Влияет ли передаточное число на мощность?

Позвольте мне предисловие, сказав, что это не может быть правильным SE. Я подумал о том, чтобы спросить о Physics SE, но подумал, что я мог бы попробовать здесь сначала. Если это не так, я не против того, чтобы его перенесли.

Исходя из базовых принципов физики, сила рассчитывается как работа / время. Итак, рассмотрим систему наездника и велосипеда, поднимающуюся на холм. Проделанная работа - это разница в потенциале снизу вверх, и, очевидно, время будет временем подъема.

Теперь мой вопрос:

При одинаковом гонщике, одинаковом весе велосипеда и времени набора высоты ваша передача влияет на мощность? Также предположим, что набор высоты эффективен, отсутствие проскальзывания шин, нормальное вращение педалей и т. Д.

С физической точки зрения, я ожидаю, что ответ - нет. Та же разница потенциалов, то же время, та же сила. Тем не менее, с точки зрения гонщика, я знаю, что кажется, что гораздо больше энергии используется для подъема с более тяжелым соотношением.

Я ожидаю, что ответ заключается в том, что несоответствие происходит от идеализации системы. Если мы считаем велосипед закрытой системой, мы ожидаем, что вся энергия, вложенная в велосипед, уносит его в гору, но это не так. Более того, я думаю, что неэффективность человеческого организма будет актуальной. Тем не менее, я до сих пор не могу решить вопрос.

Я подозреваю, что вы имеете в виду эффективность, а не мощность.

По моему мнению, основной компромисс заключается в увеличении биомеханических потерь при более высоких оборотах (в основном, трения мышц) и снижении кровотока с более высокими силами при более низких оборотах. Баланс зависит как от гонщика, так и от продолжительности.

В « Журнале человеческой силы» IHPVA номер 45 (pdf, индекс здесь ) - статья под названием «Максимальная сила человека», в которой говорится о том, что Тайлер Гамильтон выиграл восхождение на гору Вашингтон за 51 минуту:

«Он проехал большую часть подъема в зубце с 23 зубами и сделал несколько скачков в 21». Если бы у него были 700-миллиметровые колеса, как кажется вероятным, его средняя частота вращения педалей была бы равна 63 об / мин.

Вся статья заслуживает прочтения, и, возможно, стоит поискать в индексе похожие статьи.

С другой стороны, в финальном спринте верхние спринтеры часто идут со скоростью более 150 об / мин. В этот момент они обменивают биомеханическую эффективность на пиковую мощность. Я имел пиковую мощность более 900 Вт в течение 10 секунд (> 8 Вт / кг) при скорости около 130 об / мин, но моя часовая производительность около 350 Вт использовала частоту около 80-90 об / мин.

Реальный ответ зависит от вас. Это будет зависеть от вашей формы тела, типа мышц, физической формы и других переходных факторов. На этот вопрос также лучше всего ответить экспериментально, и он должен быть частью вашего расписания тренировок, если вы участвуете в соревнованиях. Если нет, то я советую находить подъем, на котором вы регулярно катаетесь, и вести дневник тренировок .

Также было много дискуссий по поводу гидратации для длинных подъемов. Лучше ли увлажнять и начинать тяжелее, или бегать немного обезвоженным, чтобы вы весили меньше? IIRC пришел к выводу, что увлажнение было лучше, но я не могу найти ссылку.

При одинаковом гонщике, одинаковом весе велосипеда и времени набора высоты ваша передача влияет на мощность? Также предположим, что набор высоты эффективен, отсутствие проскальзывания шин, нормальное вращение педалей и т. Д.

Ну, это зависит от того, какую "мощность" вы измеряете :-).

Очевидно, что мощность велосипеда в целом одинакова - если он движется с одинаковой скоростью, это та же сила.

Однако сила, которую проявляет ваше тело, может быть различной по ряду причин:

• Мышцы, вероятно, имеют уровень скорости и силы там, где они наиболее эффективны, поэтому химическая энергия / сила, которую ваше тело должно приложить для создания мышечного движения, будет другой.
• Различные процессы потери энергии из-за изгиба, трения и т. Д., Вероятно, будут различными в зависимости от зацепления. Например, на более низких передачах будет более быстрое движение цепи (таким образом, большее трение), с другой стороны, натяжение цепи будет ниже, что, вероятно, уменьшает трение. Кроме того, в более низких передачах изгиб рамы в ответ на усилия цепи, вероятно, будет ниже.

У меня сложилось впечатление (хотя у меня нет источников, чтобы поддержать меня), что в целом человеческая система является наиболее энергоэффективной (то есть наилучшим соотношением мощности педали к нагрузке) при частоте вращения около 90-100 об / мин, так что велосипедист должен это делать. стремиться к.

Интересно, что лучшая частота вращения педалей для максимальной мощности, по-видимому, намного ниже, поэтому профессиональные велосипедисты будут использовать высокие скорости и низкие частоты вращения для спринтов - однако это намного более утомительно, чем более высокие частоты вращения , поэтому неэффективно на больших расстояниях.

Может быть, это разница между тем, что вы называете «изотонической» и « изометрической » работой?

Я имею в виду, что, например, человеку нужно приложить немало усилий (силы, силы или работы), чтобы попытаться переместить неподвижный объект: толкнуть стену или что-то в этом роде.

На слишком высокой передаче вы толкаете, толкаете и уходите в никуда (много энергии, чтобы идти в никуда => 0% эффективности).

На слишком низкой передаче это слишком просто: вы вращаетесь без сопротивления; Ваша скорость вращения ограничена ~ 120 об / мин или около того, т.е. не может увеличиваться бесконечно; поэтому (низкая сила и ограниченное число оборотов в минуту) вы ограничены в количестве вырабатываемой мощности (это меньше, чем ваша теоретическая максимальная мощность).

Возможно, есть эффективная « частота вращения педалей » (возможно, 90 оборотов в минуту), которую вы можете использовать на любой местности (вверх, вниз, уровень), и правильная вещь (правильный способ использования ваших передач) состоит в том, чтобы постоянно регулировать передачу для рельеф местности для: а) поддержания некоторой постоянной, эффективной частоты вращения педалей (например, 90 об / мин); b) поддерживать достаточно высокую выходную мощность / мощность при этой частоте (например, если это кажется слишком легким, переключитесь на более высокую передачу или если это слишком сложно, то переключитесь на более низкую передачу, чтобы сохранить частоту).

Конечно, передаточное число влияет на «потенциальную» мощность, которую вы можете производить. Примите максимальное мышечное усилие, чтобы подняться на крутой холм. Пренебрегая трением цепи и другими побочными эффектами, вы будете идти в гору быстрее всех с максимальной мощностью, которую могут развить ваши мышцы. Обратите внимание, что мощность = kx крутящий момент x частота вращения педалей (где k - это просто постоянная величина, определяющая единицы мощности (ватты, мощность и т. Д.). Допустим, вы едете на слишком высокой передаче, поэтому вы не можете двигаться вперед на холм (ваша частота вращения педалей равна 0). При скорости вращения педалей 0 ваш максимальный крутящий момент может быть максимальным, а ваша мощность равна 0. По мере увеличения частоты вращения педалей (путем снижения передаточного числа) ваш крутящий момент уменьшается. частота вращения педалей (которая пропорциональна мощности) увеличивается. По мере того как вы продолжаете увеличивать частоту вращения педалей, снижая передаточное число, вы в конечном итоге достигнете энергетически оптимальной частоты вращения педалей (EOC). В EOC сила, которую могут развить ваши мышцы, максимальна. Увеличение частоты вращения выше EOC уменьшает вашу максимальную потенциальную мощность.

Итог: выберите такое передаточное число, которое позволит вам вращаться как можно ближе к EOC. Вы будете взбираться на крутой холм быстрее всего в этой частоте.

Примечание. Кривая зависимости мощности от частоты вращения педалей выглядит как перевернутая парабола. Это прямой результат работы, проделанной Арчибальдом Вивианом Хиллом, который получил Нобелевскую премию за свою работу над этой и многими другими темами в биофизике. Также обратите внимание, что максимальная выносливость, вероятно, происходит при частоте меньше, чем EOC.

Здесь есть несколько факторов, поэтому любой ответ не прост. Во-первых, как отметил Леон, вы получаете нулевую мощность на колеса, когда передача настолько жесткая, что вы не можете двигаться. И вы получаете невероятно малую мощность на колеса, когда передаточное число настолько легкое, что вы вращаетесь со скоростью 200 об / мин.

Но что более важно, СРЕДНЯЯ сила в течение определенного периода времени сильно зависит от деталей работы мышц. Прежде всего, есть аэробные и анаэробные упражнения. Со средним райдером с нормальным уровнем сахара в крови любая езда выше примерно 80 об / мин будет в основном аэробной, а любая (на полпути) езда ниже примерно 60 об / мин будет иметь большой анаэробный результат. Аэробные упражнения сжигают уровень сахара в крови, но анаэробные упражнения сжигают гликоген, хранящийся в мышцах.

В течение коротких периодов времени (насколько коротких, в зависимости от того, насколько интенсивны упражнения и интенсивность кровотока), мышцы с хорошим здоровьем могут сжигать гликоген примерно так же эффективно, как глюкоза в крови, но количество гликогена, хранящегося в мышцах, достаточно для 15-30 минут высокоинтенсивных упражнений (хотя с тренировками, специально нацеленными на увеличение запасов гликогена в организме, их можно увеличить до нескольких часов).

Таким образом, езда на «сложной» передаче, которая производит низкие обороты, быстрее истощает мышечный гликоген и приводит к более быстрой усталости. И очевидно, что когда вы утомляетесь, ваша выходная мощность падает. (И, конечно же, езда со слишком «легкой» передачей приводит к чрезмерно высоким оборотам, а «оптимальное» число оборотов у среднего гонщика, как правило, ниже 100.) В промежутке вы теряете скромное потребление гликогена по сравнению с несколько увеличенной мышечной силой, которую вы можно получить, задействуя «медленные подергивания» мышц и некоторые другие факторы. (Имейте в виду, что вам нужен гликоген для коротких ситуаций с высокой нагрузкой, например, для подъема по короткому крутому склону без переключения с понижением. В некоторых случаях вы можете повредить мышцы, если гликоген полностью истощен.)

(И есть также смысл учитывать, что у восприимчивых людей можно вызвать травму колена, если постоянно использовать слишком сложную передачу).

Насколько я понимаю, это не должно быть. Самое простое объяснение состоит в том, что выходная мощность равна мощности в разы эффективности (эффективность - это потеря энергии из-за трения, сопротивления воздуха, сопротивления качению, нагрева и т. Д.). Смена передач не влияет на мощность (эта часть полностью на вас), а также не влияет на механическую эффективность. Следовательно, выходная мощность не изменяется.

Чуть глубже, мощность - это общая работа, выполненная за общее время ( P_avg = ΔW/Δt). В этом случае, мы рассматриваем это в течение одинаковых периодов времени, так что Δtявляется постоянным. В контексте вращения W- это крутящий момент (сила вращения), приложенный к угловой скорости (скорость вращения), или W = τθ. Передача будет изменять только соотношение между крутящим моментом и угловой скоростью, поддерживая постоянную производительность. Другими словами, переход на более высокую передачу может потребовать вдвое большего крутящего момента, но педали будут вращаться вдвое быстрее. Более низкая передача может позволить вам вращаться в два раза быстрее, но вы будете использовать половину крутящего момента. Поскольку выходная мощность одинакова, выходная мощность одинакова.

Как это влияет на скорость вращения колеса? Что ж, то же самое W = τθкасается и ваших колес, но в обратном направлении (ваши колеса видят это задом наперед: представьте, вращали ли вы педаль, и колеса были прикреплены к нижнему кронштейну). Более низкая передача создаст больший крутящий момент на колесах (обеспечивая высокое ускорение), но, соответственно, имеет низкую угловую скорость (скорость вращения). Более высокая передача не вызовет большого крутящего момента на колесах (именно поэтому так трудно разогнаться), но заставит их вращаться как сумасшедшие. Таким образом, в идеале, если вы играете на максимальной скорости, вы получите максимальную скорость.

Однако именно здесь человеческое тело вступает в игру. У нас есть две взаимодополняющие системы для выработки энергии: сердечно-сосудистая система, которая вырабатывает меньше энергии, но на очень длительный период, и мышечная система, которая выделяется при вырабатывании высокой мощности, но только в течение короткого периода времени. В идеале, когда вы не спринте, вы хотите, чтобы обе системы производили столько энергии, сколько они могут выдержать. Сумма этой мощности (минус потери эффективности) будет вашей общей выходной мощностью, а изменение высоты, сопротивление качению и ваша аэродинамика определят, какая пропорция этого выхода будет в конечном итоге использоваться для крутящего момента в зависимости от расстояния (и, следовательно, вашего передаточного числа) ,

Надеюсь, это поможет.

Нет, передаточные числа и коэффициенты усиления не влияют на мощность. Хотя вы правы, предполагая, что это будет отличаться от гонщика, если три другие переменные равны, то мощность будет такой же. В этом случае в «более простом» передаточном числе частота вращения педалей будет требовать значительного увеличения для поддержания того же времени набора скорости (скорости), а если гонщик идентичен, то скорость работы идентична. Увеличение скорости вращения педалей составляет разницу в расходе мощности по сравнению с «более жесткой» передачей при более низкой частоте вращения педалей.