Gdzie idzie twoja energia?
Opisaliśmy rower jako maszynę i, w kategoriach naukowych, dokładnie tym jest: urządzeniem, które może powiększyć siłę (ułatwiając jazdę pod górę) lub prędkość. Jest to również maszyna w tym sensie, że przekształca energię z jednej formy (to, co zjadłeś) w inną (energia kinetyczna, którą twoje ciało i rower posiadają podczas jazdy).Teraz prawdopodobnie słyszałeś o prawie fizyki zwanym zasadą zachowania energii, która mówi, że nie możesz wytworzyć energii z powietrza lub sprawić, że zniknie bez śladu: wszystko, co możesz zrobić, to przekształcić ją z jednej formy w inną. Gdzie więc tak naprawdę trafia energia, którą zużywasz podczas jazdy na rowerze? W terminologii naukowej mówimy, że idzie ona na „wykonanie pracy” – ale co to oznacza w praktyce?
Jazda na rowerze może czasami wydawać się ciężką pracą, szczególnie jeśli jedziesz pod górę.W nauce jazdy na rowerze „ciężka praca” oznacza, że czasami musisz użyć dość dużej siły, aby pedałować na jakąkolwiek odległość. Jeśli jedziesz pod górę, musisz pracować wbrew sile grawitacji. Jeśli jedziesz szybko, pracujesz przeciwko sile oporu powietrza (oporu powietrza) napierającej na twoje ciało. Czasami na drodze są wyboje, przez które musisz przejechać; to wymaga więcej siły i również zużywa energię (wyboje zmniejszają twoją energię kinetyczną poprzez zmniejszenie twojej prędkości).
Foto: Rowery tak dobrze współpracują z ludzkim ciałem, ponieważ wykorzystują moc naszych dużych i bardzo silnych mięśni nóg. Rowery leżące (takie, na których jeździ się w pozycji leżącej) mogą wyglądać ultranowocześnie i nieco dziwnie, ale ich historia sięga co najmniej 100 lat wstecz. Są szybsze niż tradycyjne rowery, ponieważ ich użytkownicy przyjmują znacznie bardziej aerodynamiczną, przypominającą rurkę postawę, która minimalizuje opór powietrza. Ponieważ pedały znajdują się wyżej od ziemi, korby mogą być dłuższe, dzięki czemu uzyskuje się większą dźwignię, a mięśnie mogą dłużej utrzymywać wysoką moc i robić to bardziej efektywnie. Photo by Robin Hillyer-Miles courtesy of US Navy.
Ale czy jedziesz pod górę czy w dół, szybko czy wolno, na gładkiej drodze czy wyboistej, jest jeszcze jeden rodzaj pracy, którą zawsze musisz wykonać po prostu, aby twoje koła się kręciły. Gdy koło spoczywa na ziemi, podtrzymując ładunek, taki jak rowerzysta, opona owinięta wokół niego jest w niektórych miejscach ściśnięta, a w innych wybrzuszona. Gdy jedziemy na rowerze, różne części opony kolejno zgniatają się i wybrzuszają, a guma, z której są wykonane, jest ciągnięta i popychana we wszystkich kierunkach. Wielokrotne zgniatanie opony w ten sposób przypomina trochę wyrabianie chleba: wymaga energii – a tę energię znamy jako opór toczenia. Im bardziej obciążamy oponę (im jesteśmy ciężsi lub im więcej przewozimy), tym większy jest opór toczenia. Około 80-90% oporu toczenia jest spowodowane odkształceniem samej opony, a pozostała część pochodzi z oporu powietrza i poślizgu opony na podłożu.
W przypadku szybko jadącego roweru wyścigowego około 80% pracy kolarza to pokonanie oporu powietrza, a pozostała część jest wykorzystywana do walki z oporem toczenia; w przypadku rowerzysty górskiego jadącego znacznie wolniej w trudnym terenie 80% energii idzie na opór toczenia, a tylko 20% jest tracone na opór powietrza. Istnieją również małe straty tarcia w takich rzeczach jak łańcuch i przekładnie, ale jakkolwiek i cokolwiek jeździsz, tak długo jak jest to rozsądnie dobrze utrzymane, energia tracona w ten sposób nie jest zazwyczaj warta martwienia się o.
Wykres: Wolne rowery górskie tracą najwięcej energii przez opór toczenia; szybsze rowery wyścigowe tracą więcej przez opór powietrza.
O jakiej ilości energii tak naprawdę tu mówimy? W Tour de France, zgodnie z fascynującą analizą Training Peaks, czołowi kolarze zużywają średnio około 300-400 watów mocy, czyli tyle, co 3-4 staromodne 100-watowe lampy lub około 15 procent mocy potrzebnej do napędzania czajnika elektrycznego. Dla porównania, można wygenerować około 10 watów za pomocą ręcznego generatora prądu, choć nie można używać jednego z nich przez bardzo długi czas bez zmęczenia. Co nam to mówi? O wiele łatwiej jest generować duże ilości energii przez długi czas używając dużych mięśni nóg niż rąk i ramion. Dlatego rowery są tak sprytne: dobrze wykorzystują najsilniejsze mięśnie w naszym ciele.
Jak działa rama roweru
Zakładając, że dorosły waży 60-80kg (130-180lb), rama roweru musi być dość twarda, jeśli nie ma się złamać lub zapiąć w momencie, gdy rowerzysta wsiądzie na rower. Zwykłe rowery mają ramy wykonane z mocnej, niedrogiej, rurowej stali (dosłownie, wydrążone stalowe rury zawierające tylko powietrze) lub lżejszych stopów na bazie stali lub aluminium.Rowery wyścigowe są bardziej prawdopodobne, aby być wykonane z kompozytów włókna węglowego, które są droższe, ale mocniejsze, lżejsze i odporne na rdzę.
Foto: Rama roweru w kształcie odwróconej litery A jest niewiarygodnie mocną konstrukcją, która pomaga rozłożyć ciężar ciała między przednie i tylne koła.Pomaga pochylić się do przodu lub nawet stanąć, gdy jedziesz pod górę, abyś mógł przyłożyć maksymalną siłę do pedałów i utrzymać równowagę.
Można by pomyśleć, że rama roweru wykonana z aluminiowych rurek będzie znacznie słabsza niż ta wykonana ze stali – ale tylko wtedy, gdy rurki mają podobne wymiary.W praktyce, każdy rower musi być wystarczająco mocny, aby utrzymać ciężar rowerzysty i obciążenia, których prawdopodobnie będzie doświadczał podczas różnych rodzajów jazdy.Tak więc w rowerze aluminiowym zastosowano rury o większej średnicy i/lub grubszych ścianach niż w rowerze wykonanym z rur stalowych.
Rama nie tylko podtrzymuje rowerzystę: jej trójkątny kształt (często dwa trójkąty połączone w romb) jest starannie zaprojektowany w celu rozłożenia ciężaru rowerzysty. Mimo że siodełko jest umieszczone znacznie bliżej tylnego koła, użytkownik pochyla się do przodu, aby chwycić kierownicę. Skośne pręty w ramie są zaprojektowane tak, aby rozłożyć ciężar ciała mniej więcej po równo na przednie i tylne koła. Jeśli się nad tym zastanowić, to jest to naprawdę ważne. Jeśli cały twój ciężar działałby na tylne koło, a ty próbowałbyś pedałować pod górę, przechyliłbyś się do tyłu; podobnie, jeśli byłoby za dużo ciężaru na przednim kole, przewróciłbyś się na głowę za każdym razem, gdy zjeżdżałbyś z góry!
Jak działają koła rowerowe
Foto: Podobnie jak koło samochodowe, koło rowerowe jest mnożnikiem prędkości. Pedały i przekładnie obracają oś w centrum. Oś obraca się tylko na krótką odległość, ale dzięki dźwigni koła zewnętrzna obręcz obraca się znacznie dalej w tym samym czasie. That’s how a wheelhelps you go faster.
If you’ve read our article on how wheels work,you’ll know that a wheel and the axle it turns around is an example of what scientists call a simplemachine: it will multiply force or speed depending on how you turn it. Koła rowerowe mają zazwyczaj ponad 50 cm (20 cali) średnicy, czyli są mniejsze niż większość kół samochodowych. Im wyższe koła, tym bardziej zwiększają prędkość, gdy obracasz je na osi. To dlatego rowery wyścigowe mają najwyższe koła (zazwyczaj około 70cm lub 27,5 cala średnicy).
Koła ostatecznie podtrzymują całą twoją wagę, ale w bardzo interesujący sposób.Gdyby koła były stałe, byłyby zgniecione (ściśnięte), kiedy siedziałbyś na siodełku, i wypchnięte z powrotem do góry, aby cię podtrzymać. Jednak koła większości rowerów składają się z mocnej piasty, cienkiej obręczy i około 24 mocno naprężonych szprych. Rowery mają koła szprychowe, a nie koła z litego metalu, aby uczynić je zarówno mocnymi i lekkimi, jak i aby zmniejszyć opór powietrza (niektórzy rowerzyści używają płaskich szprych z „ostrzami” lub szprych o owalnym kształcie, zamiast tradycyjnych zaokrąglonych, próbując zmniejszyć opór powietrza jeszcze bardziej).
To nie tylko liczba szprych, która jest ważna, ale sposób, w jaki są one połączone pomiędzy obręczą a piastą. Podobnie jak nici pajęczej sieci lub zwisające liny mostu wiszącego, koło rowerowe jest napięte – szprychy są mocno naciągnięte. Ponieważ szprychy krzyżują się od obręczy do przeciwległej strony piasty, koło nie jest tak płaskie i cienkie, jak się wydaje, lecz stanowi zadziwiająco mocną, trójwymiarową strukturę. Kiedy siedzisz na rowerze, Twój ciężar naciska na piasty, które rozciągają niektóre szprychy nieco bardziej, a inne nieco mniej. Jeśli ważysz 60 kg, na każde koło działa około 30 kg (nie licząc ciężaru własnego roweru), a szprychy są tym, co powstrzymuje koła przed wyginaniem się.
Fot: Wbrew pozorom, koło rowerowe nie jest ani płaskie, ani słabe. Piasta jest znacznie szersza od opony, szprychy są naprężone i krzyżują się, łącząc się z piastą pod kątem prostym. Wszystko to tworzy sztywną, trójwymiarową strukturę, która jest odporna na skręcanie, wyboczenie i zginanie. Zdjęcie autorstwa Davida Danalsa dzięki uprzejmości Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych.
Ponieważ każde koło ma kilkadziesiąt szprych, można by pomyśleć, że każda szprycha musi utrzymać tylko ułamek całkowitego ciężaru – może nawet 1-2 kg (2,2-4,4 funta), jeśli jest 30 szprych, co jest łatwe. W rzeczywistości szprychy dźwigają ciężar nierównomiernie: kilka szprych, które są blisko pionu, dźwiga znacznie większy ciężar niż pozostałe. (Wśród rowerowych naukowców wciąż toczy się dyskusja na temat tego, jak właściwie przenoszony jest ciężar i czy lepiej jest myśleć o rowerze wiszącym na szprychach u góry, czy naciskającym na te u dołu). Gdy koło się obraca, inne szprychy zbliżają się do pionu i zaczynają przejmować większą część obciążenia. Obciążenie każdej szprychy wzrasta i spada dramatycznie podczas każdego obrotu koła, więc w końcu, po wielu tysiącach cykli powtarzających się naprężeń i odkształceń, podczas których każda szprycha rozciąga się i rozluźnia w gwałtownych zmianach, jedna ze szprych (lub jej połączenie z kołem lub piastą) prawdopodobnie ulegnie uszkodzeniu w wyniku zmęczenia metalu. To natychmiast i drastycznie zwiększa obciążenie pozostałych szprych, zwiększając prawdopodobieństwo ich uszkodzenia i powodując rodzaj efektu „domina”, który sprawia, że koło się zapada.
Jak działają przekładnie rowerowe
Fot: Przekładnia to para kół z zębami, które zazębiają się w celu zwiększenia mocy lub prędkości.W rowerze para kół zębatych nie jest napędzana bezpośrednio, lecz połączona łańcuchem. Na jednym końcu łańcuch jest na stałe zapętlony wokół głównego koła zębatego (pomiędzy pedałami). Na drugim końcu, przesuwa się pomiędzy serią większych lub mniejszych kół zębatych, gdy zmieniasz bieg.
Typowy rower ma od trzech do trzydziestu różnych biegów – kół z zębami, połączonych łańcuchem, które sprawiają, że maszyna jest szybsza (jadąc po prostej) lub łatwiejsza do pedałowania (jadąc pod górę). Większe koła również pomagają w szybszej jeździe po prostej, ale są dużą wadą, jeśli chodzi o wzniesienia. To jeden z powodów, dla których rowery górskie i BMX mają mniejsze koła niż rowery wyścigowe. Nie tylko przerzutki w rowerze pomagają zwiększyć siłę pedałowania podczas jazdy pod górę: pedały są przymocowane do głównego koła zębatego za pomocą pary korb: dwóch krótkich dźwigni, które również zwiększają siłę, jaką możesz wywierać nogami.
Przerzutki mogą mieć niewiarygodny wpływ na Twoją prędkość. Na przykład w typowym rowerze wyścigowym przełożenie (liczba zębów na kole pedałów podzielona przez liczbę zębów na kole tylnym) może wynosić nawet 5:1, więc jeden obrót pedałami sprawi, że przejedziesz około 10 m (35 stóp) ulicą. Zakładając, że możesz poruszać nogami tylko tak szybko, możesz zobaczyć, że przerzutki skutecznie przyspieszają jazdę, pomagając Ci jechać dalej za każdym obrotem pedałów.
Czytaj więcej w naszym głównym artykule o przerzutkach.
Opracowanie: Rowery przed przekładniami: Wczesne rowery, takie jak te (znane jako „Penny Farthings” lub „High Wheels”) miały ogromne przednie koło, skutecznie zwielokrotniające prędkość i umożliwiające bardzo szybką jazdę po prostej.Nie było przerzutek: przednie koło obracało się raz za każdym razem, gdy nogi naciskały w górę i w dół na korby (pedały).Jazda w dół była dość trudna (chyba że zdjąłeś stopy z korb), a jazda pod górę była prawie niemożliwa!Szczegół oryginalnego obrazu, ok. 1887, autorstwa Henry’ego „Hy” Sandhama, dzięki uprzejmości Biblioteki Kongresu USA.
Jak działają hamulce rowerowe
Foto: Hamulce obręczowe: Gumowe szczęki (klocki) hamulców tego roweru zaciskają się na metalowej obręczy koła, aby Cię spowolnić. Gdy tracisz prędkość, tracisz energię. Gdzie trafia ta energia? Zamienia się w ciepło: klocki hamulcowe mogą się niewiarygodnie nagrzewać!
Niezależnie od tego, jak szybko jedziesz, przychodzi czas, kiedy musisz się zatrzymać. Hamulce w rowerze działają na zasadzie tarcia (siła ścierania pomiędzy dwoma rzeczami, które się ślizgają, gdy się dotykają). Chociaż niektóre rowery mają teraz hamulce tarczowe (podobne do tych używanych w samochodach), z oddzielnymi tarczami hamulcowymi przymocowanymi do kół, wiele z nich nadal używa tradycyjnych hamulców obręczowych z zaciskami i szczękami.
Hamulce obręczowe uruchamiane przez zaciski naciskają na zewnętrzną krawędź koła, gdzie obraca się ono najszybciej, ale z najmniejszą siłą. Oznacza to, że potrzebują stosunkowo niewielkiej siły hamowania, aby spowolnić koła (dlatego mogą być małe i lekkie), choć nadal musisz mocno naciskać i musisz przyłożyć tę siłę na dłużej, aby zatrzymać siebie i swój rower. Dużą wadą hamulców obręczowych jest to, że są one w pełni narażone na deszcz z góry i z boku oraz spryskiwanie przez koła; jeśli szczęki hamulcowe i koła są mokre i zabłocone, smarowanie jest znaczne, tarcie między hamulcami a kołami może być do dziesięciu razy mniejsze niż w suchych warunkach (według David Gordon Wilson’s Bicycling Science), a droga hamowania będzie znacznie dłuższa.
Hamulce tarczowe działają bliżej piasty, więc wymagają większej siły hamowania, co może obciążać widelce i szprychy, a ponadto są cięższe (co może mieć wpływ na prowadzenie roweru) i bardziej skomplikowane mechanicznie, ale mają tendencję do bycia bardziej skutecznymi w mokrych i błotnistych warunkach.
Przeglądając internetowe fora rowerowe, znajdziesz bardzo różne opinie na temat tego, który typ hamulców jest najlepszy dla różnych typów rowerów, terenu i warunków pogodowych. Niektórzy lubią hamulce tarczowe, ponieważ dzięki nim rower wygląda lepiej; inni lubią hamulce obręczowe, ponieważ są tak proste i nieskomplikowane.
Opracowanie: Hamulce tarczowe (uproszczone). Kiedy pociągasz za dźwignię hamulca, linka lub przewód hydrauliczny (żółty) uruchamia zaciski (niebieski), które dociskają klocki hamulcowe do tarczy zwanej rotorem (czerwony) przymocowanej do koła. Ponieważ zaciski są przymocowane do jednego z widelców (szary), a siła hamowania musi przejść przez szprychy (czarny), aby zatrzymać koło, hamulce tarczowe wywierają znacznie większy nacisk na widelce i szprychy niż hamulce obręczowe.
Jak działają opony rowerowe
Tarcie działa również na Twoją korzyść pomiędzy gumowymi oponami a drogą, po której jeździsz: daje Ci przyczepność, która sprawia, że łatwiej jest kontrolować rower, zwłaszcza w mokre dni.
Tak jak opony samochodowe, opony rowerowe nie są zrobione z litej gumy: mają wewnętrzną dętkę wypełnioną sprężonym (ściśniętym) powietrzem. Oznacza to, że są lżejsze i bardziej sprężyste, co zapewnia znacznie bardziej komfortową jazdę. Opony pneumatyczne, jak są znane, zostały opatentowane w 1888 roku przez szkockiego wynalazcę Johna Boyda Dunlopa.
Różne rodzaje rowerów mają różne rodzaje opon.Rowery wyścigowe mają wąskie, gładkie opony zaprojektowane dla maksymalnej prędkości (choć ich „cienki” profil daje im większy opór toczenia), podczas gdy rowery górskie mają grubsze, bardziej wytrzymałe opony z głębszym bieżnikiem, większą ilością gumy w kontakcie z drogą i lepszą przyczepnością (choć będąc szerszymi, tworzą większy opór powietrza).
Dlaczego odzież ma znaczenie
Tarcie jest świetną rzeczą w hamulcach i oponach, ale jest mniej mile widziane w innej formie: jako opór powietrza, który cię spowalnia. Im szybciej jedziesz, tym bardziej opór powietrza staje się problemem. Przy dużych prędkościach ściganie się na rowerze może przypominać pływanie po wodzie: naprawdę czujesz, jak powietrze napiera na ciebie i (jak już zauważyliśmy) zużywasz około 80% energii na pokonanie oporu powietrza. Teraz rower jest dość cienki i opływowy, ale ciało kolarza jest znacznie grubsze i szersze.W praktyce ciało kolarza tworzy dwa razy większy opór niż rower. To dlatego rowerzyści noszą obcisłe neoprenowe ubrania i punktowe kaski, aby nadać sobie opływowy kształt i zminimalizować straty energii.
Foto: Rowery wyścigowe mają dwa zestawy kierownic. Wewnętrzna kierownica pozwala rowerzyście zmniejszyć opór powietrza poprzez zbliżenie łokci do siebie.Zdjęcie autorstwa Bena A. Gonzalesa dzięki uprzejmości US Navy.
Możesz nie zauważyć, ale kierownica w rowerze to także dźwignia: dłuższa kierownica zapewnia dźwignię, która ułatwia obracanie przednim kołem.Ale im szerzej rozstawisz ramiona, tym większy opór powietrza stworzysz.Dlatego rowery wyścigowe mają dwa zestawy kierownic, aby pomóc rowerzyście przyjąć najlepszą, najbardziej opływową pozycję. Konwencjonalna, zewnętrzna kierownica służy do sterowania, a wewnętrzna do trzymania się na prostej. Korzystanie z tych wewnętrznych kierownic zmusza ramiona rowerzysty do znacznie ciaśniejszej, bardziej opływowej pozycji.Większość rowerzystów nosi teraz kaski, zarówno ze względów bezpieczeństwa, jak i poprawy aerodynamiki.
Rowery to fizyka w akcji
Podsumujmy krótko za pomocą prostego diagramu, który pokazuje wszystkie te różne kawałki nauki o rowerze w akcji:
.