Fui convidado a escrever este artigo depois de receber um catálogo de peças de ciclo tentadoras que mencionavam o peso de cada peça. Os preços parecem aumentar significativamente para itens que pesam alguns gramas a menos. Embora seja bom ter um ciclo atraente e tudo isso definitivamente ajuda a desfrutar do que para a maioria de nós é um esporte recreativo, eu me perguntei o quanto eles fazem a diferença de cem gramas ou alguns quilos.
Primeiro, precisamos pensar em alguns parâmetros para um ciclista imaginário, então escolhi um peso corporal básico de 80 kg e uma bicicleta de 8,5 kg. Nosso ciclista planeja fazer um esporte de 50 km. Este evento em particular tem 1000 m de elevação, incluindo algumas seções íngremes que são 10% verticais para 500 m. O ciclista percebeu que, melhorando suas rodas, pedais, guidão, porta-garrafas e transmissão, poderia economizar até 500 g de peso. Ele se pergunta que diferença faria no seu tempo.
Física de ciclismo no ensino médio
Vamos voltar para uma ciência do ensino médio para descobrir, primeiro, as forças que ajam novamente o ciclista terá que vencer. Essas forças incluem gravidade, resistência ao ar e resistência na cadeia cinemática, como rolamentos, correntes e pneus.
Quando nosso piloto se move plano, a quantidade de esforço ou energia gerada corresponde à energia dissipada para bater o ar e a resistência mecânica (deixo o ar e a resistência mecânica a outro elemento por enquanto). As forças serão equilibradas e o piloto produzirá energia suficiente para mantê-los todos em equilíbrio.
Voltando à nossa ciência do ensino médio, o ciclista tem uma energia cinética inerente devido à velocidade do ciclo e ao ciclista ao longo do solo e à rotação das rodas:
Ke – 1/2 m. V2
Onde está a massa combinada do ciclista e o ciclo e V é a velocidade.
Ke – 1/2 m. r. w2
Onde a massa da roda está, r é o raio yw é a velocidade de rotação. Esta é realmente uma simplificação porque depende de como o peso da roda é distribuído entre a borda e o cubo.
Se o piloto circular livremente, então essa energia cinética se dissipará para superar a resistência ao ar e o atrito mecânico e diminuir a velocidade. Supondo que, por enquanto, as melhorias do ciclo não ofereçam nenhuma vantagem em termos de atrito aerodinâmico ou mecânico, ainda temos a força da gravidade que só terá efeito para cima ou ladeira abaixo.
A física da descida
O que acontece quando descermos? Sempre temos as mesmas forças agindo sobre o ciclista, desta vez, porém, há um componente de atração gravitacional que ajuda você a descer a colina, para simplificar, vamos assumir que depois de escalar uma das encostas íngremes, você decide descer. usando sua energia potencial adquirida durante a escalada.
Se você se lembra, a energia potencial perdida é:
Pe – m. G. h
Onde a massa combinada do ciclista é e o ciclo, G é a constante gravitacional e h é a mudança de altura.
A energia cinética adquirida quando atinge o fundo é:
Ke – 1/2 m. V2 1/2 m. r. w2
Você também perderá um pouco de energia superando o atrito mecânico e de ar à medida que você acelera ladeira abaixo. Uma vez que Pe e Ke incluem a massa combinada do ciclista e do ciclista, uma mudança na massa não terá efeito na velocidade do piloto se você não quiser seguir o cálculo, lembre-se galileu, que diz ter deixado cair duas massas diferentes da Torre de Pisa em 1589 para provar que eles desembarcariam ao mesmo tempo. De qualquer vantagem mecânica ou aerodinâmica, algumas peças novas para ganhar peso não parecem fazer qualquer diferença para o desempenho do nosso ciclista em uma descida plana ou descendente.
A física da escalada
O que acontece quando subirmos uma colina? Para ilustrar o que acontece nesse cenário, imagine nosso ciclista escalando uma das quedas 10% verticais acima dos 500 m. Para simplificar, mantém uma velocidade constante de 10 km/h para ganhar 50 m de altura. Nesta velocidade, leva três minutos (180 segundos) para subir a costa.
