Unde se duce energia ta?
Am descris o bicicletă ca fiind o mașină și, în termeni științifici, exact asta este: un dispozitiv care poate mări forța (ceea ce face mai ușor să urci o pantă) sau viteza. Este, de asemenea, o mașină în sensul că transformă energia dintr-o formă (ceea ce ai mâncat) în alta (energia cinetică pe care o au corpul tău și bicicleta în timp ce se deplasează cu viteză).Probabil că ați auzit de o lege a fizicii numită conservarea energiei, care spune că nu poți crea energie din nimic sau o poți face să dispară fără urmă: tot ce poți face este să o transformi dintr-o formă în alta. Deci, unde se duce de fapt energia pe care o folosiți în timpul mersului pe bicicletă? În termeni științifici, spunem că se transformă în „muncă” – dar ce înseamnă asta în practică?
Ciclismul poate părea uneori o muncă grea, mai ales dacă mergeți în urcare.În știința ciclismului, „muncă grea” înseamnă că uneori trebuie să folosiți destul de multă forță pentru a pedala pe orice distanță. Dacă urci o pantă, trebuie să lucrezi împotriva forței gravitaționale. Dacă mergi repede, trebuie să lucrezi împotriva forței de rezistență a aerului (rezistență la înaintare) care împinge împotriva corpului tău. Uneori există denivelări pe drum peste care trebuie să pedalezi; acest lucru necesită mai multă forță și folosește și energie (denivelările îți reduc energia cinetică prin reducerea vitezei).
Foto: Bicicletele funcționează atât de bine cu corpul uman deoarece valorifică puterea de la mușchii noștri mari și foarte puternici ai picioarelor. Bicicletele culcate (cele pe care le conduci culcat) pot părea ultramoderne și puțin ciudate, dar ele datează de cel puțin 100 de ani. Sunt mai rapide decât bicicletele convenționale, deoarece bicicliștii lor adoptă o postură mult mai aerodinamică, asemănătoare unui tub, care minimizează rezistența la înaintare. Având în vedere că pedalele sunt mai sus de sol, manivelele pot fi mai lungi, astfel încât obțineți o pârghie mai mare, mușchii dvs. pot produce o putere mare pentru mai mult timp și o fac mai eficient. Fotografie realizată de Robin Hillyer-Miles, prin amabilitatea US Navy.
Dar indiferent dacă mergeți la deal sau la vale, repede sau încet, pe un drum neted sau accidentat, există un alt tip de muncă pe care trebuie să o faceți întotdeauna pur și simplupentru a vă face roțile să se învârtă. Atunci când o roată se sprijină pe sol, susținând o sarcină, cum ar fi un biciclist pe bicicletă, anvelopa înfășurată în jurul ei este strivită în unele locuri și bombată în altele. Pe măsură ce pedalați, diferite părți ale anvelopei se strivesc și se umflă pe rând, iar cauciucul din care sunt făcute este tras și împins în toate direcțiile.Strivirea repetată a unei anvelope în acest mod este un pic ca și cum ai frământa pâinea:necesită energie – iar această energie este ceea ce cunoaștem ca rezistență la rulare. Cu cât sarcina pe care o puneți pe anvelopă este mai mare (cu cât sunteți mai greu sau cu cât transportați mai mult), cu atât rezistența la rulare este mai mare. În jur de 80-90 la sută din rezistența la rulare este cauzată de deformarea anvelopei în sine, iar restul provine din rezistența la aer a anvelopei și din modul în care aceasta alunecă pe sol.
Pentru o bicicletă de curse care se deplasează rapid, aproximativ 80 la sută din munca pe care o depune ciclistul va fi folosită pentru a învinge rezistența la aer, în timp ce restul va fi folosit pentru a lupta împotriva rezistenței la rulare; pentru un biciclist de munte care merge mult mai încet pe un teren accidentat, 80 la sută din energie este folosită pentru rezistența la rulare și doar 20 la sută este pierdută din cauza rezistenței la înaintare. Există, de asemenea, mici pierderi prin frecare în lucruri cum ar fi lanțul și angrenajele, dar, oricum și oricare ar fi bicicleta pe care o conduceți, atâta timp cât este rezonabil de bine întreținută, energia pierdută în acest fel nu merită, de obicei, să vă faceți griji.
Carte: Bicicletele de munte lente pierd cea mai multă energie prin rezistența la rulare; bicicletele de curse mai rapide pierd mai multă energie prin rezistența aerului.
De câtă energie vorbim de fapt aici? În Turul Franței, conform unei analize fascinante realizate de Training Peaks, cicliștii de top au o putere medie de aproximativ 300-400 de wați, ceea ce reprezintă cât 3-4 lămpi de modă veche de 100 de wați sau aproximativ 15 la sută din puterea de care ai avea nevoie pentru a acționa un ceainic electric.Pentru comparație, poți genera aproximativ 10 wați cu un generator de electricitate cu manivelă manuală, deși nu poți folosi unul dintre acestea pentru foarte mult timp fără să obosești. Ce ne spune acest lucru? Este mult mai ușor să generezi cantități mari de energie pentru perioade lungi de timp folosind mușchii mari ai picioarelor decât folosind mâinile și brațele. Acesta este motivul pentru care bicicletele sunt atât de inteligente: ele folosesc foarte bine cei mai puternici mușchi din corpul nostru.
Cum funcționează cadrul unei biciclete
Să presupunem că un adult cântărește 60-80 kg (130-180 lb),cadrul unei biciclete trebuie să fie destul de rezistent dacă nu vrea să se rupă sau să se îndoaie în momentul în care biciclistul urcă la bord. Bicicletele obișnuite au cadrele fabricate din oțel tubular (la propriu, tuburi de oțel goale care nu conțin decât aer) rezistent și ieftin sau din aliaje mai ușoare pe bază de oțel sau aluminiu.Bicicletele de curse sunt mai degrabă fabricate din materiale compozite din fibră de carbon,care sunt mai scumpe, dar mai rezistente, mai ușoare și rezistente la rugină.
Foto: Cadrul în formă de A inversat al bicicletei este o structură incredibil de rezistentă care ajută la distribuirea greutății între roțile din față și cele din spate.Te ajută să te apleci înainte sau chiar să te ridici în picioare atunci când urci o pantă, astfel încât să poți aplica forța maximă pe pedale și să-ți păstrezi echilibrul.
Ai putea crede că un cadru de bicicletă realizat din tuburi de aluminiu ar fi mult mai slab decât unul realizat din oțel – dar numai dacă tuburile au dimensiuni similare.În practică, fiecare bicicletă trebuie să fie suficient de rezistentă pentru a susține greutatea biciclistului și sarcinile pe care este posibil să le suporte în timpul diferitelor tipuri de manevrare.Astfel, o bicicletă din aluminiu ar folosi tuburi cu un diametru mai mare și/sau cu pereți mai groși decât o bicicletă fabricată din tuburi de oțel.
Cadrul nu vă susține pur și simplu: forma sa triunghiulară (adesea două triunghiuri unite împreună pentru a forma un diamant)este proiectată cu atenție pentru a vă distribui greutatea. Deși șaua este poziționată mult mai aproape de roata din spate, vă aplecați în față pentru a ține ghidonul. Ghidonul înclinat din cadru este conceput pentru a vă împărți greutatea mai mult sau mai puțin egal între roțile din față și cele din spate. Dacă te gândești bine, acest lucru este foarte important. Dacă toată greutatea ta ar acționa pe roata din spate și ai încerca să pedalezi în urcare, te-ai înclina pe spate; în mod similar,dacă ar fi prea multă greutate pe roata din față, te-ai duce cu capul în sus de fiecare dată când ai coborî o pantă!
Cadrele nu sunt proiectate să fie 100% rigide: acest lucru ar face ca mersul să fie mult mai puțin confortabil. practic toate cadrele bicicletelor se flexează și se îndoaie puțin, astfel încât să absoarbă o parte din șocurile mersului, deși alți factori (cum ar fi șaua și anvelopele) au un efect mult mai mare asupra confortului mersului. De asemenea, merită să ne amintim că trupul uman este în sine un sistem de suspensie remarcabil de eficient; mergând cu o bicicletă de munte pe un traseu accidentat, veți deveni foarte repede conștient de modul în care brațele dumneavoastră pot funcționa ca amortizoare! Într-adevăr, poate fi destul de instructiv să privim corpul ca pe o extensie (sau completare) a cadrului de bază al bicicletei, în echilibru deasupra acestuia.
Cum funcționează roțile de bicicletă
Foto: La fel ca o roată de mașină, o roată de bicicletă este un multiplicator de viteză. Pedalele și angrenajele rotesc axa din centru. Axa se rotește doar pe o distanță scurtă, dar efectul de pârghie al roții face ca janta exterioară să se rotească mult mai departe în același timp. Așa te ajută o roată să mergi mai repede.
