Чи впливає передаточне число на потужність?

Дозвольте мені передмовити, сказавши, що це може бути не правильним ПП. Я розглядав питання про фізику SE, але думав, що спробую спершу спробувати. Якщо це неправильно, я не проти його міграції.

З основних принципів фізики сила обчислюється як робота / час. Тому розглянемо систему вершників та велосипедів, що піднімаються на пагорб. Проведена робота полягає в різниці потенціалу знизу вгору, і очевидно, що час буде часом підйому.

Тепер моє питання:

З огляду на того ж гонщика, однакову вагу велосипеда та той самий час підйому, чи впливає ваша передача на потужність? Також припустимо, що підйом є ефективним, відсутність ковзаючих шин, нормальне педалювання тощо.

З фізичної точки зору, я очікую, що відповідь - ні. Однакова різниця потенціалів, однаковий час, однакова сила. Однак, з точки зору вершника, я знаю, що він впевнено відчуває, що використовується набагато більше енергії для підйому з більш жорстким співвідношенням.

Я очікую, що відповідь полягає в тому, що невідповідність виходить від ідеалізації системи. Якщо ми вважаємо велосипед закритою системою, ми очікуємо, що вся енергія, що вкладається в велосипед, переносить його на гору, але це не так. Більше того, я думаю, що неефективність людського організму буде актуальною. Однак я все ще не можу вирішити це питання.

Я підозрюю, що ви маєте на увазі ефективність, а не потужність.

На мою думку, головний компроміс полягає у збільшенні біомеханічних втрат при більшій об / хв (в основному м'язове тертя) та зменшенні кровотоку з більшими силами при менших об / хв. Баланс залежить як від вершника, так і від тривалості.

У журналі IHPVA Journal of Human Power, Issue 45 (pdf, тут є покажчик ) - це стаття під назвою "Максимальна людська сила", де вони говорять про те, щоб Тайлер Гамільтон переміг у підйомі на вершину Вашингтона за 51 хвилину:

"Однак він проїхав значну частину сходження в зубці з 23 зубами, і здійснив кілька скачок у 21." Якби він мав 700-мм колеса, як це здається ймовірним, його середня каденція склала б 63 об / хв.

Цілу статтю варто прочитати, і вона може заплатити за перегляд індексу для аналогічних робіт.

Зворотний бік полягає в тому, що верхні спринтери часто йдуть значно більше 150 об / хв у фінальному спринті. У цей момент вони торгують біомеханічною ефективністю для пікової потужності. Раніше я максимум на 900 Вт протягом 10 секунд (> 8 Вт / кг) близько 130 об / хв, але моя годинна продуктивність близько 350 Вт використовувала каденцію приблизно 80-90 об / хв.

Справжня відповідь конкретна саме для вас. Це буде залежати від форми вашого тіла, типу м’язів, фітнесу та інших перехідних факторів. Це також найкраще відповідь експерименту, і він повинен бути частиною вашого графіку tr4aining, якщо ви змагаєтесь. Якщо ні, то пропоную знайти сходження, на якому ви їдете регулярно і ведете щоденник навчання .

Також було багато дискусій щодо гідратації для тривалих підйомів. Чи краще гідратацію і починати важче, або бігати трохи зневодненою, щоб менше важити? Висновок IIRC полягав у тому, що гідратація була кращою, але я не можу знайти посилання.

З огляду на того ж гонщика, однакову вагу велосипеда та той самий час підйому, чи впливає ваша передача на потужність? Також припустимо, що підйом є ефективним, відсутність ковзаючих шин, нормальне педалювання тощо.

Ну, це залежить від того, яку "потужність" ви вимірюєте :-).

Очевидно, що сила, яку здійснює велосипед в цілому, однакова - якщо він рухається з однаковою швидкістю, це одна і та ж сила.

Однак сила, яку надає ваш організм, може бути різною з різних причин:

• М’язи, мабуть, мають швидкість і рівень сили там, де вони є найбільш ефективними, тому хімічна енергія / сила, яку повинен накласти ваш організм, щоб виробляти рух м’язів, буде різною.
• Різні процеси втрат енергії внаслідок згинання, тертя тощо, ймовірно, будуть різними залежно від передач. Наприклад, у нижчих передачах буде швидше рух ланцюга (таким чином, більше тертя), з іншого боку, натяг ланцюга буде нижчим, що, ймовірно, зменшить тертя. Також у нижчих передачах згинання рами у відповідь на сили ланцюга, ймовірно, буде нижчим.

Моє враження: (хоча у мене немає джерел, які б мені підкріплювали), що в цілому людська система є найбільш енергоефективною (тобто найкращим співвідношенням потужності педалі до напруги) при частотах близько 90-100 об / хв, тому ось що повинен робити велосипедист прагнути до.

Цікаво, що найкраща каденція для максимальної потужності, мабуть, набагато нижча, тому проциклісти використовуватимуть високі передачі та низькі каденції для спринтів - однак це набагато стомніше, ніж більш високі каденції, настільки неефективні на великих відстанях.

Можливо, це різниця між, як ви це називаєте, "ізотонічною" проти " ізометричної " роботою?

Я маю на увазі те, що, наприклад, людині потрібно багато зусиль (сили, сили чи роботи), щоб спробувати перемістити нерухомий предмет: натиснути на стіну чи щось таке.

На занадто високій передачі ви натискаєте і штовхаєте і не рухаєтеся нікуди (велика кількість енергії нікуди => 0% ефективності).

На занадто низькій передачі це занадто просто: ви крутитеся без опору; швидкість віджиму обмежена приблизно 120 об / хв, тобто не може збільшуватися нескінченно; отже, (низька сила і обмежений оберт) ви обмежені в потужності, яку ви виставляєте (це менше, ніж ваша теоретична максимальна потужність).

Можливо, є ефективна " каденція " (можливо, 90 об / хв), яку ви можете використовувати на будь-якій місцевості (вгору, вниз, на рівні), і правильна річ (правильний спосіб використання ваших передач) полягає в постійному налаштуванні передач на рельєф місцевості з метою: а) підтримання постійної ефективної каденції (наприклад, 90 об / хв); б) підтримувати досить високу потужність / потужність потужності при цій каденції (наприклад, якщо це здається занадто простим, тоді переключитися на більш високу передачу, або якщо це занадто складно, тоді перейти на нижчу передачу, щоб зберегти каденцію).

Звичайно, передавальне співвідношення впливає на "потенційну" потужність, яку ви можете виробляти. Розгляньте максимум м'язових зусиль, щоб піднятися на крутий пагорб. Нехтуючи тертям ланцюга та іншими вторинними ефектами, ви будете підніматися на гору найшвидше при найвищій силі, яку можуть виробляти ваші м'язи. Зауважте, що потужність = kx крутний момент x каденція (де k - просто константа, яка визначає одиницю потужності (ватт, кінських сил тощо). Скажіть, ви їдете на занадто високій передачі, щоб не могли рухатися вперед на гірка (ваша каденція дорівнює 0). При 0 каденції ваш крутний момент дорівнює максимуму, який він може бути, а ваша потужність - 0. У міру збільшення каденції (зменшення передаточного числа) ваш крутний момент зменшується. Однак продукт крутного моменту і каденція (яка пропорційна потужності) збільшується. Коли ви продовжуєте збільшувати свою каденцію, знижуючи передавальне число, ви зрештою досягнете енергетично оптимальної каденції (EOC). У EOC потужність, яку можуть виробляти ваші м'язи, є максимум. Збільшення каденції вище EOC знижує вашу максимальну потенційну потужність.

Підсумок: виберіть передавальне співвідношення, яке дозволяє крутитися якомога ближче до EOC. Ви найшвидше підніметесь на круту гору при цій каденції.

Примітка: Крива потужності проти каденції виглядає як парабола догори ногами. Це прямий результат роботи Арчібальда Вівіан Хілл, який отримав Нобелівську премію за свою роботу з цієї та багатьох інших тем з біофізики. Також зауважте, що максимальна витривалість, ймовірно, виникає при каденції менше ЕОС.

Тут задіяно кілька факторів, тому будь-яка відповідь не проста. По-перше, як зазначив Леон, ви отримуєте нульову потужність до коліс, коли передача настільки сильна, що ви не можете рухатись. І ви отримуєте зникаюче малу потужність до коліс, коли передавальне відношення настільки легко, що ви обертаєтеся при 200 об / хв.

Але ще важливіше, що СЕРЕДНЕ харчування протягом певного періоду часу сильно залежить від деталей того, як працюють м'язи. В основному існує вправа AEROBIC vs ANAEROBIC. З середнім вершником, із нормальним рівнем цукру в крові, будь-яка їзда вище приблизно 80 об / хв буде значною мірою аеробною, а будь-яка (наполовину складна) їзда нижче приблизно 60 об / хв матиме великий анаеробний шматок. Аеробні вправи спалюють цукор у крові, але анаеробні вправи спалюють глікоген, що зберігається в м’язах.

За короткий проміжок часу (наскільки короткий залежно від того, наскільки інтенсивно виконуються фізичні вправи та який приплив крові) м'язи міцного здоров’я можуть спалювати глікоген приблизно так само ефективно, як глюкоза в крові, але кількість глікогену, що зберігається в м'язах, достатня лише для 15-30 хвилин вправ високої інтенсивності (хоча тренування спеціально спрямовані на збільшення запасів глікогену в організмі, це може бути збільшено до кількох годин).

Таким чином, їзда в «важкій» передачі, яка виробляє низький оберт, швидше виснажує м’язовий глікоген і призводить до більш швидкої втоми. І очевидно, що коли ви стомлюєтеся, потужність вашої енергії падає. (І звичайно, їзда з занадто "легкою" передачею призводить до надмірно високих оборотів, а середній "оптимальний" RPM середнього гонщика, як правило, нижче 100.) Між тим, ви торгуєте скромним споживанням глікогену проти дещо збільшеної сили м'язів. можна отримати, залучаючи м’язи "повільного посмикування" та деякі інші фактори. (Майте на увазі, що глікоген вам потрібен для коротких ситуацій з високим попитом, наприклад, підйому на короткий крутий пагорб без зсуву вниз. Ви можете фактично травмувати свої м'язи, якщо глікоген повністю вичерпаний.)

(І також є сенс врахувати, що у сприйнятливих людей можна завдати травми коліна, послідовно використовуючи занадто складну передачу.)

Наскільки я розумію, це не повинно. Найпростішим поясненням є те, що вимкнення енергії дорівнює потужності за часом ефективності (ефективність - це втрати енергії внаслідок тертя, опору повітря, опору коченню, тепла тощо). Зміна передач не змінює потужність (ця частина все залежить від вас), а також не змінює механічну ефективність. Тому вихідна потужність не змінюється.

Трохи глибше, потужність - це загальна робота, виконана за загальний час ( P_avg = ΔW/Δt). У цьому випадку ми розглядаємо це за однакові тривалості, тому Δtє постійним. У контексті обертання W- це крутний момент (обертальна сила), що чиниться в кутовій швидкості (швидкість обертання), або W = τθ. Шестірня змінить лише співвідношення між моментом та кутовою швидкістю, зберігаючи постійний робочий вихід. Іншими словами, перехід на більш високу передачу може вимагати вдвічі більше крутного моменту, але педалі будуть крутитися вдвічі швидше. Нижня передача може дозволити вам крутитися вдвічі швидше, але ви будете використовувати половину крутного моменту. Оскільки робочий вихід однаковий, вихідна потужність однакова.

Як це впливає на швидкість колеса? Ну, те саме W = τθстосується і ваших коліс, але в зворотному напрямку (ваші колеса бачать це назад: уявіть, якби ви крутили педалі на гвинтику, а колеса були прикріплені до нижнього кронштейна). Нижня передача надасть більше крутного моменту на колеса (що забезпечує високе прискорення), але матиме відповідно низьку кутову швидкість (швидкість обертання). Більш висока передача не наділить багато крутного моменту на колеса (саме тому так важко прискорити), але змусить їх крутитися, як божевільні. Тож в ідеалі, перебуваючи на максимально високій передачі, ви забезпечили б найбільшу швидкість.

Однак саме тут вступає в гру людське тіло. У нас є дві взаємодоповнюючі системи для генерування енергії: серцево-судинна система, яка виробляє менше енергії, але за дуже тривалих термінів, і м'язова система, яка досягає великої потужності, але лише на короткий проміжок часу. В ідеалі, не спринтуючи, ви хочете, щоб обидві системи виробляли стільки енергії, скільки можуть підтримувати. Сума цієї потужності (мінус втрати ефективності) буде вашою загальною потужністю, а зміна висоти, опір коченню та ваша аеродинаміка визначатимуть, яка частка цього виходу буде в кінцевому рахунку використана для крутного моменту проти відстані (і, отже, вашої передаточної передачі) .

Сподіваюся, що це допомагає.

Ні, коефіцієнт передач і посилення не впливає на потужність. Хоча ви правильні в припущенні, що це буде відчувати себе по-іншому, як якщо б інші три змінні були рівними, то коефіцієнт потужності буде однаковим. У цьому випадку, при «легшому» передавальному відношенні каденція потребує значного збільшення, щоб підтримувати той самий час підйому (швидкість), і якщо вершник однаковий, швидкість роботи однакова. Збільшення швидкості педалювання складає різницю у витратах на потужність, порівняно з "твердішою" передачею при меншій каденції.