Waar gaat je energie heen?
We hebben een fiets beschreven als een machine en, in wetenschappelijke termen, is dat precies wat het is: een apparaat dat kracht kan vergroten (waardoor het makkelijker is om bergop te gaan) of snelheid kan maken. Het is ook een machine in de zin dat het energie omzet van de ene vorm (wat je gegeten hebt) in een andere (de kinetische energie die je lichaam en je fiets hebben als ze voortbewegen). Nu heb je waarschijnlijk wel eens gehoord van een natuurkundige wet die het behoud van energie heet, die zegt dat je energie niet uit het niets kunt scheppen of spoorloos kunt laten verdwijnen: het enige wat je kunt doen is het omzetten van de ene in de andere vorm. Dus waar gaat de energie die je gebruikt bij het fietsen eigenlijk heen? In wetenschappelijke termen zeggen we dat het naar “arbeid” gaat – maar wat betekent dat in de praktijk?
Fietsen kan soms aanvoelen als hard werken, vooral als je bergop gaat. In de wetenschap van het fietsen betekent “hard werken” dat je soms behoorlijk wat kracht moet gebruiken om een afstand te trappen. Als je bergopwaarts gaat, moet je tegen de zwaartekracht in werken. Als je snel gaat, moet je opboksen tegen de luchtweerstand (luchtweerstand) die tegen je lichaam drukt. Soms zijn er hobbels in de weg waar je overheen moet rijden; dat kost meer kracht en kost ook energie (hobbels verminderen je kinetische energie doordat ze je snelheid verminderen).
Photo: Fietsen werken zo goed met het menselijk lichaam omdat ze kracht halen uit onze grote en zeer krachtige beenspieren. Ligfietsen (fietsen waarop je liggend rijdt) zien er misschien ultramodern en een beetje vreemd uit, maar ze dateren al van minstens 100 jaar geleden. Ze zijn sneller dan conventionele fietsen omdat de berijder een veel aerodynamischer, buisvormige houding aanneemt die de luchtweerstand minimaliseert. Omdat de pedalen hoger van de grond staan, kunnen de cranks langer zijn, zodat je meer hefboomwerking hebt en je spieren langer en efficiënter kracht kunnen zetten. Foto door Robin Hillyer-Miles met dank aan US Navy.
Maar of je nu bergop of bergaf gaat, snel of langzaam, op een gladde weg of een hobbelige, er is nog een ander soort werk dat je altijd moet doen om je wielen rond te laten gaan. Wanneer een wiel op de grond rust en een last draagt, zoals een fietser, wordt de band die eromheen zit op sommige plaatsen samengedrukt en op andere plaatsen bolgetrokken. Terwijl u fietst, worden verschillende delen van de band beurtelings samengedrukt en opgebold en wordt het rubber waarvan de band is gemaakt in alle richtingen getrokken en geduwd. Het herhaaldelijk samenpersen van een band op deze manier is een beetje zoals het kneden van brood: het kost energie en die energie kennen we als rolweerstand. Hoe zwaarder de band wordt belast (hoe zwaarder u bent of hoe meer u vervoert), hoe hoger de rolweerstand. Ongeveer 80-90% van de rolweerstand wordt veroorzaakt door de vervorming van de band zelf, de rest komt van de luchtweerstand van de band en de manier waarop hij over de grond glijdt.
Voor een racefiets die snel rijdt, gaat ongeveer 80% van het werk van de fietser op aan het overwinnen van de luchtweerstand, terwijl de rest wordt gebruikt om de rolweerstand te bestrijden; voor een mountainbiker die veel langzamer over ruw terrein rijdt, gaat 80% van zijn energie op aan rolweerstand en slechts 20% gaat verloren aan luchtweerstand. Er zijn ook kleine wrijvingsverliezen in zaken als de ketting en de versnellingen, maar, hoe en wat je ook rijdt, zolang het redelijk goed onderhouden is, is de energie die op deze manier verloren gaat meestal niet de moeite waard om je zorgen over te maken.
Chart: Langzame mountainbikes verspillen de meeste energie door rolweerstand; snellere racefietsen meer door luchtweerstand.
Over hoeveel energie hebben we het hier eigenlijk? In de Tour de France, volgens een fascinerende analyse van Training Peaks, top renners gemiddeld ongeveer 300-400 watt van het vermogen, dat is net zo veel als 3-4 ouderwetse 100 watt lampen of ongeveer 15% van het vermogen dat je nodig zou hebben om een waterkoker te rijden.Ter vergelijking, kunt u ongeveer 10 watt genereren met een hand-cranked elektriciteitsopwekker, hoewel je niet kunt gebruiken een van die voor zeer lang zonder moe te worden. Wat zegt ons dit? Het is veel gemakkelijker om grote hoeveelheden energie op te wekken voor langere perioden door je grote beenspieren te gebruiken dan door je handen en armen te gebruiken. Daarom zijn fietsen zo slim: ze maken goed gebruik van de krachtigste spieren in ons lichaam.
Hoe een fietsframe werkt
Aannemende dat een volwassene 60-80kg weegt, moet het frame van een fiets behoorlijk stevig zijn, wil het niet breken of knikken op het moment dat de berijder erop klimt. Gewone fietsen hebben frames van sterke, goedkope stalen buizen (letterlijk, holle stalen buizen die alleen maar lucht bevatten) of lichtere legeringen op basis van staal of aluminium.Racefietsen zijn vaker gemaakt van koolstofvezelcomposieten, die duurder zijn, maar sterker, lichter en roestvrij.
Photo: Het omgekeerde A-frame van de fiets is een ongelooflijk sterke structuur die helpt om je gewicht te verdelen tussen de voor- en achterwielen. Het helpt om naar voren te leunen of zelfs rechtop te staan als je bergop gaat, zodat je maximale kracht op de pedalen kunt uitoefenen en je evenwicht kunt bewaren.
Je zou denken dat een fietsframe van aluminium buizen veel zwakker zou zijn dan een frame van staal, maar alleen als de buizen dezelfde afmetingen hebben.In de praktijk moet elke fiets sterk genoeg zijn om het gewicht van de berijder te dragen en de belastingen die hij tijdens het rijden te verduren krijgt. Voor een aluminium fiets worden dus buizen met een grotere diameter en/of dikkere wand gebruikt dan voor een fiets van stalen buizen.
Het frame ondersteunt u niet alleen: zijn driehoekige vorm (vaak twee driehoeken die samen een ruit vormen) is zorgvuldig ontworpen om uw gewicht te verdelen. Hoewel het zadel veel dichter bij het achterwiel is geplaatst, leunt u voorover om het stuur vast te houden. Het gebogen stuur in het frame is ontworpen om uw gewicht min of meer gelijk te verdelen tussen het voorwiel en het achterwiel. Als je erover nadenkt, is dat heel belangrijk. Als al je gewicht op het achterwiel rust, en je probeert bergop te trappen, zou je achterover kantelen; evenzo, als er teveel gewicht op het voorwiel rust, zou je over de kop gaan elke keer als je bergaf gaat!
Frames zijn niet ontworpen om 100 procent stijf te zijn: dat zou voor een veel minder comfortabele rit zorgen. Vrijwel alle fietsframes buigen en buigen een beetje zodat ze een deel van de schokken van het rijden absorberen, hoewel andere factoren (zoals het zadel en de banden) veel meer invloed hebben op het rijcomfort. Het is ook goed om te onthouden dat het menselijk lichaam zelf een opmerkelijk efficiënt veersysteem is; als je met een mountainbike over een ruig pad rijdt, merk je al snel hoe je armen als schokdempers kunnen werken! Het kan inderdaad heel leerzaam zijn om het lichaam te zien als een verlengstuk (of aanvulling) van het basisframe van de fiets, dat er bovenop balanceert.
Hoe fietswielen werken
Photo: Net als een autowiel, is een fietswiel een snelheidsvermeerderaar. De pedalen en tandwielen laten de as in het midden draaien. De as draait maar een klein stukje, maar door de hefboomwerking van het wiel draait de buitenste velg in dezelfde tijd veel verder. Zo helpt een wiel je sneller te gaan.
Als je ons artikel over de werking van wielen hebt gelezen, weet je dat een wiel en de as waar het omheen draait een voorbeeld is van wat wetenschappers een eenvoudige machine noemen: het vermenigvuldigt kracht of snelheid, afhankelijk van hoe je het draait. Fietswielen hebben meestal een diameter van meer dan 50 cm (20 inch), wat kleiner is dan de meeste autowielen. Hoe groter de wielen, hoe meer ze de snelheid vermenigvuldigen als je ze aan de as draait. Dat is de reden waarom racefietsen de hoogste wielen hebben (meestal ongeveer 70cm of 27,5 inches in diameter).
De wielen ondersteunen uiteindelijk je hele gewicht, maar op een heel interessante manier. Als de wielen massief waren, zouden ze naar beneden worden gedrukt (samengedrukt) als je op het zadel zat, en weer omhoog duwen om je te ondersteunen. De wielen van de meeste fietsen bestaan echter uit een sterke naaf, een dunne velg, en ongeveer 24 hooggespannen spaken. Fietsen hebben spaakwielen, in plaats van massieve metalen wielen, om ze zowel sterk en licht te maken, en om de luchtweerstand te verminderen (sommige rijders gebruiken platte “bladed” spaken of spaken met een ovale vorm, in plaats van de traditionele ronde spaken, in een poging om de luchtweerstand nog meer te verminderen).
Het is niet alleen het aantal spaken dat belangrijk is, maar de manier waarop ze zijn verbonden tussen de velg en de naaf. Net als de draden van een spinnenweb, of de bungelende touwen van een hangbrug, staat een fietswiel onder spanning – de spaken zijn strak getrokken. Omdat de spaken kriskras van de velg naar de andere kant van de naaf lopen, is het wiel niet zo plat en dun als het lijkt, maar in feite een verbazingwekkend sterke, driedimensionale structuur. Als je op een fiets zit, drukt je gewicht op de naven, waardoor sommige spaken wat meer en andere wat minder uitrekken. Als je 60 kg weegt, drukt er ongeveer 30 kg op elk wiel (het eigen gewicht van de fiets niet meegerekend), en de spaken zorgen ervoor dat de wielen niet knikken.
Foto: Ondanks de schijn is een fietswiel niet vlak en niet zwak. De naaf is veel breder dan de band, de spaken staan onder spanning en lopen kriskras door elkaar, waarbij ze de naaf raken. Dit alles maakt een stijve driedimensionale structuur die bestand is tegen verdraaien, knikken en buigen. Foto door David Danals met dank aan US Navy.
Omdat elk wiel een paar dozijn spaken heeft, zou je kunnen denken dat elke spaak slechts een fractie van het totale gewicht hoeft te dragen – misschien zo weinig als 1-2 kg (2,2-4,4lb), als er 30 spaken zijn, wat gemakkelijk kan. In werkelijkheid dragen de spaken het gewicht ongelijk: de paar spaken die dicht bij de verticaal staan dragen veel meer gewicht dan de andere. (Er is nog heel wat discussie onder fietswetenschappers over hoe de belasting eigenlijk wordt gedragen, en of het beter is te denken aan een fiets die aan de spaken aan de bovenkant hangt of aan de spaken aan de onderkant). Naarmate het wiel draait, komen andere spaken dichter bij de verticaal te staan en beginnen ze een groter deel van de belasting op zich te nemen. De belasting op elke spaak stijgt en daalt dramatisch tijdens elke omwenteling van het wiel, zodat uiteindelijk, na vele duizenden cycli van herhaalde spanning en rek, waarbij elke spaak snel afwisselend spant en ontspant, een van de spaken (of de verbinding met het wiel of de naaf) het waarschijnlijk zal begeven door metaalmoeheid. Dat verhoogt onmiddellijk en dramatisch de belasting op de resterende spaken, waardoor ook die het waarschijnlijker zullen begeven, en een soort “domino”-effect veroorzaakt dat het wiel doet knikken.
Hoe fietsversnellingen werken
Photo: Een versnelling is een paar wielen met tanden die in elkaar grijpen om het vermogen of de snelheid te verhogen.In een fiets wordt het paar versnellingen niet rechtstreeks aangedreven, maar verbonden door een ketting. Aan het ene uiteinde is de ketting permanent in een lus rond het hoofdversnellingswiel (tussen de pedalen) gewikkeld. Aan het andere uiteinde schakelt hij tussen een reeks grotere of kleinere tandwielen wanneer u van versnelling verandert.
Een typische fiets heeft drie tot dertig verschillende versnellingen-wielen met tanden, verbonden door de ketting, die de machine sneller maken (over het rechte stuk) of gemakkelijker te trappen (bergopwaarts). Grotere wielen helpen ook om sneller te gaan op het rechte stuk, maar ze zijn een groot nadeel als het gaat om heuvels. Dat is een van de redenen waarom mountainbikes en BMX-fietsen kleinere wielen hebben dan racefietsen. Het zijn niet alleen de versnellingen op een fiets die je helpen om je trapkracht te vergroten als je bergop gaat: de pedalen zijn aan het hoofdversnellingswiel bevestigd door een paar cranks: twee korte hefbomen die ook de kracht vergroten die je met je benen kunt uitoefenen.
Versnellingen kunnen een ongelooflijk verschil maken voor je snelheid. Op een typische racefiets, bijvoorbeeld, kan de overbrengingsverhouding (het aantal tanden op het pedaal gedeeld door het aantal tanden op het achterwiel) oplopen tot 5:1, zodat een enkele draai van de pedalen je ongeveer 10m (35ft) door de straat zal stuwen. Ervan uitgaande dat je je benen maar zo snel kunt bewegen, kun je zien dat versnellingen je effectief sneller laten gaan door je verder te helpen bij elke draai van de pedalen.
Lees meer in ons hoofdartikel over versnellingen.
Artwork: Fietsen vóór de versnellingen: Vroege fietsen zoals deze (bekend als “Penny Farthings” of “High Wheels”) hadden een enorm voorwiel, waardoor je snelheid effectief werd vermenigvuldigd en het mogelijk werd om zeer snel op het rechte stuk te gaan.Er waren geen versnellingen: het voorwiel draaide eenmaal rond elke keer dat je benen op en neer op de cranks (pedalen) duwden.Bergafwaarts gaan was vrij lastig (tenzij je je voeten van de cranks haalde) en bergopwaarts gaan was zo goed als onmogelijk! Detail van een origineel schilderij, ca.1887, door Henry “Hy” Sandham, met dank aan de US Library of Congress.
Hoe fietsremmen werken
Photo: Velgremmen: De rubberen schoenen (blokken) van de remmen van deze fiets klemmen de metalen velg van het wiel vast om je af te remmen. Als je snelheid verliest, verlies je energie. Waar gaat die energie naartoe? Die wordt warmte: de remblokken kunnen ongelooflijk heet worden!
Hoe hard je ook gaat, er komt een moment dat je moet stoppen. Remmen op een fiets werken op basis van wrijving (de wrijvende kracht tussen twee dingen die langs elkaar schuiven terwijl ze elkaar raken). Hoewel sommige fietsen nu schijfremmen hebben (vergelijkbaar met die in auto’s), met aparte remschijven die aan de wielen zijn bevestigd, gebruiken veel fietsen nog steeds traditionele remklauw-bediende velgremmen met schoenen.
Wanneer je de remhendels indrukt, klemt een paar rubberen remschoenen (soms blokken genoemd) zich vast aan de metalen binnenrand van het voor- en achterwiel. Als de remschoenen strak tegen de wielen wrijven, zetten ze uw kinetische energie (de energie die u hebt omdat u doorrijdt) om in warmte, waardoor u wordt afgeremd. Hierover vindt u meer in ons hoofdartikel over remmen.
Velgremmen versus schijfremmen
Velgremmen met remklauwbediening drukken op de buitenrand van het wiel waar het het snelst draait, maar met de minste kracht. Dat betekent dat ze relatief weinig remkracht nodig hebben om de wielen af te remmen (zodat ze klein en licht kunnen zijn), hoewel je nog steeds hard moet drukken, en je moet die kracht langer uitoefenen om jezelf en je fiets tot stilstand te brengen. Een groot nadeel van velgremmen is dat ze volledig blootgesteld zijn aan regen van bovenaf en aan spatwater van de wielen; als de remschoenen en wielen nat en modderig zijn, is er veel smering, de wrijving tussen de remmen en de wielen kan tot tien keer minder zijn dan in droge omstandigheden (volgens David Gordon Wilson’s Bicycling Science), en je remafstand zal veel groter zijn.
Schijfremmen werken dichter bij de naaf, waardoor ze meer remkracht moeten uitoefenen, wat de vorken en spaken kan belasten, en ze zijn zwaarder (wat het rijgedrag van de fiets kan beïnvloeden) en mechanisch complexer, maar ze zijn vaak effectiever bij nat weer en modderige omstandigheden.
Wees door de online fietsforums en je zult zeer uiteenlopende meningen vinden over welk type rem het beste is voor verschillende soorten fietsen, terreinen en weersomstandigheden. Sommige mensen houden van schijfremmen omdat ze een fiets er mooier uit laten zien; anderen houden van velgremmen omdat ze zo eenvoudig en ongecompliceerd zijn.
Artwork: Schijfremmen (vereenvoudigd). Wanneer u aan de remhendel trekt, bedient een draadkabel of hydraulische leiding (geel) de remklauwen (blauw) die de remblokken tegen een aan het wiel bevestigde schijf, de rotor (rood), duwen. Omdat de remklauwen zijn bevestigd aan een van de vorken (grijs), en de remkracht door de spaken (zwart) moet om het wiel tot stilstand te brengen, belasten schijfremmen de vorken en spaken veel zwaarder dan velgremmen.
Hoe fietsbanden werken
Wrijving werkt ook in uw voordeel tussen de rubberen banden en de weg waarop u rijdt: het geeft u grip waardoor uw fiets gemakkelijker onder controle te houden is, vooral op natte dagen.
Fietsbanden zijn, net als autobanden, niet gemaakt van massief rubber: ze hebben een binnenband die gevuld is met samengeperste (geperste) lucht. Dat betekent dat ze lichter en veerkrachtiger zijn, wat een veel comfortabeler rit oplevert. Pneumatische banden, zoals ze bekend zijn, werden gepatenteerd in 1888 door de Schotse uitvinder John Boyd Dunlop.
Verschillende soorten fietsen hebben verschillende soorten banden.Racefietsen hebben smalle, gladde banden ontworpen voor maximale snelheid (hoewel hun “dun” profiel geeft hen een hogere rolweerstand), terwijl mountainbikes hebben dikkere, meer robuuste banden met diepere loopvlakken, meer rubber in contact met de weg, en een betere grip (hoewel breder ze creëren meer luchtweerstand).
Waarom kleding belangrijk is
Wrijving is een groot goed in remmen en banden, maar het is minder welkom in een andere vorm: als luchtweerstand die je vertraagt. Hoe sneller je gaat, hoe meer luchtweerstand een probleem wordt. Bij hoge snelheden kan het racen met een fiets aanvoelen als zwemmen door water: je voelt de lucht echt tegen je aanduwen en (zoals we al hebben gezien) je gebruikt ongeveer 80% van je energie om de luchtweerstand te overwinnen. Nu is een fiets vrij dun en gestroomlijnd, maar het lichaam van een fietser is veel dikker en breder. In de praktijk veroorzaakt het lichaam van een fietser twee keer zoveel luchtweerstand als de fiets. Daarom dragen wielrenners strakke neopreen kleding en punthelmen om zichzelf te stroomlijnen en energieverlies te minimaliseren.
Foto: Racefietsen hebben twee sturen. Een binnenstuur vermindert de luchtweerstand door de ellebogen dichter bij elkaar te houden. Foto door Ben A. Gonzales met dank aan de US Navy.
Het is je misschien niet opgevallen, maar het stuur van een fiets is ook een hefboom: een langer stuur geeft een hefboomwerking die het makkelijker maakt om het voorwiel te draaien.Maar hoe wijder je je armen spreidt, hoe meer luchtweerstand je creëert.Daarom hebben racefietsen twee sets sturen om de fietser te helpen de beste, meest gestroomlijnde houding aan te nemen. Er zijn conventionele, buitenste sturen om te sturen en binnenste sturen om op het rechte stuk vast te houden. De meeste fietsers dragen tegenwoordig een helm, zowel om veiligheidsredenen als voor een betere aërodynamica.
Fietsen is natuurkunde in actie
Laten we het kort samenvatten met een eenvoudig schema dat al deze verschillende onderdelen van de fietswetenschap in actie laat zien:
