Rendimiento de la bicicleta

Bradley Wiggins en el amarillo Jersey, terminando el 2011 Critérium du Dauphiné.

Un trabajo pesado bicicleta de carga hecho por SCO, Dinamarca puede llevar más de 100 kilogramos (220 libras).

A rendimiento de la bicicleta, en términos biológicos y mecánicos, es extraordinariamente eficaz. En cuanto a la cantidad de energía una persona debe gastar para recorrer una distancia determinada, los investigadores han calculado que sea el más eficiente autoalimentado medios de transporte. Desde un punto de vista mecánico, hasta un 99% de la energía suministrada por el jinete en el pedales se transmite a la ruedas, aunque el uso de mecanismos de engranajes Esto puede reducir en un 10 – 15%. En cuanto a la relación de carga peso bicicleta puede llevar al peso total, también es un medio más eficiente de transporte de carga.

Eficiencia energética

Un ser humano viajando en un bicicleta 16 – 24 km/h (10 – 15 mph), utilizando únicamente la energía necesaria para caminar, es el medio más eficiente de transporte generalmente disponible. Arrastre de aire, que aumenta con el cuadrado de la velocidad, requiere cada vez más alto potencia salidas en relación con la velocidad, potencia aumenta con el cubo de la velocidad como energía equivale a fuerza veces velocidad. Una bicicleta en la que el piloto se encuentra en un posición supina se conoce como un bicicleta reclinada o, si la cubierta de una aerodinámica carenado para alcanzar un aire muy baja fricción, como una perfil aerodinámico.

Bicicletas de carreras son ligeros en peso, permite gratis movimiento de las piernas, mantener el ciclista en una posición aerodinámica cómodamente y velocidades característica alta y baja resistencia a la rodadura.

En tierra firme y plana, una persona de 70 kg (150 lb) requiere unos 60 vatios caminar a 5 km/h (3,1 mph). Esa misma persona en una bicicleta, en el mismo suelo, con la misma potencia de salida, puede tener como promedio 15 km/h (9,3 km/h), gasto de energía tanto en términos de kcal/(kg·km) es aproximadamente un tercio tanto. Generalmente son figuras usadas

• 1.62 kJ/(km∙kg) o kcal/(mi∙lb) 0.28 para el ciclismo,
• kJ/(km∙kg) 3.78 o 0.653 kcal/(mi∙lb) para caminar/correr,
• kJ/(km∙kg) 16,96 o 2,93 kcal/(mi∙lb) para la natación.

Los corredores aficionados bicicleta pueden producir normalmente 3 vatios/kg durante más de una hora (por ejemplo, alrededor de 210 vatios para un ciclista de 70 kg), con los aficionados superiores produciendo 5 W/kg y los atletas de élite alcanzar 6 W/kg para las longitudes similares de tiempo. Pista élite velocistas son capaces de alcanzar una producción máxima instantánea de alrededor de 2.000 vatios o superiores a 25 W/kg; los ciclistas de carretera Elite pueden producir 1.600 a 1.700 watts como una máxima instantánea en su estallido a la línea de meta al final de una carrera larga de cinco horas. Incluso a velocidad moderada, se gasta más energía en la superación de la aerodinámica Arrastre la fuerza, que aumenta con el cuadrado de la velocidad. Así, la potencia necesaria para vencer la resistencia aumenta con el cubo de la velocidad.

Velocidades típicas

En un entorno urbano, hay no hay velocidades típicas para una persona en bicicleta; un anciano en un estilo sentarse-para arriba-y-beg Roadster podría hacer menos de 10 km/h (6,2 mph) mientras que un instalador, persona joven podría fácilmente hacerlo dos veces en la misma bicicleta. Para ciclistas de Copenhague, la velocidad media de ciclismo es 15.5 km/h (9,6 mph).

En un rápido bicicleta de carreras, un jinete razonablemente bien puede montar a 50 km/h (31 mph) en terreno plano por períodos cortos.

Ciclismo récords de velocidad

La velocidad más alta registrada oficialmente para cualquier vehículo de propulsión humana (HPV) al nivel del suelo y con vientos de calmados y sin ayudas externas (como motor de estimulación y viento-blocks) ocupa 133,78 km/h (83,13 mph) en 2013 por Sebastiaan Bowier en el VeloX3, una bicicleta reclinada aerodinámica. En el 1989 Carrera a través de América, un grupo de HPVs cruzó los Estados Unidos en apenas 5 días. La velocidad más alta registrada oficialmente para bicicleta montada en una posición vertical convencional en condiciones totalmente carenadas era 82,52 km/h (51,28 mph) más de 200 metros. Que el expediente fue fijado en 1986 por Jim Glover en una Moulton AM7 en el 3er Simposio científico internacional HPV en Vancouver.

Peso vs potencia

Ha habido gran competencia corporativa para bajar el peso de las carreras de motos. Ruedas están disponibles con comparativamente inferior fricción rodamientos y otras características para reducir la resistencia, sin embargo en midió las pruebas Estos componentes casi no tienen efecto sobre ciclismo rendimiento al montar en terreno plano. El UCI establece un límite en el peso mínimo de las bicicletas para ser utilizado en carreras de sancionados, para desalentar la fabricación estructuras tan delgado que se convierten en peligrosos. Por estos motivos diseños recientes se han concentrado en reducir el viento resistencia utilizando aerodinámico con forma de tubo, plano radios en las ruedas, y manillar la posición del jinete torso y brazos para fricción mínima. Estos cambios pueden afectar dramáticamente rendimiento, minutos de corte fuera una contrarreloj. Menos peso se traduce en mayor ahorro de tiempo en terreno ascendente.

Energía cinética de un disco giratorio

Considerar la energía cinética y"giratorio masa"de un bicicleta con el fin de examinar los impactos de la energía de rotación versus no-giratorio masa.

La energía cinética traslacional de un objeto en movimiento es:

$E = \tfrac{1}{2}mv^2$,

Donde $E$ es la energía en julios, $m$ es la masa en kg, y $v$ es velocidad en metros por segundo. Para una masa rotatoria (por ejemplo, una rueda), la energía cinética rotacional es dada por

$E = \tfrac{1}{2}I \omega^2$,

donde $I$ es el momento de inercia, $\omega$ (Pronunciación: omega) es el velocidad angular en radianes por segundo. Para una rueda con toda su masa en el borde externo (una aproximación razonable para una rueda de bicicleta), es el momento de inercia

$I = m r^2$.

Donde $r$ es el radio en metros

La velocidad angular está relacionada con la velocidad de traslación y el radio de la llanta. Mientras no hay ningún deslizamiento,

$\omega = \frac{v}{r}$.

Cuando una masa rotatoria va por el camino, su energía cinética total es la suma de su energía cinética traslacional y su energía cinética rotacional:

$E = \tfrac{1}{2}mv^2 + \tfrac{1}{2}I\omega^2$

Sustituyendo a $I$ y $\omega$, obtenemos

$E = \tfrac{1}{2}mv^2 + \tfrac{1}{2}mr^2 \cdot \frac{v^2}{r^2}$

El $r^2$ términos cancelación, y finalmente llegamos a

$E = \tfrac{1}{2}mv^2 + \tfrac{1}{2}mv^2 = mv^2$.

En otras palabras, una masa en el neumático tiene dos veces la energía cinética de una masa no-giratorio en la bicicleta. Por supuesto, todo esto depende de cuán bien un aro fino aproxima a la rueda de bicicleta. En realidad, no puede ser toda la masa en el radio. En comparación, el extremo opuesto puede ser una rueda de disco donde la masa se distribuye uniformemente en todo el interior. En este caso $I = \tfrac{1}{2}m r^2$ y así se convierte la energía cinética total resultante $E = \tfrac{1}{2}mv^2 + \tfrac{1}{4}mv^2 = \tfrac{3}{4}mv^2$. Una libra de las ruedas de disco = sólo 1,5 kilos fuera del marco. Ruedas de bicicleta más reales será en algún lugar entre estos dos extremos.

Otro punto interesante de esta ecuación es que para un rueda de bicicleta que no se escapa, la energía cinética es independiente del radio de la rueda. En otras palabras, la ventaja de 650C u otras ruedas más pequeñas es debido a su bajo peso (menos material en un más pequeño circunferencia) en lugar de los más pequeños diámetro, como se indica a menudo. El KE para otras masas giratorias en la moto es pequeña comparada con la de las ruedas. Por ejemplo, pedales gire en sobre $\tfrac{1}{5}$ la velocidad de las ruedas, así su KE se trata $\tfrac{1}{25}$ (por unidad de peso) de una rueca. Como su centro de masa se convierte en un radio más pequeño, esto es aún más reducido.

Convertir a kilocalorías

Suponiendo que una rueda giratoria puede ser tratada como la masa del borde y neumático y 2/3 de la masa de los rayos, en el centro del llanta/neumático. Para un jinete de 180 lb (82 kg) en bicicleta (8 kg) 18 libras (90 kg total) a 25 mph (40 km/h; 11.2 m/s), es la KE 5625 julios para el ciclista/plus 94 julios por una rueda giratoria (combinado 1,5 kg de llantas/neumáticos/radios). Conversión de julios a kilocalorías (multiplicar por 0.0002389) da (1,4) kilocaloríascalorías nutricionales).

Esos 1,4 kilocalorías son la energía necesaria para acelerar desde un punto muerto, o el calor que disipada por los frenos para detener la bicicleta. Son kilocalorías, así 1,4 kilocalorías calentará 1 kg de agua 1,4 grados centígrados. Desde del aluminio capacidad de calor es del 21% de agua, esta cantidad de energía que calor 800 g de llantas de aleación 8 ° C (15 ° F) en una parada rápida. Llantas no consigue muy calientes de parar en terreno plano. Para obtener los gastos energéticos del jinete, considera el factor de eficiencia de 24% a 5,8 kilocalorías, acelerando un ciclista a 25 mph (40 km/h) requiere aproximadamente el 0,5% de la energía requerida para montar en 25 mph (40 km/h) durante una hora. Este gasto de energía llevaría a cabo en aproximadamente 15 segundos, a una velocidad de aproximadamente 0,4 kilocalorías por segundo, mientras estado estacionario montar a caballo en 25 mph (40 km/h) requiere 0,3 kilocalorías por segundo.

Ventajas de las ruedas ligeras

La ventaja de bicicletas luz y ruedas especialmente ligeras, desde un punto de vista KE es eso KE sólo entra en juego cuando los cambios de velocidad, y ciertamente hay dos casos donde las ruedas más ligeras deberían tener una ventaja: sprints, y esquina salta en un Criterium.

En un sprint de 250 m de 36 a 47 km/h (22 a 29 mph), un ciclista de 90 kg con 1,75 kg de llantas/neumáticos/radios aumenta KE 6.360 julios (6,4 kilocalorías quemados). 500 g de los radios/neumáticos/llantas de afeitar reduce esta KE por 35 julios (1 Kilocaloría = 1.163 vatio-hora). El impacto de este peso en velocidad o distancia es difícil de calcular y requiere suposiciones sobre distancia sprint y salida de energía de jinete. El Ciclismo analítica web site Este cálculo permite y da una ventaja de tiempo y distancia de 0.16 s/188 cm para un velocista que afeita 500 g de sus ruedas. Si ese peso fui a hacer una rueda aero que valía la pena 0,03 mph (0.05 km/h) en 25 mph (40 km/h), el ahorro de peso podría ser cancelado por el aerodinámica ventaja. Para referencia, valen las mejores ruedas de bicicleta Aero-acerca de 0,4 mph (0.6 km/h) a los 25 y en este sprint le ganaría cómodamente un conjunto de ruedas que pesen menos de 500 g.

En una carrera criterium, un jinete es a menudo saltando de cada esquina. Si el jinete tiene que entrar en cada esquina (no desembarcaron para ralentizar) de freno, el KE que se agrega en cada salto se pierde como calor en el frenado. Para un piso Crit a 40 km/h, km 1 circuito4 esquinas por vuelta, pérdida de velocidad de 10 km/h en cada esquina, una hora de duración, 80 kg jinete/6.5 kg bicicleta/1.75 kg llantas/neumáticos/radios, habría 160 esquina salta. Este esfuerzo suma 387 kilocalorías a las 1100 kilocalorías necesarias para el mismo viaje a velocidad constante. Retirar 500 g de las ruedas, reduce el requisito de energía total del cuerpo por 4,4 kilocalorías. Si la g 500 extra en las ruedas había resultado en una reducción de 0,3% de factor de aerodinámica (vale la pena un 0,02 mph (0.03 km/h) aumento de la velocidad a 25 mph), se cancelará el costo calórico del efecto peso añadido por el reducido trabajo para superar el viento.

