Влияет ли передаточное число на мощность?

11

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.

BBischof
источник
Я также был в недоумении для тегов здесь.
BBischof
К сожалению, у нас нет пути перехода к физике. Однако этот вопрос действительно можно задать здесь или по физике, но я думаю, что вы получите лучший ответ там. (Я был бы восхищен, увидев ответ.) Если вы также разместите его там, пожалуйста, разместите здесь ссылку. Межсайтовое сотрудничество, вероятно, даст лучший ответ на этот вопрос.
Прощай, обмен
1
Пока я оставлю это здесь, если я не получу ответ, который ищу, я постараюсь обмануть его там.
BBischof
2
Я подозреваю, что вы имеете в виду эффективность, а не власть, иначе вопрос не имеет смысла. Вы поднимаете один и тот же вес на одно и то же расстояние в одно и то же время, поэтому сила одинакова. С точки зрения соревнования, вы, вероятно, хотите либо быстрее (больше мощности) за то же усилие, либо использовать меньше энергии для того же подъема. Итак, вы смотрите на эффективность.
1
Только для велосипеда нет, это не влияет на мощность. Велосипед - это довольно простая и линейная система, она в значительной степени обеспечивает мощность. Однако человеческое тело, питающее вещь, даже не является линейно удаленным.
whatsisname

Ответы:

9

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.


источник
Я выпил ~ 300-500 метров до начала подъема, когда он все еще был ровным, и у меня было время выпить, убрать бутылку и отрыгнуть до подъема. Я также подтягиваю длинные рукава, тем лучше для охлаждения. Вы будете нести бутылку, просто вопрос того, есть ли вода в вас или в бутылке. И многим подъемам не хватает источника воды наверху.
Criggie
4

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.

sleske
источник
У меня есть некоторые путаницы здесь. Во-первых, мотоцикл не дает силы и силы, единственная сила, которую он оказывает, это трение. Ваши два момента - это именно то, что я имел в виду, но мне было трудно их выразить. Спасибо. Но я совсем не понимаю твои последние два абзаца. Что вы имеете в виду здесь под энергосберегающими против максимальной мощности. И почему это различие следует из размера шестерни. Извините за мою путаницу.
BBischof
Что касается силы: я хотел сказать, что это зависит от того, где вы измеряете силу. Если вы измеряете мощность на колесе, она всегда будет одинаковой для одинаковой скорости и рельефа. Однако сила, которую должен оказывать человек, может быть другой.
Слеське
Что касается максимального и эффективного: наиболее эффективным будет как автомобиль - скорость / частота вращения педалей, которая позволяет вам проехать самое длинное расстояние, прежде чем закончится топливо. Как и у автомобиля, это не обязательно скорость / частота вращения, которая дает вам максимальную мощность. А более высокая частота вращения обычно означает пониженную передачу.
слеске
3

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).

ChrisW
источник
Статьи, ссылки на которые есть в разделе «Ссылки» статьи Википедии о Cadence, больше говорят о производительности, оптимальной каденции,
переключении
Аналогичный эффект наблюдается для автомобильных двигателей и их передач: когда число оборотов в минуту слишком низкое или слишком высокое, крутящий момент двигателя низкий; Вы можете построить график зависимости крутящего момента от числа оборотов в минуту, найти диапазон оборотов, при которых двигатель имеет максимальный крутящий момент (и я предполагаю, что «выходная мощность» равна «крутящему моменту, умноженному на число оборотов в минуту»). Это похоже, но не то же самое, потому что человеческие мышцы не совпадают с двигателями внутреннего сгорания: например, ДВС не может выполнять изометрическую работу, и работа мышц, очевидно, зависит от таких факторов, как быстрое и медленное сокращение волокон, накопление молочной кислоты и т. д.
ChrisW
Спасибо за этот ответ, я прочитаю статьи и свяжусь с вами.
BBischof
3

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.

Леон Грановиц
источник
3
Добро пожаловать на сайт bicycles.stackexchange. Ваш ответ применяется только мгновенно. Для подъемов нетривиальной продолжительности сила ограничена метаболическими процессами (в основном, аэробными). То есть то, что вы написали, верно для максимальной мгновенной мощности, но при подъеме на любой нетривиальный холм ваша выходная мощность будет явно субмаксимальной. На передаче все еще существуют граничные значения, которые будут ограничивать выработку энергии, но до тех пор, пока вы достаточно далеко от этих границ, ваше ограничение является метаболическим, а не ограниченным по силе и не ограниченным скоростью мышечных сокращений.
Р. Чунг
Праздник и добро пожаловать в SE Bikes. Хороший первый ответ - есть ли у вас какая-либо дополнительная информация или ссылки на EOC?
Criggie
1
@ R.Chung, ты прав, но я считаю, что можно использовать аэробно-стабильный EOC.
Крис Х
Это в основном правильный ответ. Если бы неправда, что передаточное число влияет на мощность, доступную на руле, автомобили не нуждались бы в многоскоростных трансмиссиях.
Даниэль Р Хикс
@ChrisH Кто-то может так думать, но эмпирически нет. Многие гонщики могут производить> 1 кВт в течение нескольких секунд в узком диапазоне частоты вращения педалей, но они могут подняться на нетривиальный холм, скажем, на 200 - 250 Вт. Эмпирический анализ их выбора частоты вращения педалей показывает, что при более низком уровне мощности они могут и, как правило, производят фиксированную мощность в широком диапазоне частоты вращения педалей и коленчатого момента.
Р. Чунг
2

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).

Даниэль Р Хикс
источник
Я не понимаю связи между «ездой на сложном снаряжении» и «быстрее истощает мышечный гликоген». Это почему? Конечно, ваши мышцы будут использовать гликоген или глюкозу в зависимости от того, что доступно, а не от того, какое оборудование вы используете? Было бы полезно, если бы у вас были ссылки, чтобы я мог прочитать о механизме.
Нуи
@ Nuі - Когда ваши мышцы двигаются медленно, они сжигают больше гликогена. Есть две причины: во-первых, вы, вероятно, требуете от них большей мгновенной энергии, и, во-вторых, из-за недостатка движения не так много крови в ногах (плотные мышцы ограничивают кровоток).
Даниэль Р Хикс
1

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.

Стивен Таусет
источник
по этой ссылке ошибка 404.
OraNob
1

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.

zenbike
источник
Я вроде не согласен. Хотя это абсолютно верно в теории, в действительности у нас есть полоса частот / сил, где мы излучаем оптимальную мощность. При очень высоких частотах мы не прикладываем достаточно силы, чтобы соответствовать той же мощности, и наоборот, для высокой мощности с низкой частотой.
Стивен Таусет
2
@StephenTouset Этот диапазон частоты вращения / силы не постоянен - ​​он меняется в зависимости от условий. Смотрите здесь или здесь для обсуждения частоты вращения педалей, педали и «оптимальной» мощности.
Р. Чунг
@StephenTouset: Вот что я имел в виду, когда говорил, что все три переменные равны. Если вы измените силу педалирования, то мощность будет меняться, но это не передача, это ограничение гонщика. Если ваша частота вращения педалей становится настолько высокой, что механика вашего тела не может ее выдержать, ваша сила будет снижаться. Но это не будет из-за зацепления.
zenbike