Como não há mudança em sua velocidade, a energia cinética permanece constante, exigindo algum esforço para compensar o atrito aéreo e mecânico, no entanto, deve elevar seu peso de 50 m durante este tempo. Levando nossos números originais de 88,5 kg para o combinado, peso do ciclista e da bicicleta, a potencial mudança de energia será:
Pe = 88,5 x 9,81 x 50 = 43,409 joules
Durante três minutos (180 segundos), isso equivale a um esforço constante de 241 watts. Ao reduzir o peso da moto em 500 g, o esforço necessário para subir a costa na mesma velocidade é agora:
Pe – 88 x 9,81 x 50 – 43. 164 jousting
Isso equivale a um esforço constante de 239 watts por três minutos, ou dois watts de diferença. Reorganizar fórmulas para calcular o tempo necessário para subir a mesma colina para 241 watts com um peso reduzido (88 kg versus 88,5 kg) dá 179 segundos, o que é um segundo mais rápido. Durante nossa caminhada mais longa, que tem mil metros de irregularidade, seria cerca de vinte segundos mais rápido.
A física de s parar e começar
Na verdade, a maioria das minhas saídas não são alongamentos em velocidade constante, há mudanças de tempo frequentes ou paradas e partidas, então o último cenário que eu gostaria de ver é quase parar e acelerar novamente a uma velocidade mais rápida.
Imagino que nosso ciclista acelere em uma superfície plana de repouso enquanto aplica 400 watts (400 jousules por segundo) de esforço, espero que não seja muito. Desta vez, devemos observar o ganho de energia cinética necessário para mover o ciclista e andar de bicicleta e girar as rodas. Rodas e pneus devem ter uma massa de 1,5 kg e um raio de 33 cm.
Para voltar às nossas equações originais e reorganizar alguns elementos para calcular a velocidade no final do primeiro segundo:
Ke – 1/2 m. V2 1/2 m. r. w2 – 1/2 m. (V2 V2 / r) – 1/2 m (V2). (11/r)
V2 – Ke. 2 / m. r / (1 r)
V – raiz quadrada de [Ke. 2 / m. r / (1 r)]
Após o primeiro segundo
V – raiz quadrada [400. 2 / 88. 5. (0,33 / 1,33)] 1,5 m / assim 5,3 km / h
Após dois segundos, nosso motorista terá contribuído com 800 jouses e, portanto, a velocidade (independentemente da resistência do ar e atrito) será de 2,1 m / assim 7,6 km/h. Note que a progressão não é linear devido à raiz quadrada. processo para 88,5 kg e nossa economia de peso proposta de 500 g dar a seguinte tabela:
Embora isso tenha sido uma simplificação ignorando a resistência e o atrito do ar (alguns desses 400 watts serão usados para compensar essas perdas à medida que nosso piloto acelera), os ganhos são bastante pequenos, de modo que um ganho de peso de 500g daria alguns ganhos marginais em aceleração e escalada, que podem acumular ao longo de uma viagem mais longa com várias paradas e saídas e subidas importantes , economizando um minuto ou dois.
O peso do próprio ciclista
Depois de ver o ciclo, agora olhe brevemente para o ciclista, se depois de olhar no espelho uma manhã, o ciclista decide que ele poderia perder 6 kg (quase uma pedra) de peso desnecessário, os resultados são um pouco mais significativos. agora pesa 74 kg e a moto é mantida em 8,5 kg, um peso combinado de 82,5 kg.
Subindo a inclinação de 500 ma 10%, Pe – 82,5 x 9,81 x 50 – 40. 466 jousting, exigindo 225 watts – ou dezesseis watts a menos Você tentou melhorar sua potência em dezesseis watts?Certamente vale a pena salvar. Mantendo a potência em 241 watts, ela chegaria ao topo da colina em 168 segundos, ou doze segundos antes. Durante nossa longa caminhada com 1000 m de queda vertical, seria o equivalente a quatro minutos mais rápido.
No estágio acelerado, após apenas alguns segundos, o ciclista é quase meio quilômetro por hora mais rápido:
Então, se você está procurando ir mais rápido sem treinar, às vezes é sobre o ciclista, não a bicicleta. Quanto a essas peças sofisticadas de bicicleta, é melhor guardar sua carteira ou bolsa.