Много са тези, които задават този въпрос, кой велосипед да избера да използваме при всички наши пътувания?
Извън света на състезанието или по-спортната страна на колоезденето, има голям брой потребители, които използват велосипеда като редовно превозно средство, освен че се възползват от него за своите излети през уикенда и за маршрути.
В този доклад ще анализираме всички фактори, които влияят върху използването на нашето педалиране, така че ще установим разликите в търкалянето и ефективността, които ще открием, ако решим да вървим педали на шосейно колело, чакъл или планинско колело.
Няма да сте първият, който в разгара на титанични усилия, изкачвайки планински проход, е хванат от човек на гърба на планинския си велосипед, оборудван с колела с размери повече от 2 инча и го изпреварва ... в този момент те минават покрай главата ви най-странните теории за вашата физическа подготовка, качеството на вашия "кльощав" или, в най-лошия случай, търсите шума от скрития електрически мотор, който планинският велосипед би могъл да носи. Но в в повечето случаи има само причина, която го оправдава: другият велосипедист е в по-добра физическа форма от вас, тъй като, както ще видим по-долу, всеки тип велосипед изисква много различно прилагане на мощност от велосипедиста.
Дисипаторите на нашата енергия
Ако се сравним с други животни, имаме доста краткотрайна двигателна система, за да преобразуваме генерираната от нас сила в движение. Благодарение на механичното прилагане на нашата мощност, чрез лостове и зъбни колела, ние успяваме да развием много високи скорости на велосипеда, което би било немислимо да се постигне по друг начин, но това кинематично приложение не е без врагове и ограничения.
Да забравим за журналистическите цифри, които всички сме чували от Indurain, Cancellara или Froome: велосипедист, умерено обучен (от тези, които се присъединяват към Брадат лешояд всяка година), който тежи между 65 и 70 килограма и измерва между 1, 70 и 1,80 метри високи, ще прилагате, повече или по-малко непрекъснато, средна мощност от около 180 вата в тренировъчна сесия, която може да продължи 120 минути. Тази брутна мощност трябва да бъде разпределена между всички фактори, които генерират устойчивост и създават загуби при нейното приложение: аеродинамично съпротивление, механично огъване, тегло на велосипеда и съпротивление при търкаляне.
Някои основни понятия
Във физиката мощността се дефинира като количеството работа, извършена за дадена единица време. И тази "работа" ще бъде еквивалентна на енергията, необходима за придвижване на тялото, което е обект на приложението й. Сега ще видим как факторите на съпротивлението влияят на нашето движение с велосипед.
Аеродинамична устойчивост. Тя е тази, която тялото предлага на която и да е течност, а вятърът е (индуцирано съпротивление) и скоростта се умножава на квадрат по константата 0,25 (0,25 x V2) и следователно тя е право пропорционална на квадрата на скоростта. Колкото по-бързо кара велосипед, толкова по-висок е коефициентът на аеродинамично триене (CX). В конкретни моменти може да бъде повече от 60% от съпротивлението да бъде преодоляно от велосипедист, особено от около 25 км/ч.
Механично триене. Въпреки че това са данни от малко значение, не бива да пренебрегваме, че преобразуването на нашата сила на натискане към педалите чрез корони, зъбни колела и лагери има малки енергийни разходи, като най-важното е това, генерирано между веригата и короните. Във всеки случай това е почти нищожна цифра, тъй като абсорбцията на ватове от тази концепция не би надвишила двуцифрена цифра.
Твърдост. По-специално мотоциклетите, оборудвани със система за окачване, могат да видят педали, замърсени поради поглъщането на всеки импулс на педалите от амортисьорите. По същия начин, по който рамка с липса на твърдост може да поеме, във фазата на деформация на тръбите си (например, когато върти педал, изправен с енергия,), добра част от нашия импулс на сцепление по време на педалите. Колкото по-сложен е един велосипед (пълно окачване ...), толкова повече загуби поради концепцията за твърдост може да понесе.
Тегло на велосипеда. В трите закона на Нютон масата присъства при всяко преместване на тяло. Оставяме настрана всяко позоваване на ускорението и ще разгледаме само честотата на гравитационната сила, тази, която ни привлича към хипотетичен „център на земята“. Ако поддържаме убеждението, че ще управляваме само тези 180 вата от мощност, много е лесно да разберете какво се случва със съотношението тегло/мощност на велосипедист при използване на различни видове велосипеди: от 7 килограма и малко за пътен чистокръвен, до 12 за велосипед с пълно окачване (XC), минавайки за 9 на чакъл. Уравнението за оценка на използването на енергия е просто, тъй като теглото и мощта на велосипедиста са еднакви, представете си трите предположения.
- Магистрала: велосипедист 65 кг велосипед 7 кг = 72 кг. 180W/72 = 2,5 W/Kg
- Чакъл: велосипедист 65 кг велосипед 9 кг = 74 кг. 180W/74 = 2,4 W/Kg
- планина: велосипедист 65 кг велосипед 12 кг = 77 кг. 180W/72 = 2,3 W/Kg
Триене и деформация на гумите
Това е може би една от най-големите разлики между шосейно колело, чакъл и планинско колело.
С инициалите Crr идентифицира се това, което във физиката се нарича "съпротивление при търкаляне", което определя съпротивлението при напредване, когато тяло, което се търкаля по повърхността, деформира едното или и двете. Без да прилагаме коефициент на съпротивление към специфичен протектор, ако тръгваме за да играете с въздействието, което ширината (сечението) на велосипедна гума оказва върху педалите.
Гуменото надуваемо колело е изобретено през 1888 г. от Dunlop, за да бъде приложено върху велосипеда, а към 1890 г. вече е било използвано в автомобилите. През 1909 г. немският химик Хофман произвежда метилизопрен, който е основата за синтетичен каучук. Но каучукът преобладава едва през 1938 г., замествайки композитите от памучни влакна, използвани в гумите. Първата гума, направена изцяло от гума, е проектирана от Continental през 1942 година.
Външният вид на материала не се е променил съществено, но сега се използват нови съединения, които са подобрили свойствата: по-специално стирен-бутадиеновите каучуци в разтвор и заместването на сажди като пълнеж от силициев диоксид (подобряване на устойчивостта на износване и търкаляне ).
Има два физически механизма, чрез които гумата има способността да се придържа към асфалта: адхезия и деформация.
Триене чрез сцепление: произвежда се чрез молекулярни взаимодействия в контактната зона, които ще трябва да бъдат счупени, за да се даде възможност за плъзгане. На сухи и чисти повърхности това триене е много голямо, но намалява в присъствието на вещества, които предотвратяват перфектен молекулярен контакт (прах, кал, вода ...).
Деформационно триене: това се дължи на неравностите на пътната настилка, които карат каучука да се компресира и разширява последователно, причинявайки енергийни загуби поради еластична хистерезис (тенденция на материала да запази свойствата си). Важни деформации възникват и в конструкцията на гумата поради променливите сили, възникващи по време на педалиране.
Подвижен, подвижен ...
Цялата тази теория не би била от полза, ако не успяхме да намерим практическо приложение за нея, затова ще направим „статично“ сравнение на това какво означава педалиране с велосипед от всеки тип: път, чакъл и планински велосипед.
Подготвяме динамичен тест (с велосипеди, оборудвани с измервател на мощност), за да засвидетелстваме какво ни предвижда теорията, която представяме по-долу; Дотогава можем да правим заключения само на екран и може да има важни вариации в резултатите, които можем да постигнем на пътя, но засега ще използваме силов симулатор, в който сме въвели доста сложна формула, където въвеждаме фиксирани стойности, като постоянна скорост, тегло или неравности и други променливи, като коефициент на аеродинамично триене, плътност на въздуха или коефициент на триене на гумите върху асфалта. Тъй като сме журналисти и любители на педалите, предпочетохме да поверим този алгоритъм за изчисление на нашия колега Мигел Гарсия Пуенте, който е индустриален инженер и специалист в измерването на мощността на всяко устройство с колела.
Много важно
Трябва да се има предвид, че получените резултати отговарят само на прилагането на кинематични формули и формули за изчисление на сила, тъй като в действителност има много променливи фактори, които могат да имат много важно влияние за получаването на тези резултати.
Нашето упражнение може да бъде подобно на това при поставяне на велосипед на ролка, която измерва мощността и прилагане на енергия към него от електрически мотор, осигуряващ постоянна мощност. Но в момента, в който всеки фактор, който ние считаме за постоянни промени, резултатите ще се променят.
Данните от теста
Предположението, което сме използвали за изчисляване на енергията, необходима за движение с всеки от трите велосипеда, включва два сценария:
1 Педалирате 20 километра, преодолявайки падане от 200 метра (наклон 1%), поддържайки a постоянна скорост от 20 км/ч.