Otro lugar donde ruedas luz se dice que tienen la gran ventaja es en la escalada. Aunque uno puede escuchar expresiones tales como "estas ruedas valían 1 – 2 mph", etc.. La fórmula para potencia indica que 1 lb salvada la pena 0,06 mph (0.1 km/h) en un 7% grado, y ni siquiera un ahorro de 4 lb sólo vale la pena 0,25 mph (0.4 km/h) para un conductor de luz. Entonces, ¿dónde está el gran ahorro en la reducción de peso rueda procedente? Un argumento es que no hay ninguna tal mejoría; que es"efecto placebo". Pero se ha propuesto que la variación de la velocidad con cada uno pedal movimiento cuando montar encima de una colina, explica una gran ventaja. Sin embargo se conserva la energía de la variación de la velocidad; durante la alimentación fase de pedalear la bicicleta acelera ligeramente, que almacena KE, y en el "punto muerto" en la parte superior de la carrera del pedal la moto se ralentiza, que recupera esa KE. Por lo tanto mayor masa rotatoria puede reducir ligeramente las variaciones de velocidad, pero no añade requerimiento energético más allá de la misma masa estático.

Bicicletas más ligeras son más fáciles de subir colinas, pero el costo de la "masa giratoria" es sólo un tema durante una rápida aceleración y aun así es pequeño.

Energía aerodinámica vs

Acalorados debates sobre la importancia relativa de ahorro de peso y aerodinámica son un accesorio en Ciclismo. Esto es un intento al menos las piezas basadas en la ecuación del debate que se clarifica. Siempre habrá quienes sostienen que "la experiencia supera las matemáticas" sobre este tema, así que esto va a intentar destacar aquellas zonas donde experiencia podría estar en desacuerdo con las matemáticas. De esto, tal vez más discusión puede centrarse en los temas de controversia en lugar de cuestionar la física conocida. Para ser claros como sea posible, esto cubrirá 1) los requisitos de energía para mover un ciclista, 2) el costo energético de aceleración y luego 3) por qué la experiencia y las matemáticas pueden estar en desacuerdo.

Energía requerida

Hay una ecuación conocida que da la potencia necesaria para impulsar una bicicleta y jinete a través del aire y para superar la fricción del tren de la impulsión:

$P = g m V_g (K_1+s) + K_2 V_a^2 V_g$,

donde $P$ está en vatios, $g$ es Gravedad de la tierra, $V_g$ es la velocidad (m/s), $m$ ciclista/masa en kg, $s$ es el grado (m/m), y $V_a$ es la velocidad del ciclista a través del aire (m/s). $K_1$ es una constante agrupan para todos friccional las pérdidas (llantas, rodamientos, cadena) y se divulga generalmente con un valor de 0.0053. $K_2$ es una constante agrupan de aerodinámica y se divulga generalmente con un valor de 0,185 kg/m. Si no hay viento, $V_g=V_a$ y el resultado se simplifica a:

$P = g m V_g (K_1+s) + K_2 V_g^3$,

que es proporcional a la velocidad al cubo en su término principal.

Tenga en cuenta que la potencia necesaria para vencer la fricción y la gravedad es proporcional solamente al peso del ciclista y velocidad. La aerodinámica es aproximadamente proporcional al cuadrado de la velocidad relativa del aire y la moto. Siendo que el requisito de potencia total para impulsar la bicicleta hacia adelante es una suma de estas dos variables multiplicada por la velocidad, el grado de proporcionalidad entre el requisito de potencia y velocidad varía según su magnitud relativa, en un intervalo entre la lineal y cubo: a altas velocidades (caballo rápido en un camino plano) energía requerida será cerca de ser una función de cubo de la velocidad, a velocidades más bajas (subir una colina empinada) será muy cerca de ser una función lineal de la velocidad.

El cuerpo humano funciona en aproximadamente el 24% eficiencia para un atleta relativamente en forma, así que para todos los kilojulios entregan a los pedales el cuerpo consume 1 kcal (4.2 kJ) de energía del alimento.

Obviamente, ambos de las agrupan constantes de esta ecuación dependen de muchas variables, incluyendo la eficiencia del tren de la impulsión, posición del piloto y arrastre, equipo aerodinámico, presión de los neumáticos, y superficie de la carretera. Asimismo, reconocen que la velocidad del aire no es constante en velocidad o dirección o fácilmente medibles. Es sin duda razonable que la aerodinámica agrupan constante sería diferente en cruz vientos o vientos de cola que en viento directo, como el perfil del que bicicleta/jinete presenta al viento es diferente en cada situación. También, velocidad del viento como se ve por el ciclista/no es uniforme excepto en condiciones de cero viento. Informe del clima velocidad del viento se mide a cierta distancia por encima del suelo en el aire libre sin obstruir los árboles o edificios cercanos. Sin embargo, por definición, la velocidad del viento es siempre cero a la derecha en la superficie de la carretera. Asumiendo una velocidad del viento único y una sola agrupan arrastre constante es sólo dos de los supuestos simplificación de esta ecuación. Dynamicists de fluidos computacionales han analizado esta bicicleta modelado problema y resultaba difícil modelo bien. En términos sencillos, esto significa que pueden desarrollar modelos mucho más sofisticados, pero aún tienen suposiciones de simplificación.

Dada esta ecuación simplificada, sin embargo, uno puede calcular algunos valores de interés. Por ejemplo, suponiendo que no hay viento, uno obtiene los siguientes resultados para kilocalorías requeridas y la potencia entregada a los pedales (vatios):

• 175 W para una bicicleta de 90 kg + jinete a 9 m/s (32 km/h o mph 20) sobre el piso (76% del esfuerzo por superar la aerodinámica), o 2,6 m/s (a 9.4 km/h o mph 5,8) en una nota de 7% (2,1% del esfuerzo por superar la aerodinámica).

• 300 W para una bicicleta de 90 kg + jinete en el 11 m/s (40 km/h o mph 25) sobre el piso (83% del esfuerzo por superar la aerodinámica) o 4,3 m/s (15 km/h o mph 9,5) en una nota de 7% (4,2% del esfuerzo por superar la aerodinámica).

• 165 W para una bicicleta de 65 kg + jinete a 9 m/s (32 km/h o mph 20) sobre el piso (82% de esfuerzo por superar la aerodinámica), o 3,3 m/s (12 km/h o mph 7,4) en una nota de 7% (3,7% del esfuerzo por superar la aerodinámica).

• 285 W para una bicicleta de 65 kg + jinete en el 11 m/s (40 km/h o mph 25) sobre el piso (87% del esfuerzo por superar la aerodinámica) o 5,3 m/s (a 19 km/h o mph 12) en un 7% de grado (6.1% de esfuerzo por superar la aerodinámica).

Afeitado 1 kg el peso del bicicleta/jinete aumentaría la velocidad por 0,01 m/s a 9 m/s en el piso (5 segundos en un 32 km/h (20 mph), 40 kilómetros (25 millas) TT). Perder 1 kg en un grado 7% valdría 0.04 m/s (90 kg bicicleta + jinete) 0.07 m/s (65 kg bicicleta + jinete). Si uno subido durante 1 hora, 1 lb de ahorro ganaría entre 69 metros (225) y 110 m (350 pies) – menos efecto para el jinete combinación + bicicleta más pesado (por ejemplo, 0,06 km/h (0,04 mph) * 1 h * 1.600 m (5.200 pies)/mi = 69 m (226 pies)). Para referencia, las grandes subidas en el Tour de Francia tiene los siguientes grados promedio:

• Tourmalet = 7%
• Galibier = 7,5%
• Alpe d ' Huez = 8,6%
• Mont Ventoux = 7,1%.

La ecuación puede dividirse en poder del nivel del suelo

$P_{level} = g m V_g K_1 + K_2 V_a^2 V_g$,

y poder escalada vertical dada por

$P_{climbing} = mg(h/t) \approx gm (V_g s)$.

Coste de energía de aceleración

$P_{accelerating} = m*a*V$

Véase también

• Bicicleta
• Dinámica de bicicletas y motocicletas
• Ciclismo medidor de potencia
• Ciclocomputador
• Lista de temas de ciclismo

Enlaces externos

• Simulación basado en la física de rendimiento de carrera de bicicleta

Otras Páginas

• Placida de Eupithecia
• Es tan Raven (temporada 1)
• Qwest Corporation (redireccion de montana Estados telefono y telegrafo)