¿La relación de transmisión afecta la potencia?

11

Permítanme comenzar diciendo que este puede no ser el SE correcto. Pensé en preguntar sobre el SE de Física, pero pensé que podría intentarlo aquí primero. Si está mal, no estoy en contra de que se migre.

A partir de los principios básicos de la física, el poder se calcula como trabajo / tiempo. Así que considere un sistema de ciclista y ciclista escalando una colina. El trabajo realizado es la diferencia de potencial de abajo hacia arriba, y obviamente el tiempo será el tiempo de ascenso.

Ahora, mi pregunta es:

Dado el mismo ciclista, el mismo peso de la bicicleta y el mismo tiempo de ascenso, ¿su engranaje afecta la potencia? Suponga también que la escalada es eficiente, sin deslizamiento de neumáticos, pedaleo normal, etc.

Desde una perspectiva física, espero que la respuesta sea no. Misma diferencia de potencial, mismo tiempo, mismo poder. Sin embargo, desde la perspectiva del piloto, sé que seguro se siente que se está utilizando mucha más potencia para escalar con una relación más difícil.

Espero que la respuesta sea que la disparidad proviene de idealizar el sistema. Si consideramos que la bicicleta es un sistema cerrado, esperamos que toda la energía puesta en la bicicleta la lleve cuesta arriba, pero este no es el caso. Además, creo que la ineficiencia del cuerpo humano será relevante. Sin embargo, todavía no puedo resolver la pregunta.

BBischof
fuente
También estaba perdido por las etiquetas aquí.
BBischof
No tenemos una ruta de migración desde aquí a Física, desafortunadamente. Sin embargo, esta pregunta realmente se puede hacer aquí o en Física, pero creo que obtendrá una mejor respuesta allí. (Me fascinaría ver la respuesta). Si también la publica allí, publique un enlace aquí también. La colaboración entre sitios probablemente producirá la mejor respuesta a esta pregunta.
Goodbye Stack Exchange
1
Por ahora lo dejaré aquí, si no obtengo la respuesta que estoy buscando, intentaré engañarla allí.
BBischof
2
Sospecho que te refieres a eficiencia en lugar de poder, de lo contrario la pregunta no tiene sentido. Estás levantando el mismo peso sobre la misma distancia al mismo tiempo, por lo que la potencia es la misma. Desde el punto de vista de la competencia, es probable que desee ser más rápido (más potencia) por el mismo esfuerzo o usar menos energía para la misma subida. Entonces estás buscando eficiencia.
1
Solo para la bicicleta, no, no afecta la potencia. La bicicleta es un sistema bastante simple y lineal, tiene bastante potencia en == potencia nuestra. Sin embargo, el cuerpo humano que alimenta la cosa, ni siquiera es remotamente lineal.
whatsisname

Respuestas:

9

Sospecho que te refieres a eficiencia más que a potencia.

En mi opinión, la principal compensación es entre el aumento de las pérdidas biomecánicas a rpm más altas (básicamente fricción muscular) y la disminución del flujo sanguíneo con fuerzas más altas a rpm más bajas. El equilibrio depende tanto del piloto como de la duración.

En el IHPVA Journal of Human Power, el número 45 (pdf, índice aquí ) es un artículo llamado Maximum Human Power donde hablan sobre Tyler Hamilton ganando la escalada del Monte Washinton en 51 minutos:

"Sin embargo, corrió gran parte de la escalada en el engranaje de 23 dientes e hizo varias oleadas en el 21." Si tuviera ruedas de 700 mm, como parece probable, su cadencia promedio habría sido de 63 RPM.

Vale la pena leer todo el artículo, y puede ser útil buscar en el índice artículos similares.

La otra cara es que los velocistas superiores a menudo superan las 150 rpm en el sprint final. En ese momento, están cambiando la eficiencia biomecánica por la potencia máxima. Solía ​​alcanzar un pico de más de 900 W durante 10 segundos (> 8 W / kg) a alrededor de 130 rpm, pero mi rendimiento por hora de alrededor de 350 W utilizaba una cadencia de aproximadamente 80-90 rpm.

La verdadera respuesta es específica para ti. Dependerá de la forma de su cuerpo, tipo de músculo, estado físico y factores más transitorios. También es una pregunta que se responde mejor con un experimento, y debe ser parte de su programa de entrenamiento si está compitiendo. Si no, te sugiero que encuentres una escalada que montes regularmente y que lleves un diario de entrenamiento .

También ha habido mucha discusión sobre la hidratación para largas subidas. ¿Es mejor hidratarse y comenzar a pesar más, o correr un poco deshidratado para que pese menos? IIRC la conclusión fue que la hidratación fue mejor, pero no puedo encontrar la referencia.


fuente
Bebería ~ 300-500 metros antes del comienzo de la escalada cuando aún está plano, y tengo tiempo para beber, guardar la botella y eructar antes de la subida. También me levanto las mangas largas, mucho mejor para enfriarme. Vas a cargar la botella, solo es cuestión de si el agua está dentro o dentro de la botella. Y muchas subidas carecen de una fuente de agua en la parte superior.
Criggie
4

Dado el mismo ciclista, el mismo peso de la bicicleta y el mismo tiempo de ascenso, ¿su engranaje afecta la potencia? Suponga también que la escalada es eficiente, sin deslizamiento de neumáticos, pedaleo normal, etc.

Bueno, eso depende de qué "poder" estés midiendo :-).

Obviamente, la potencia ejercida por la bicicleta en su conjunto es la misma: si se mueve a la misma velocidad, es la misma potencia.

Sin embargo, el poder que ejerce su cuerpo puede ser diferente, por una variedad de razones:

  • Los músculos probablemente tienen un nivel de velocidad y fuerza donde son más eficientes, por lo que la energía / potencia química que su cuerpo debe ejercer para producir movimiento muscular será diferente.
  • Los diversos procesos de pérdida de energía debidos a flexión, fricción, etc. probablemente serán diferentes dependiendo del engranaje. Por ejemplo, en las marchas más bajas habrá un movimiento de la cadena más rápido (por lo tanto, más fricción), por otro lado, la tensión de la cadena será menor, lo que probablemente reduce la fricción. Además, en los engranajes inferiores, la flexión del bastidor en respuesta a las fuerzas de la cadena probablemente será menor.

Mi impresión es (aunque no tengo fuentes que me respalden) que, en general, el sistema humano es más eficiente en cuanto a la potencia (es decir, la mejor relación entre la potencia del pedal y el esfuerzo) en cadencias de alrededor de 90-100 RPM, así que eso es lo que un ciclista debería luchar por.

Curiosamente, la mejor cadencia para obtener la máxima potencia es aparentemente mucho más baja, por eso los ciclistas profesionales usarán velocidades altas y cadencias bajas para los sprints; sin embargo, esto es mucho más agotador que las cadencias más altas, por lo que es ineficiente a largas distancias.

sleske
fuente
Tengo algunas confusiones aquí. Primero, la bicicleta no ejerce ni potencia, la única fuerza que ejerce es la fricción. Sus dos puntos son exactamente las cosas que tenía en mente, pero tenía problemas para expresarlas. Gracias. Pero realmente no entiendo tus últimos dos párrafos en absoluto. ¿Qué quiere decir aquí con eficiencia energética frente a potencia máxima? ¿Y por qué esta diferencia se sigue del tamaño del engranaje? Perdón por mi confusión.
BBischof
En cuanto al poder: lo que quise decir es que depende de dónde midas el poder. Si mide la potencia al volante, siempre será igual para la misma velocidad y terreno. Sin embargo, el poder que el humano tiene para ejercer puede ser diferente.
sleske
En cuanto a máximo versus eficiente: lo más eficiente sería como un automóvil: la velocidad / cadencia que le permite viajar la mayor distancia antes de quedarse sin combustible. Al igual que un automóvil, esa no es necesariamente la velocidad / cadencia que le brinda la máxima potencia. Y una cadencia más alta generalmente significa velocidades más bajas.
sleske
3

Tal vez sea la diferencia entre, ¿cómo lo llamas, trabajo 'isotónico' versus trabajo ' isométrico '?

Lo que quiero decir es que, por ejemplo, se necesita mucho esfuerzo humano (fuerza, poder o trabajo) para tratar de mover un objeto inamovible: empujar contra una pared o algo así.

En una marcha demasiado alta, empujas y empujas y no vas a ninguna parte (mucha potencia para ir a ninguna parte => 0% de eficiencia).

En una marcha demasiado baja es demasiado fácil: giras sin resistencia; su velocidad de centrifugado está limitada a ~ 120 RPM más o menos, es decir, no puede aumentar infinitamente; por lo tanto (baja fuerza y ​​RPM limitadas) está limitado en la cantidad de potencia que emite (es menor que su potencia máxima teórica).

Posiblemente haya una ' cadencia ' eficiente (quizás 90 RPM) que tal vez desee usar en todo terreno (arriba, abajo, nivel), y lo correcto (la forma correcta de usar sus engranajes) es ajustar continuamente el engranaje para terreno para: a) mantener una cadencia constante y eficiente (por ejemplo, 90 RPM); b) mantenga una salida de fuerza / potencia lo suficientemente alta a esa cadencia (por ejemplo, si parece demasiado fácil, cambie a una marcha más alta, o si es demasiado difícil, cambie a una marcha más baja para mantener la cadencia).

ChrisW
fuente
Los artículos que están vinculados en la sección Referencias del artículo de Wikipedia sobre la charla cadencia más: sobre el rendimiento, la cadencia óptima, engranajes, etc.
ChrisW
Hay un efecto similar con los motores de los automóviles y sus engranajes: cuando las RPM son demasiado bajas o demasiado altas, el par motor es bajo; puede graficar el par frente a las RPM, encontrar un rango de RPM en el que el motor tenga el mayor par (y supongo que 'potencia de salida' es igual a 'par multiplicado por RPM'). Es similar pero no es lo mismo porque los músculos humanos no son lo mismo que los motores de combustión interna: por ejemplo, un ICE no puede hacer un trabajo isométrico, y el trabajo de los músculos aparentemente depende de factores como fibras de contracción rápida versus fibras de contracción lenta, acumulación de ácido láctico , etc.
ChrisW
Gracias por esta respuesta, leeré los artículos y te responderé.
BBischof
3

Por supuesto, la relación de transmisión afecta la potencia "potencial" que puede producir. Considere un esfuerzo muscular máximo para subir una colina empinada. Descuidando la fricción de la cadena y otros efectos secundarios, subirás la colina más rápido con la mayor potencia que tus músculos pueden producir. Tenga en cuenta que potencia = kx par x cadencia (donde k es solo una constante que determina las unidades de potencia (vatios, caballos de fuerza, etc.). Digamos que está montando en una velocidad demasiado alta para que no pueda avanzar en el cuesta (su cadencia es 0). A 0 cadencia, su par es el máximo que puede ser y su potencia es 0. A medida que aumenta su cadencia (al reducir la relación de transmisión), su par disminuye. Sin embargo, el producto del par y aumenta la cadencia (que es proporcional al poder). A medida que sigue aumentando su cadencia al reducir su relación de transmisión, eventualmente alcanzará la cadencia energética óptima (EOC). En el EOC, el poder que pueden producir tus músculos es máximo. El aumento de la cadencia por encima de EOC reduce su potencia potencial máxima.

Conclusión: elija la relación de transmisión que le permita girar lo más cerca posible del EOC. Subirás la empinada colina más rápido con esta cadencia.

Nota: La curva de potencia vs. cadencia parece una parábola invertida. Es un resultado directo del trabajo realizado por Archibald Vivian Hill, quien ganó un Premio Nobel por su trabajo en este y muchos otros temas en biofísica. También tenga en cuenta que la resistencia máxima probablemente se produce a una cadencia menor que EOC.

Leon Granowitz
fuente
3
Bienvenido a bicycles.stackexchange. Su respuesta se aplica solo instantáneamente. Para escaladas de duración no trivial, la potencia está limitada por procesos metabólicos (principalmente, aeróbicos). Es decir, lo que ha escrito es cierto para la potencia instantánea máxima, pero al escalar cualquier colina no trivial su potencia de salida será decididamente submáxima. Todavía hay valores límite en el engranaje que limitarán la producción de energía, pero siempre que esté razonablemente lejos de esos límites, su limitación es metabólica, no está limitada por la fuerza ni limitada por la velocidad de las contracciones msuculares.
R. Chung
Gidday y bienvenido a SE Bicycles. Buena primera respuesta: ¿tiene más información o enlaces sobre EOC?
Criggie
1
@ R.Chung, tienes razón, pero supongo que podría usarse una especie de EOC aeróbicamente estable.
Chris H
Esta es básicamente la respuesta correcta. Si no fuera cierto que la relación de transmisión afecta la potencia disponible al volante, los automóviles no tendrían necesidad de transmisiones de varias velocidades.
Daniel R Hicks
@ChrisH Uno podría pensar que sí, pero empíricamente no. Muchos ciclistas pueden producir> 1 kW durante unos segundos en un rango estrecho de cadencia, pero pueden subir una colina no trivial a, digamos, 200 - 250 vatios. El análisis empírico de sus elecciones de cadencia muestra que a un nivel de producción más bajo pueden y generalmente producen potencia fija en un amplio rango de cadencia y par de arranque.
R. Chung
2

Aquí intervienen varios factores, por lo que cualquier respuesta no es simple. Primero, como señaló Leon, obtienes potencia cero en las ruedas cuando el engranaje es tan duro que no puedes moverte. Y obtienes una potencia increíblemente pequeña para las ruedas cuando la relación de transmisión es tan fácil que estás girando a 200 RPM.

Pero lo más importante, el poder PROMEDIO durante un período de tiempo depende en gran medida de los detalles de cómo funcionan los músculos. Principalmente hay ejercicio AEROBIC vs ANAEROBIC. Con el ciclista promedio, con un nivel de azúcar en la sangre normal, cualquier conducción por encima de aproximadamente 80 RPM será en gran medida aeróbica, y cualquier conducción (a medio camino) por debajo de aproximadamente 60 RPM tendrá una gran pieza anaeróbica. El ejercicio aeróbico quema el azúcar en la sangre, pero el ejercicio anaeróbico quema el glucógeno almacenado en los músculos.

Por cortos períodos de tiempo (cuán corto dependiendo de qué tan intenso sea el ejercicio y cuánto flujo sanguíneo haya), los músculos con buena salud pueden quemar glucógeno de manera tan eficiente como la glucosa en sangre, pero la cantidad de glucógeno almacenada en los músculos solo es suficiente para tal vez 15-30 minutos de ejercicio de alta intensidad (aunque con un entrenamiento específicamente dirigido a aumentar las reservas de glucógeno del cuerpo, esto se puede aumentar a varias horas).

Por lo tanto, conducir en una marcha "difícil" que produce bajas RPM agota más rápidamente el glucógeno muscular y conduce a una fatiga más rápida. Y obviamente, a medida que se fatiga, su potencia de salida disminuye. (Y, por supuesto, conducir con una marcha demasiado "fácil" da como resultado RPM excesivamente altas, y las RPM "óptimas" del ciclista promedio generalmente están por debajo de 100). puede contraer los músculos de "contracción lenta" y algunos otros factores. (Tenga en cuenta que necesita el glucógeno para situaciones cortas y de alta demanda, como subir una colina corta y empinada sin cambios descendentes. En realidad, puede dañar sus músculos en algunas circunstancias si el glucógeno está totalmente agotado).

(Y también existe el punto de considerar que en individuos susceptibles uno puede causar una lesión en la rodilla al usar constantemente un equipo demasiado difícil).

Daniel R Hicks
fuente
No entiendo el vínculo entre "conducir en una marcha difícil" y "agota más rápidamente el glucógeno muscular". ¿Porqué es eso? ¿Seguramente tus músculos usarán glucógeno o glucosa dependiendo de lo que esté disponible, en lugar de estar determinado por el equipo en el que estás? Sería útil si tuvieras referencias para poder leer sobre el mecanismo.
Desde el
@ Nuі: cuando los músculos se mueven lentamente, queman más glucógeno. Hay dos razones: en primer lugar, probablemente les exija más energía instantánea y, en segundo lugar, debido a la falta de movimiento, no hay tanto flujo de sangre en las piernas (los músculos tensos restringen el flujo de sangre).
Daniel R Hicks
1

A mi entender, no debería. La explicación más simple es que el apagado es igual a la potencia en tiempos de eficiencia (la eficiencia es la pérdida de energía debido a la fricción, resistencia al aire, resistencia a la rodadura, calor, etc.). Cambiar de marcha no cambia la potencia (esa parte depende de usted), ni cambia la eficiencia mecánica. Por lo tanto, la potencia de salida no cambia.

Para un poco más profundo, el poder es el trabajo total realizado durante el tiempo total ( P_avg = ΔW/Δt). En este caso, lo estamos considerando durante duraciones idénticas, por lo que Δtes constante. En un contexto de rotación, Wes el par (fuerza de rotación) ejercido por la velocidad angular (velocidad de rotación), o W = τθ. Un engranaje solo cambiará la relación entre el par y la velocidad angular mientras mantiene una salida de trabajo constante. En otras palabras, ir a una marcha más alta puede requerir el doble de torque, pero los pedales girarán la mitad de rápido. Una marcha más baja puede permitirle girar dos veces más rápido, pero utilizará la mitad del torque. Como la salida de trabajo es la misma, la salida de potencia es la misma.

¿Cómo afecta esto a la velocidad de la rueda? Bueno, lo mismo también W = τθafecta a tus ruedas, pero a la inversa (tus ruedas lo ven al revés: imagina que estuvieras pedaleando en tu diente y las ruedas estuvieran unidas al pedalier). Una marcha más baja pondrá más torque en las ruedas (permitiendo una alta aceleración), pero tendrá una velocidad angular correspondientemente baja (velocidad de rotación). Una marcha más alta no pondrá mucho torque en las ruedas (por eso es tan difícil acelerar), pero las hará girar como locos. Entonces, idealmente, estar en la marcha más alta posible le daría la mayor velocidad.

Sin embargo, ahí es donde entra en juego el cuerpo humano. Tenemos dos sistemas complementarios para generar energía: el sistema cardiovascular, que produce menos energía pero por períodos muy largos, y el sistema muscular, que se destaca por producir alta potencia, pero solo por un corto período de tiempo. Idealmente, cuando no está corriendo, desea que ambos sistemas produzcan tanta potencia como puedan sostener. La suma de esa potencia (menos las pérdidas de eficiencia) será su potencia de salida total, y el cambio de elevación, la resistencia a la rodadura y su aerodinámica determinarán qué proporción de esa potencia se utilizará finalmente para el par versus la distancia (y, por lo tanto, su relación de transmisión) .

Espero que ayude.

Stephen Touset
fuente
Hay un error 404 en ese enlace.
OraNob
1

No, las relaciones de engranaje y ganancia no afectan la potencia. Si bien tiene razón al suponer que se sentiría diferente para el conductor, si las otras tres variables son iguales, la tasa de potencia será la misma. En este caso, en una relación de transmisión "más fácil", la cadencia requeriría un aumento significativo para mantener el mismo tiempo de ascenso (velocidad) y si el piloto es idéntico, entonces la velocidad de trabajo es idéntica. El aumento en la velocidad de pedaleo compensa la diferencia en el gasto de potencia en comparación con el equipo "más duro" en una cadencia más baja.

zenbike
fuente
Estoy en desacuerdo. Si bien esto es absolutamente cierto en teoría, de manera realista tenemos una banda de cadencia / fuerza donde emitimos una potencia óptima. En cadencias muy altas no aplicamos suficiente fuerza para igualar la misma potencia, y viceversa para potencia alta con baja cadencia.
Stephen Touset
2
@StephenTouset Esa banda de cadencia / fuerza no es constante, varía según las condiciones. Vea aquí o aquí una discusión sobre la cadencia, la fuerza del pedal y la potencia "óptima".
R. Chung
@StephenTouset: A eso me refería cuando dije que esto supone que las tres variables son iguales. Si cambia la fuerza del pedaleo, entonces la potencia variará, pero ese no es el engranaje, es una limitación del piloto. Si su cadencia se vuelve tan alta que la mecánica de su cuerpo no puede sostenerla, su tasa de potencia disminuirá. Pero no será por el engranaje.
zenbike