogaskerék egy fogaskerékpár, amelynek fogai egymásba kapcsolódnak, hogy növeljék a teljesítményt vagy a sebességet.A kerékpárban a fogaskerékpárt nem közvetlenül hajtják, hanem egy lánc köti össze. Az egyik végén a lánc állandóan a fő fogaskerékkerék (a pedálok között) köré van hurkolva. A másik végén egy sor nagyobb vagy kisebb fogazott kerék között változik, amikor sebességet váltunk.
Egy tipikus kerékpár háromtól harminc különböző fogaskerékkel rendelkezik, amelyeket a lánc köt össze, és amelyek gyorsabbá teszik a gépet (egyenes úton haladva) vagy könnyebbé teszik a pedálozást (emelkedőn haladva). A nagyobb kerekek szintén segítenek gyorsabban haladni az egyenesben, de nagy hátrányt jelentenek, ha emelkedőkre kerül sor.Ez az egyik oka annak, hogy a mountain bike-ok és a BMX kerékpárok kisebb kerekekkel rendelkeznek, mint a verseny kerékpárok. Nem csak a kerékpár fogaskerekei segítenek megnövelni a pedálerődet, amikor emelkedőn haladsz: a pedálokat egy pár fogaskerék rögzíti a fő fogaskerékhez: két rövid kar, amelyek szintén megnövelik a lábaiddal kifejthető erőt.
A fogaskerekek hihetetlenül nagy különbséget tudnak tenni a sebességedben. Egy tipikus versenybiciklin például a sebességfokozat (a pedálkerék fogainak száma osztva a hátsó kerék fogainak számával) akár 5:1 is lehet, így a pedálok egyetlen tekerése körülbelül 10 métert tesz meg az utcán. Feltételezve, hogy csak ilyen gyorsan tudod mozgatni a lábadat, láthatod, hogy a sebességváltók hatékonyan gyorsabbá teszik a haladást, mivel minden egyes pedálfordulatnál tovább jutsz.
Bővebben a sebességváltókról szóló fő cikkünkben olvashatsz.
Artwork: Kerékpárok a sebességváltók előtt: Az ilyen korai kerékpároknak (amelyeket “Penny Farthings”-ként vagy “High Wheels”-ként ismertek)egy hatalmas első kereke volt, amely hatékonyan megsokszorozta a sebességedet, és lehetővé tette, hogy nagyon gyorsan menj az egyenesben.Nem volt sebességváltó: az első kerék minden alkalommal, amikor a lábad fel- és lenyomta a hajtókarokat (pedálokat), egyszer megfordult.Lefelé menni elég trükkös volt (kivéve, ha levetted a lábad a hajtókarokról), felfelé pedig szinte lehetetlen volt!Részlet egy eredeti festményről, 1887 körül, Henry “Hy” Sandham, az amerikai Kongresszusi Könyvtár jóvoltából.
How bicycle brakes work
Photo: Keréktárcsafékek: Ennek a kerékpárféknek a gumipapucsai (blokkjai) a kerék fémfelnijébe szorulnak, hogy lelassítsanak. Ahogy veszítesz a sebességből, energiát veszítesz. Hová vándorol az energia? Hővé alakul: a féktuskók hihetetlenül felforrósodhatnak!
Nem számít, milyen gyorsan mész, eljön az idő, amikor meg kell állnod. A kerékpár fékjei a súrlódás (két dolog közötti súrlódási erő, amelyek egymáshoz érve csúsznak el egymás mellett) segítségével működnek. Bár néhány kerékpár már rendelkezik tárcsafékkel (hasonlóan az autókhoz), a kerekekhez rögzített különálló féktárcsákkal, sokan még mindig hagyományos, féknyereggel működtetett felnifékeket használnak.
A fékkarok megnyomásakor egy pár gumipapucs (néha blokkoknak nevezik) szorul az első és a hátsó kerék belső fémfelnijére. Ahogy a fékpofák szorosan a kerekekhez dörzsölődnek, a mozgási energiát (az energiát, ami azért van, mert haladsz) hővé alakítják át, ami lassító hatású.Erről bővebben a fékekről szóló fő cikkünkben olvashatsz.
Féktárcsafék kontra tárcsafék
A féktárcsafékek a kerék külső szélét nyomják, ahol a kerék a leggyorsabban, de a legkisebb erővel forog. Ez azt jelenti, hogy viszonylag kis fékerőre van szükségük a kerekek lassításához (ezért lehetnek kicsik és könnyűek), bár még mindig erősen kell nyomni, és ezt az erőt hosszabb ideig kell kifejteni, hogy megállítsuk magunkat és a kerékpárt. A felnifékek egyik nagy hátránya, hogy teljesen ki vannak téve a felülről és oldalról érkező esőnek és a kerekekről lepergő vízpermetnek; ha a fékpofák és a kerekek nedvesek és sárosak, jelentős a kenés, a fékek és a kerekek közötti súrlódás akár tízszer kisebb lehet, mint száraz körülmények között (David Gordon Wilson Bicycling Science című könyve szerint), és a féktávolságod sokkal nagyobb lesz.
A tárcsafékek közelebb dolgoznak a kerékagyhoz, ezért nagyobb fékerőt kell kifejteniük, ami megterhelheti a villát és a küllőket, továbbá nehezebbek (ami befolyásolhatja a kerékpár kezelhetőségét) és mechanikailag bonyolultabbak, de nedves időben és sáros körülmények között általában hatékonyabbak.
Az online kerékpáros fórumokat böngészve nagyon eltérő véleményeket találhat arról, hogy a különböző kerékpártípusokhoz, terepviszonyokhoz és időjárási körülményekhez melyik féktípus a legjobb. Egyesek azért szeretik a tárcsafékeket, mert jobban néz ki tőlük a kerékpár; mások azért szeretik a felnifékeket, mert olyan egyszerűek és egyszerűek.
Az alkotás: Tárcsafékek (egyszerűsítve). Amikor meghúzod a fékkart, egy drótkötél vagy hidraulikavezeték (sárga) működteti a féknyergeket (kék), amelyek a fékbetéteket a kerékhez rögzített, rotornak nevezett tárcsához (piros) nyomják. Mivel a féknyergek az egyik villához (szürke) vannak rögzítve, és a fékerőnek a küllőkön (fekete) kell áthaladnia a kerék megállításához, a tárcsafékek sokkal nagyobb terhelést jelentenek a villákra és a küllőkre, mint a felnifékek.
Hogyan működnek a kerékpárgumik
A gumiabroncsok és az út között a súrlódás is az Ön javára dolgozik: tapadást biztosít, ami megkönnyíti a kerékpár irányítását, különösen nedves napokon.
Az autógumikhoz hasonlóan a kerékpárgumik sem tömör gumiból készülnek: van egy belső csőjük, amely sűrített (összepréselt) levegővel van töltve. Ez azt jelenti, hogy könnyebbek és ruganyosabbak, ami sokkal kényelmesebb utazást biztosít. A pneumatikus gumiabroncsokat, ahogyan ismeretesek, 1888-ban szabadalmaztatta a skót John Boyd Dunlop feltaláló.
A különböző típusú kerékpárokhoz különböző típusú gumiabroncsok tartoznak: a verseny kerékpárok keskeny, sima gumiabroncsok, amelyeket a maximális sebességre terveztek (bár “vékony” profiljuk nagyobb gördülési ellenállást biztosít), míg a hegyi kerékpárok vastagabb, robusztusabb gumiabroncsok, mélyebb futófelülettel, az úttal érintkező több gumival és jobb tapadással (bár mivel szélesebbek, nagyobb légellenállást okoznak).
Miért számít a ruházat
A súrlódás nagyszerű dolog a fékekben és a gumikban, de kevésbé üdvözlendő egy másik formában: légellenállásként, ami lelassít. Minél gyorsabban haladsz, annál nagyobb problémát jelent a légellenállás. Nagy sebességnél a kerékpárral való versenyzés olyan érzés lehet, mintha a vízben úsznál: tényleg érzed, ahogy a levegő ellened nyomódik, és (ahogy már láttuk) az energiád 80 százalékát a légellenállás leküzdésére fordítod. A kerékpár elég vékony és áramvonalas, de a kerékpárosok teste sokkal kövérebb és szélesebb.A gyakorlatban a kerékpárosok teste kétszer akkora légellenállást okoz, mint a kerékpárjuk. Ezért viselnek a kerékpárosok szűk neoprén ruházatot és hegyes sisakot, hogy áramvonalasítsák magukat és minimalizálják az energiaveszteséget.
Fotó: A versenykerékpároknak kétféle kormánya van. A belső kormány segítségével a kerékpárosok csökkenthetik a légellenállást azáltal, hogy könyökeiket közelebb tartják egymáshoz.
Fotó: Ben A. Gonzales az amerikai haditengerészet jóvoltából.
Még észre sem vette, de a kerékpár kormánya is egyfajta kar: a hosszabb kormánykarok lendületet adnak, ami megkönnyíti az első kerék elfordulását.De minél szélesebbre tesszük a karokat, annál nagyobb légellenállást okozunk.Ezért van a versenybiciklin kétféle kormány, hogy a kerékpáros a legjobb, legáramvonalasabb pozíciót tudja felvenni. Vannak hagyományos, külső kormányok a kormányzáshoz és belső kormányok az egyenesben való kapaszkodáshoz. A belső kormány használata a kerékpáros karjait sokkal szorosabb, áramvonalasabb pozícióba kényszeríti.A legtöbb kerékpáros ma már sisakot visel, mind biztonsági okokból, mind a jobb aerodinamika miatt.
A kerékpár a fizika működés közben
Foglaljuk össze röviden egy egyszerű ábrával, amely a kerékpáros tudomány ezen különböző részeit mutatja be működés közben:
.