Dacă ai citit articolul nostru despre cum funcționează roțile, știi că o roată și axul în jurul căruia se învârte este un exemplu a ceea ce oamenii de știință numesc o mașină simplă: aceasta va multiplica forța sau viteza în funcție de modul în care o rotești. Roțile de bicicletă au, de obicei, un diametru de peste 50 cm (20 de inci), ceea ce înseamnă că sunt mai mici decât majoritatea roților de mașină. Cu cât roțile sunt mai înalte, cu atât mai mult îți multiplică viteza atunci când le rotești la axă. Acesta este motivul pentru care bicicletele de curse au cele mai înalte roți (de obicei, cu un diametru de aproximativ 70 cm sau 27,5 inci).
În cele din urmă, roțile vă susțin întreaga greutate, dar într-un mod foarte interesant.Dacă roțile ar fi solide, ele ar fi strivite (comprimate) atunci când vă așezați pe scaun și ar fi împinse înapoi în sus pentru a vă susține. Cu toate acestea, roțile majorității bicicletelor sunt de fapt formate dintr-un butuc puternic, o jantă subțire și aproximativ 24 de spițe foarte tensionate. Bicicletele au roți cu spițe, mai degrabă decât roți din metal masiv, pentru a le face atât puternice și ușoare, cât și pentru a reduce rezistența la înaintare (unii bicicliști folosesc spițe plate „cu lamă” sau cu formă ovală, în loc de cele rotunjite tradiționale, în încercarea de a reduce și mai mult rezistența la înaintare).
Nu doar numărul de spițe este important, ci și modul în care acestea sunt conectateîntre jantă și butucul acesteia. La fel ca firele unei pânze de păianjen sau frânghiile atârnate ale unui pod suspendat, o roată de bicicletă este în tensiune – spițele sunt strânse. Deoarece spițele se încrucișează de la jantă până la partea opusă a butucului, roata nu este atât de plată și fragilă pe cât pare, ci este de fapt o structură tridimensională uimitor de puternică. Când te așezi pe o bicicletă, greutatea ta apasă pe butuci,care întind unele dintre spițe un pic mai mult și altele un pic mai puțin. Dacă cântăriți 60 kg, există aproximativ 30 kg care împing în jos pe fiecare roată (fără a include greutatea proprie a bicicletei), iar spițele sunt cele care împiedică roțile să se îndoaie.
Foto: În ciuda aparențelor, o roată de bicicletă nu este nici plată, nici slabă. Butucul este mult mai lat decât anvelopa, spițele sunt în tensiune și se încrucișează, unindu-se cu butucul printr-o tangentă. Toate acestea formează o structură tridimensională rigidă, care poate rezista la răsucire, îndoire și îndoire. Fotografie realizată de David Danals, prin amabilitatea US Navy.
Din moment ce fiecare roată are câteva zeci de spițe, ați putea crede că fiecare spiță trebuie să susțină doar o fracțiune din greutatea totală – poate doar 1-2 kg (2,2-4,4 lb), dacă sunt 30 de spițe, ceea ce poate face cu ușurință. În realitate, spițele suportă greutatea în mod inegal: cele câteva spițe care sunt aproape de verticală suportă o sarcină mult mai mare decât celelalte. (Există încă destul de multe dezbateri între oamenii de știință din domeniul bicicletei cu privire la modul în care este suportată de fapt sarcina și dacă este mai bine să ne gândim la o bicicletă care atârnă de spițele din partea de sus sau care împinge în jos pe cele de jos). Pe măsură ce roata se rotește, alte spițe se apropie de verticală și încep să preia o mai mare parte din efort. Sarcina pe fiecare rază crește și scade dramatic în timpul fiecărei rotații a roții, astfel încât, în cele din urmă, după multe mii de cicluri de solicitări și tensiuni repetate, în timpul cărora fiecare rază se întinde și se relaxează în alternanță rapidă, este posibil ca una dintre raze (sau conexiunea sa cu roata sau butucul) să cedeze prin oboseala metalului. Acest lucru mărește instantaneu și dramatic sarcina pe celelalte spițe, ceea ce face ca și acestea să aibă mai multe șanse să cedeze și ele și provoacă un fel de efect „domino” care face ca roata să se îndoaie.
Cum funcționează angrenajele de bicicletă
Foto: Un angrenaj este o pereche de roți cu dinți care se întrepătrund pentru a crește puterea sau viteza. la o bicicletă, perechea de angrenaje nu este acționată direct, ci este legată prin intermediul unei lanțuri. La un capăt, lanțul este înfășurat permanent în jurul roții principale a angrenajului (între pedale). La celălalt capăt, se schimbă între o serie de roți dințate mai mari sau mai mici atunci când schimbați viteza.
O bicicletă tipică are de la trei până la treizeci de viteze diferite – roți cu dinți, legate prin lanț, care fac mașina mai rapidă (mergând pe linia dreaptă) sau mai ușor de pedalat (urcând o pantă). Roțile mai mari te ajută, de asemenea, să mergi mai repede pe linia dreaptă, dar sunt un mare dezavantaj atunci când vine vorba de dealuri.Acesta este unul dintre motivele pentru care bicicletele de munte și bicicletele BMX au roți mai mici decât bicicletele de curse. Nu doar angrenajele de pe o bicicletă vă ajută să măriți puterea de pedalare atunci când urcați o pantă: pedalele sunt fixate de roata principală a angrenajului printr-o pereche de manivele: două pârghii scurte care măresc, de asemenea, forța pe care o puteți exercita cu picioarele.
Anchetele pot face o diferență incredibilă în ceea ce privește viteza dumneavoastră. Pe o bicicletă de curse tipică, de exemplu, raportul de transmisie (numărul de dinți de pe roata de pedale împărțit la numărul de dinți de pe roata din spate) poate fi de până la 5:1, astfel încât o singură rotire a pedalelor vă va propulsa pe stradă pe o distanță de aproximativ 10m (35ft). Presupunând că nu vă puteți mișca picioarele decât atât de repede, puteți vedea că angrenajele vă fac efectiv să mergeți mai repede, ajutându-vă să mergeți mai departe pentru fiecare rotire a pedalelor.
Citește mai multe în articolul nostru principal despre angrenaje.
Artwork: Biciclete înainte de viteze: Primele biciclete ca acestea (cunoscute sub numele de „Penny Farthings” sau „High Wheels”)aveau o roată din față imensă, multiplicând efectiv viteza și făcând posibilă deplasarea foarte rapidă pe linia dreaptă.Nu existau angrenaje: roata din față se învârtea o dată de fiecare dată când picioarele tale împingeau în sus și în jos pe manivele (pedale).Coborârea unei pante era destul de dificilă (dacă nu-ți luai picioarele de pe manivele), iar urcarea unei pante era aproape imposibilă!Detaliu al unei picturi originale, c.1887, de Henry „Hy” Sandham, prin amabilitatea Bibliotecii Congresului SUA.
Cum funcționează frânele de bicicletă
Foto: Frâne pe jantă: Saboții (saboții) de cauciuc ai frânelor acestei biciclete prind janta metalică a roții pentru a vă încetini. Pe măsură ce pierdeți viteză, pierdeți energie. Unde se duce această energie? Se transformă în căldură: saboții de frână se pot încălzi incredibil de tare!
Nu contează cât de repede mergeți, vine un moment în care trebuie să vă opriți. Frânele de pe o bicicletă funcționează cu ajutorul frecării (forța de frecare între două lucruri care alunecă unul pe lângă altul în timp ce se ating). Deși unele biciclete au acum frâne pe disc (asemănătoare cu cele folosite de mașini), cu discuri de frână separate atașate la roți,multe folosesc încă frânele tradiționale pe jantă cu saboți, acționate de etrier.
Când apăsați manetele de frână, o pereche de saboți de cauciuc (uneori numiți saboți) se prinde de janta metalică interioară a roților din față și din spate. Pe măsură ce saboții de frână se freacă strâns de roți, ei transformă energia dumneavoastră cinetică (energia pe care o aveți pentru că mergeți mai departe) în căldură – ceea ce are ca efect încetinirea dumneavoastră.Există mai multe despre acest lucru în articolul nostru principal despre frâne.
Frânele pe jantă față de frânele pe disc
Frânele pe jantă cu acționare prin calapod apasă pe marginea exterioară a roții, acolo unde aceasta se învârte cel mai repede, dar cu cea mai mică forță. Asta înseamnă că au nevoie de relativ puțină forță de frânare pentru a încetini roțile (deci pot fi mici și ușoare), deși tot trebuie să apăsați puternic și trebuie să aplicați această forță mai mult timp pentru a vă opri pe dumneavoastră și bicicleta. Un mare dezavantaj al frânelor pe jantă este că sunt expuse în totalitate la ploaia de sus și de pe margine și la stropii de pe roți; dacă saboții de frână și roțile sunt umede și noroioase, există o lubrifiere considerabilă, frecarea dintre frâne și roți ar putea fi de până la zece ori mai mică decât în condiții uscate (conform cărții Bicycling Science a lui David Gordon Wilson), iar distanța de oprire va fi mult mai mare.
Frânele cu disc lucrează mai aproape de butuc, astfel încât trebuie să aplice o forță de frânare mai mare, ceea ce poate solicita furcile și spițele, și sunt atât mai grele (ceea ce poate afecta manevrabilitatea bicicletei), cât și mai complexe din punct de vedere mecanic, dar tind să fie mai eficiente pe vreme umedă și în condiții de noroi.
Căutați pe forumurile de biciclete online și veți găsi opinii foarte diferite despre ce tip de frâne sunt cele mai bune pentru diferite tipuri de biciclete, terenuri și condiții meteo. Unii oameni preferă frânele pe disc pentru că fac bicicleta să arate mai bine; alții preferă frânele pe jantă pentru că sunt atât de simple și directe.
Artwork: Frânele pe disc (simplificate). Când trageți de maneta de frână, un cablu metalic sau o conductă hidraulică (galben) acționează etrierii (albastru) care împing plăcuțele de frână împotriva unui disc numit rotor (roșu) atașat la roată. Deoarece etrierii sunt atașați de una dintre furci (gri), iar forța de frânare trebuie să treacă prin spițe (negru) pentru a opri roata, frânele cu discuri solicită mult mai mult furcile și spițele decât frânele pe jantă.
Cum funcționează anvelopele de bicicletă
Frecarea lucrează, de asemenea, în avantajul dvs. între anvelopele de cauciucși drumul pe care mergeți: vă oferă aderență care face ca bicicleta să fie mai ușor de controlat, în special în zilele umede.
Ca și anvelopele de mașină, anvelopele de bicicletă nu sunt făcute din cauciuc solid: ele au un tub interior umplut cu aer comprimat (stors). Asta înseamnă că sunt mai ușoare și mai elastice, ceea ce vă oferă o călătorie mult mai confortabilă. Anvelopele pneumatice, așa cum sunt cunoscute, au fost brevetate în 1888 de către inventatorul scoțian John Boyd Dunlop.
Diferite tipuri de biciclete au diferite tipuri de anvelope.Bicicletele de curse au anvelope înguste, netede, concepute pentru viteză maximă (deși profilul lor „subțire” le conferă o rezistență mai mare la rulare), în timp ce bicicletele de munte au anvelope mai mari, mai robuste, cu benzi de rulare mai adânci, mai mult cauciuc în contact cu drumul și o aderență mai bună (deși fiind mai late creează o rezistență mai mare la aer).
De ce contează îmbrăcămintea
Frecarea este un lucru grozav în frâne și anvelope – dar este mai puțin binevenită într-o altă formă: ca rezistență a aerului care vă încetinește. Cu cât mergi mai repede, cu atât mai mult rezistența la înaintare devine aproblemă. La viteze mari, să concurezi cu o bicicletă poate fi ca și cum ai înota prin apă: poți simți cu adevărat aerul împingând împotriva ta și(așa cum am văzut deja) folosești aproximativ 80% din energia ta pentru a învinge rezistența la înaintare. Acum, o bicicletă este destul de subțire și aerodinamică, dar corpul unui ciclist este mult mai gras și mai lat.În practică, corpul unui ciclist creează o rezistență de două ori mai mare decât bicicleta sa. Acesta este motivul pentru care cicliștii poartă haine strâmte din neopren și căști ascuțite pentru a se aerodinamiza și a minimiza pierderile de energie.
Foto: Bicicletele de curse au două seturi de ghidon. Ghidonul interior permite cicliștilor să reducă rezistența aerului prin menținerea coatelor mai apropiate.Fotografie realizată de Ben A. Gonzales, prin amabilitatea US Navy.
Poate că nu ați observat, dar ghidonul unei biciclete este și el o pârghie: ghidonul mai lung oferă o pârghie care facilitează rotirea roții din față.Dar cu cât vă lăsați brațele mai depărtate, cu atât creați mai multă rezistență a aerului.De aceea, bicicletele de curse au două seturi de ghidon pentru a-l ajuta pe ciclist să adopte cea mai bună poziție, cea mai aerodinamică. Există un ghidon exterior, convențional, pentru direcție și unul interior pentru a se ține pe dreapta. Folosirea acestor ghidoane interioare forțează brațele ciclistului într-o poziție mult mai strânsă, mai aerodinamică.Majoritatea cicliștilor poartă acum căști, atât din motive de siguranță, cât și pentru îmbunătățirea aerodinamicii.
Bicicletele sunt fizică în acțiune
Să rezumăm pe scurt cu o diagramă simplă care arată toate aceste diferite părți ale științei ciclismului în acțiune:
