Para onde vai a sua energia?
Descrevemos uma bicicleta como uma máquina e, em termos científicos, é isso mesmo: um dispositivo que pode aumentar a força (facilitando a subida) ou a velocidade. É também uma máquina no sentido em que converte energia de uma forma (o que quer que você tenha comido) em outra (a energia cinética que o seu corpo e a sua bicicleta têm à medida que aceleram). Então para onde vai realmente a energia que você usa no ciclismo? Em termos científicos, dizemos que vai para “fazer trabalho” – mas o que significa isso na prática?
Ciclismo pode às vezes parecer trabalho árduo, especialmente se você está indo para cima.Na ciência do ciclismo, “trabalho árduo” significa que você às vezes tem que usar uma força bastante lata para pedalar a qualquer distância. Se você está indo para cima, você precisa trabalhar contra a força da gravidade. Se você está indo rápido, você está trabalhando contra a força da resistência do ar (arrasto) empurrando contra o seu corpo. Às vezes há solavancos na estrada que você tem que percorrer; isso requer mais força e usa energia também (solavancos reduzem sua energia cinética reduzindo sua velocidade).
Photo: As bicicletas funcionam tão bem com o corpo humano porque aproveitam a força dos nossos grandes e muito poderosos músculos das pernas. Bicicletas recentes (as que você monta deitado) podem parecer ultra-modernas e um pouco estranhas, mas datam de há pelo menos 100 anos. São mais rápidas que as bicicletas convencionais porque os seus cavaleiros adoptam uma postura muito mais aerodinâmica, em forma de tubo, que minimiza o arrasto. Como os pedais estão mais altos do chão, as manivelas podem ser mais compridas, por isso você ganha mais alavancagem, seus músculos podem fazer alta potência por mais tempo, e fazer isso de forma mais eficiente. Foto de Robin Hillyer-Miles cortesia da US Navy.
Mas quer esteja a subir ou a descer, rápido ou lento, numa estrada suave ou acidentada, há outro tipo de trabalho que tem de fazer sempre simplesmente para fazer as suas rodas circularem. Quando uma roda descansa no chão, suportando uma carga como um ciclista numa bicicleta, o pneu enrolado à sua volta é esmagado em alguns lugares e saliente noutros. Quando você anda de bicicleta, diferentes partes do pneu são esmagadas e inchadas e a borracha de que são feitas é puxada e empurrada em todas as direções. Quanto mais carga você coloca sobre o pneu (quanto mais pesado você é ou mais está carregando), maior é a resistência ao rolamento. Cerca de 80-90 por cento da resistência ao rolamento é causada pela deformação do próprio pneu, com o restante vindo da resistência do ar do pneu e da forma como este desliza contra o chão.
Para uma bicicleta de corrida que viaja rápido, cerca de 80 por cento do trabalho que o ciclista faz vai em superar a resistência do ar, enquanto o restante será usado para combater a resistência ao rolamento; para um ciclista de montanha que vai mais devagar sobre terreno acidentado, 80 por cento da sua energia vai em resistência ao rolamento e apenas 20 por cento é perdido para arrastar. Há também pequenas perdas por atrito em coisas como a corrente e as engrenagens, mas, no entanto e seja o que for que esteja a montar, desde que seja razoavelmente bem mantido, a energia perdida desta forma normalmente não vale a pena preocupar-se.
Chart: As bicicletas de montanha lentas desperdiçam mais energia através da resistência ao rolamento; as bicicletas de corrida mais rápidas desperdiçam mais através da resistência ao ar.
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Quanta energia estamos realmente a falar aqui? No Tour de France, de acordo com a fascinante análise de Training Peaks, os pilotos de topo têm em média cerca de 300-400 watts de potência, o que equivale a 3-4 lâmpadas antiquadas de 100 watts ou cerca de 15% da potência que seria necessária para conduzir uma chaleira eléctrica. O que é que isto nos diz? É muito mais fácil gerar grandes quantidades de energia durante longos períodos de tempo usando os músculos das pernas grandes do que usando as mãos e os braços. É por isso que as bicicletas são tão inteligentes: elas fazem bom uso dos músculos mais poderosos do nosso corpo.
Como funciona um quadro de bicicleta
Assumindo que um adulto pesa 60-80kg (130-180lb),o quadro de uma bicicleta tem de ser bastante duro se não for dormir ou fivelar no momento em que o ciclista sobe a bordo. As bicicletas comuns têm quadros feitos de aço tubular forte, barato (literalmente, tubos de aço ocos contendo apenas ar) ou ligas mais leves à base de aço ou alumínio. As bicicletas de corrida são mais provavelmente feitas de compósitos de fibra de carbono, que são mais caros, mas mais fortes, mais leves e à prova de ferrugem.
Photo: O quadro A invertido da bicicleta é uma estrutura incrivelmente forte que ajuda a distribuir o seu peso entre as rodas dianteiras e traseiras. Ajuda a inclinar-se para a frente ou mesmo a levantar-se quando vai a subir o monte de soja, pode aplicar a força máxima nos pedais e manter o equilíbrio.
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Pode pensar que um quadro de bicicleta feito de tubos de alumínio seria muito mais fraco que um feito de aço – mas só se os tubos forem semelhantes em dimensões.Na prática, toda bicicleta precisa ser forte o suficiente para suportar o peso do ciclista e as cargas que ele provavelmente experimentaria durante diferentes tipos de manuseio. Assim, uma bicicleta de alumínio usaria tubos com um diâmetro maior e/ou paredes mais grossas – uma bicicleta feita de tubos de aço.
O quadro não simplesmente o suporta: sua forma triangular (geralmente dois triângulos unidos para fazer um diamante) é cuidadosamente projetada para distribuir seu peso. Embora a sela esteja posicionada muito mais perto da roda traseira, você se inclina para frente para segurar o guidão. As barras angulares no quadro são concebidas para partilhar mais ou menos o seu peso entre as rodas dianteiras e traseiras. Se pensar bem nisso, isso é muito importante. Se todo o seu peso actuasse sobre a roda traseira, e tentasse pedalar para cima, inclinar-se-ia para trás; da mesma forma, se houvesse peso a mais na roda dianteira, iria saltar de cabeça cada vez que descesse a montanha!
Os quadros não são concebidos para serem 100% rígidos: isso faria com que a condução fosse muito menos confortável. Praticamente todos os quadros da bicicleta flexionam e dobram um pouco para absorverem alguns dos amortecedores da condução, embora outros factores (como o selim e os pneus) tenham muito mais efeito no conforto da condução. Vale a pena lembrar também que o corpo humano é um sistema de suspensão notavelmente eficiente; andando de bicicleta de montanha ao longo de uma trilha difícil, você perceberá rapidamente como seus braços podem funcionar como amortecedores! Na verdade, pode ser bastante instrutivo ver o corpo como uma extensão (ou complemento) do quadro básico da bicicleta, equilibrado em cima dela.
Como funcionam as rodas da bicicleta
Photo: Como uma roda de carro, uma roda de bicicleta é um multiplicador de velocidade. Ospedais e as engrenagens giram o eixo no centro. O eixo gira apenas uma curta distância, mas a alavanca da roda significa que o aro exterior gira muito mais ao mesmo tempo. É assim que uma roda o ajuda a ir mais rápido.
Se leu o nosso artigo sobre como as rodas funcionam, saberá que uma roda e o eixo que gira é um exemplo do que os cientistas chamam de máquina simples: irá multiplicar a força ou a velocidade dependendo de como a roda gira. As rodas de bicicleta têm normalmente mais de 50cm (20 polegadas) de diâmetro, o que é mais alto do que a maioria das rodas de automóveis. Quanto mais altas forem as rodas, maior será a multiplicação da sua velocidade quando as rodar no eixo. É por isso que as bicicletas de corrida têm as rodas mais altas (tipicamente cerca de 70 cm ou 27,5 polegadas de diâmetro).
As rodas suportam todo o seu peso, mas de uma forma muito interessante. Se as rodas fossem sólidas, seriam esmagadas (comprimidas) enquanto se sentava no assento, e empurradas para cima para o apoiar. No entanto, as rodas da maioria das bicicletas são na verdade formadas por um cubo forte, uma jante fina e cerca de 24 raios de alta tensão. As bicicletas têm rodas com raios, em vez de rodas de metal sólido, para as tornar fortes e leves, e para reduzir o arrasto (alguns pilotos usam raios “de lâmina” planos ou com uma forma oval, em vez dos tradicionais arredondados, numa tentativa de cortar ainda mais o arrasto).
Não é apenas o número de raios que é importante, mas a forma como estão ligados entre o aro e o seu cubo. Como os fios de uma teia de aranha, ou as cordas de uma ponte suspensa, uma roda de bicicleta está em tensão – os raios são puxados com força. Como os raios se cruzam do aro para o lado oposto do cubo, a roda não é tão plana e frágil como parece, mas sim uma estrutura tridimensional surpreendentemente forte. Quando se senta numa bicicleta, o seu peso empurra para baixo nos cubos, que esticam alguns dos raios um pouco mais e outros um pouco menos. Se você pesar 60kg (130lb), há cerca de 30kg (130lb) empurrando para baixo em cada roda (não incluindo o próprio peso da bicicleta), e os raios são o que impede as rodas de se dobrarem.
Photo: Apesar das aparências, uma roda de bicicleta não é plana nem fraca. O cubo é muito mais largo que o pneu, os raios estão em tensão e cruzam-se, unindo o cubo a uma tangente. Tudo isso faz uma estrutura tridimensional rígida que pode resistir à torção, à curvatura e à flexão. Foto de David Danals cortesia da US Navy.
Desde que cada roda tem um par de dúzias de raios, você pode pensar que cada raio tem que suportar apenas uma fração do peso total – talvez tão pouco quanto 1-2kg (2.2-4.4lb), se houver 30 raios, o que pode fazer facilmente. Na realidade, os raios suportam o peso de forma desigual: os poucos raios que estão perto do vertical suportam muito mais carga do que os outros. (Ainda há bastante debate entre os cientistas da bicicleta sobre como a carga é realmente suportada e se é melhor pensar numa bicicleta pendurada nos raios em cima ou empurrando para baixo nos raios em baixo). À medida que a roda gira, outros raios se aproximam da vertical e começam a assumir mais parte do esforço. A carga em cada raio sobe e desce drasticamente durante cada rotação da roda, por isso, eventualmente, após muitos milhares de ciclos de esforço e tensão repetidos, durante os quais cada raio se estica e relaxa em alternância rápida, um dos raios (ou a sua ligação à roda ou ao cubo) é susceptível de falhar devido à fadiga do metal. Isso aumenta instantânea e dramaticamente a carga sobre os raios restantes, tornando-os mais propensos a falhar também, e causando uma espécie de efeito “dominó” que faz a fivela da roda.
Como funcionam as engrenagens da bicicleta
Foto: Uma engrenagem é um par de rodas com dentes que se interpõem para aumentar a potência ou a velocidade. Numa bicicleta, o par de engrenagens não é conduzido directamente, mas sim ligado por dor. Em uma das extremidades, a corrente é permanentemente enrolada ao redor da roda da engrenagem principal (entre os pedais). Na outra extremidade, ela se desloca entre uma série de rodas maiores ou menores quando você muda de marcha.
Uma bicicleta típica tem qualquer coisa, desde três rodas com dentes, ligadas pela corrente, o que torna a máquina mais rápida (indo ao longo da reta) ou mais oleosa para pedalar (subindo o morro). Rodas maiores também ajudam a ir mais rápido na reta, mas são uma grande desvantagem quando se trata de colinas. Essa é uma das razões pelas quais as bicicletas de montanha e BMX têm rodas menores do que as bicicletas de corrida. Não são apenas as engrenagens de uma bicicleta que ajudam a tirar a força da pedalada quando se sobe: os pedais são fixados à roda principal por um par de cranks: duas alavancas curtas que também aumentam a força que se pode exercer com as pernas.
Atras podem fazer uma diferença incrível na velocidade. Em uma bicicleta de corrida típica, por exemplo, a relação de marcha (o número de dentes na roda do pedal dividido pelo número de dentes na roda traseira) pode ser de até 5:1, então um único giro dos pedais vai te dar potência a cerca de 10m (35ft) na rua. Assumindo que você só pode mover as pernas tão rápido, você pode ver que as engrenagens efetivamente fazem você ir mais rápido, ajudando-o a ir mais longe para cada volta dos pedais.
Ler mais no nosso artigo principal sobre engrenagens.
Artwork: Bicicletas antes das engrenagens: Bicicletas antigas como estas (conhecidas como “Penny Farthings” ou “High Wheels”) tinham uma roda dianteira enorme, multiplicando eficazmente a sua velocidade e tornando possível ir muito rápido na recta. Não havia mudanças: a roda dianteira virava uma vez cada vez que as suas pernas empurravam para cima e para baixo nas manivelas (pedais). Ir para baixo era bastante complicado (a não ser que tirasse os pés das manivelas) e ir para cima era praticamente impossível! Detalhe de uma pintura original, c.1887, por Henry “Hy” Sandham, cortesia da Biblioteca do Congresso dos EUA.
Como funcionam os travões de bicicleta
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Foto: Travões de jante: Os sapatos de borracha (blocos) dos travões desta bicicleta fixam o aro de metal da roda para o abrandar. Ao perder velocidade, você perde energia. Para onde vai a energia? Transforma-se em calor: os calços dos travões podem ficar incrivelmente quentes!
Não importa a velocidade a que se vai, chega uma altura em que é preciso parar. Os travões de uma bicicleta funcionam usando fricção (força de tracção entre duas coisas que deslizam uma para a outra enquanto se tocam). Embora algumas bicicletas tenham agora travões de disco (semelhantes aos que os carros usam), com discos de travão separados presos às rodas, muitas ainda usam travões tradicionais de aro com pinça com sapatos.
Quando se pressiona as manetes de travão, um par de borrachas (por vezes chamadas de calços) fixa-se ao aro interior metálico da frente e das rodas traseiras. À medida que as sapatas de travão se esfregam firmemente contra as rodas, elas transformam a sua energia cinética (a energia que você tem, porque está a ir para longe) em calor – o que tem o efeito de o atrasar. Há mais sobre isto no nosso artigo principal sobre travões.
Travões de aro versus travões de disco
Travões de aro operados por um calibrador empurram na extremidade exterior da roda onde esta gira mais rápido mas com menos força. Isso significa que precisam de relativamente pouca força de travagem para abrandar as rodas (para que possam ser pequenas e leves), embora ainda tenha de carregar com força, e tem de aplicar essa força durante mais tempo para se conseguir parar a si e à sua bicicleta. Uma grande desvantagem dos freios de aro é que eles estão totalmente expostos à chuva vinda de cima e do lado e spray das rodas; se os freios e as rodas estiverem molhados e lamacentos, há uma lubrificação considerável, o atrito entre os freios e as rodas pode ser até dez vezes menor do que em condições secas (de acordo com a Ciência de Bicicletas de David Gordon Wilson), e sua distância de parada será muito maior.
Travões de disco trabalham mais perto do cubo, por isso precisam de aplicar maior força de travagem, o que pode stressar os garfos e os raios, e são tanto mais pesados (o que pode afectar o manuseamento de uma bicicleta) como mecanicamente mais complexos, mas tendem a ser mais eficazes em condições de chuva e lama.
Navegue pelos fóruns online de bicicletas e encontrará opiniões muito diferentes sobre que tipo de travões são melhores para diferentes tipos de bicicletas, terreno e condições meteorológicas. Algumas pessoas gostam de freios a disco porque fazem uma bicicleta parecer melhor; outras gostam de freios a aro porque são tão simples e diretos.
Artwork: Travões de disco (simplificados). Quando se puxa a alavanca do travão, um cabo de fio ou uma linha hidráulica (amarela) acciona as pinças (azuis) que empurram as pastilhas dos travões contra um disco chamado rotor (vermelho) ligado à roda. Como as pinças estão ligadas a um dos garfos (cinza), e a força de frenagem tem que passar através dos raios (preto) para parar a roda, os freios a disco colocam muito mais tensão sobre os garfos e raios do que os freios a aro.
Como funcionam os pneus de bicicleta
O atrito também funciona a seu favor entre os pneus de borracha e a estrada em que anda: dá-lhe uma aderência que torna o seu motociclo mais fácil de controlar, especialmente em dias de chuva.
Como os pneus de carro, os pneus de bicicleta não são feitos de borracha sólida: têm uma câmara-de-ar cheia de ar comprimido (apertado). Isso significa que são mais leves e mais elásticos, o que lhe dá um passeio muito mais confortável. Os pneus pneumáticos, como são conhecidos, foram patenteados em 1888 pelo escocês John Boyd Dunlop.
Diferentes tipos de bicicletas têm diferentes tipos de pneus.Bicicletas de corrida têm pneus estreitos e lisos projetados para a velocidade máxima (embora seu perfil “fino” lhes dá maior resistência ao rolamento), enquanto as bicicletas de montanha têm material de desgaste, pneus mais robustos com pisos mais profundos, mais borracha em contato com a estrada, e melhor aderência (embora sendo mais larga eles criam mais resistência ao ar).
Por que a roupa importa
Atrito é uma grande coisa nos freios e pneus-butit é menos bem-vinda em outra forma: como a resistência ao ar que o faz descer. Quanto mais rápido você vai, mais arrasto se torna aproblem. A altas velocidades, correr de bicicleta pode parecer como nadar na água: você pode realmente sentir o ar empurrando contra você e (como já vimos) você usa cerca de 80% de sua energia superando o arrasto. Agora uma bicicleta é mais bonita e aerodinâmica, mas o corpo de um ciclista é muito mais gordo e largo. Na prática, o corpo de um ciclista cria tanto arrasto como a sua bicicleta. É por isso que os ciclistas usam roupas apertadas de neoprene e capacetes pontiagudos para se agilizar e minimizar as perdas de energia.
Photo: Bicicletas de corrida têm dois conjuntos de guiador. Os guiadores interiores reduzem a resistência do ar mantendo os cotovelos mais juntos.Foto de Ben A. Gonzales cortesia de US Navy.
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Você pode não ter notado, mas o guiador de uma bicicleta são alavancas: o guiador mais longo proporciona uma alavanca que facilita a rotação da roda dianteira.Mas quanto mais amplo for o espaço dos braços, mais resistência do ar você cria.É por isso que as bicicletas de corrida têm dois conjuntos de guiadores para ajudar o ciclista a adoptar a melhor e mais aerodinâmica posição. Existem guiadores convencionais, exteriores para a direcção e interiores para segurar na direcção. A maioria dos ciclistas usa agora capacetes, tanto por razões de segurança como por uma melhor aerodinâmica.
As bicicletas são físicas em acção
Vamos resumir brevemente com um diagrama simples que mostra todas estas diferentes partes da ciência do ciclo em acção:
