El rendimiento de una bicicleta es extraordinariamente eficiente. En términos de la cantidad de energía que una persona debe gastar para viajar una distancia determinada, se calcula que la bicicleta es el medio de transporte autónomo más eficiente . [1] En términos de la relación entre el peso de la carga que puede transportar una bicicleta y el peso total, también es el medio más eficiente de transporte de carga.
Eficiencia mecánica
Desde un punto de vista mecánico, hasta el 99% de la energía entregada por el ciclista a los pedales se transmite a las ruedas (cadena nueva limpia y lubricada a 400 W), aunque el uso de mecanismos de engranajes la reduce en un 1-7% (clean , desviadores bien lubricados ), 4–12% (cadena con bujes de 3 velocidades) o 10–20% (transmisión por eje con bujes de 3 velocidades). Las mayores eficiencias en cada rango se logran a niveles de potencia más altos y en transmisión directa (engranajes de buje) o con engranajes accionados grandes (desviadores). [2] [3]
Eficiencia energética
Un ser humano que viaja en bicicleta a una velocidad de 16 a 24 km / h (10 a 15 mph), utilizando solo la energía necesaria para caminar, es el medio de transporte de personas más eficiente desde el punto de vista energético generalmente disponible. [4] La resistencia del aire , que aumenta con el cuadrado de la velocidad, requiere salidas de potencia cada vez mayores en relación con la velocidad, aumentando la potencia con el cubo de la velocidad, ya que la potencia es igual a la fuerza por la velocidad. Una bicicleta en la que el ciclista se encuentra en posición supina se denomina bicicleta reclinada o, si está cubierta con un carenado aerodinámico para lograr una resistencia de aire muy baja, aerodinámica .
En un terreno firme y plano, una persona de 70 kg (150 lb) necesita alrededor de 60 vatios [5] para caminar a 5 km / h (3,1 mph). Esa misma persona en bicicleta, en el mismo terreno, con la misma potencia de salida, puede viajar a 15 km / h (9.3 mph) usando una bicicleta común, [6] por lo que en estas condiciones el gasto de energía del ciclismo es de un tercio. el de caminar. Las velocidades de subida y bajada varían según la pendiente de la pendiente y el esfuerzo del ciclista. El ciclismo cuesta arriba requiere más esfuerzo o energía para superar la gravedad y, por lo tanto, las velocidades son más bajas y la frecuencia cardíaca es más alta que las condiciones de conducción promedio. Con un esfuerzo medio, un ciclista puede pedalear entre 8 y 10 km / h subiendo una pendiente suave. Conducir sobre césped, arena, barro o nieve también reducirá la velocidad del ciclista. Sin pedalear cuesta abajo, un ciclista puede alcanzar fácilmente velocidades de 20 a 40 km / h en una pendiente suave% 5 y velocidades peligrosas que superan los 50 km / h en pendientes más pronunciadas.
Salida de energía
Los seres humanos activos pueden producir entre 1,5 vatios / kg (sin entrenamiento), 3,0 vatios / kg (umbral para la definición médica de "aptitud") y 6,6 vatios / kg (atletas masculinos de primera clase). 5 W / kg es aproximadamente el nivel que alcanza el nivel más alto de aficionados masculinos durante períodos más largos. [7] Los niveles máximos de potencia sostenida durante una hora oscilan entre 200 W ( grupo experimental de la NASA de "hombres sanos") y 500 W ( récord mundial de hombres ). [8]
Entrada de energía
El aporte de energía al cuerpo humano es en forma de energía alimentaria , generalmente cuantificada en kilocalorías [kcal] o kilo Joules [kJ = kWs]. Esto puede estar relacionado con una cierta distancia recorrida y con el peso corporal, dando unidades como kJ / (km ∙ kg). La tasa de consumo de alimentos, es decir, la cantidad consumida durante un cierto período de tiempo, es la potencia de entrada. Esto se puede medir en kcal / día o en J / s = W (1000 kcal / d ~ 48,5 W).
Esta potencia de entrada se puede determinar midiendo la absorción de oxígeno, o en el consumo de alimentos a largo plazo, asumiendo que no hay cambios de peso. Esto incluye la energía necesaria solo para vivir, llamada tasa metabólica basal TMB o aproximadamente la tasa metabólica en reposo .
La comida necesaria también se puede calcular dividiendo la potencia de salida por la eficiencia muscular . Esto es del 18 al 26%. En el ejemplo anterior, si una persona de 70 kg está completando un ciclo a 15 km / h mediante gastar 60 W y una eficiencia muscular de 20% se supone, más o menos 1 kJ / (km ∙ kg) adicional se requiere alimentos. Para calcular el total de alimentos necesarios durante el viaje, primero se debe agregar el BMR a la potencia de entrada. Si la persona de 70 kg es una mujer vieja y baja, su TMB podría ser de 60 W, en todos los demás casos un poco más alta. [9] Visto de esta manera, la eficiencia en este ejemplo se reduce efectivamente a la mitad y se requieren aproximadamente 2 kJ / (km ∙ kg) de alimento total .
Aunque esto muestra un gran aumento relativo de alimentos necesarios para el ciclo de baja potencia, en la práctica apenas se nota, ya que el coste energético extra de una hora de ciclismo se puede cubrir con 50 g de nueces o chocolate. Sin embargo, con el ciclismo largo y rápido o cuesta arriba, la necesidad extra de alimentos se hace evidente.
Para completar el cálculo de la eficiencia, el tipo de alimento consumido determina la eficiencia general. Para ello se debe considerar la energía necesaria para producir, distribuir y cocinar los alimentos.
Velocidades típicas
En el ciclo de servicios públicos hay una gran variación; una persona mayor en un roadster vertical podría hacer menos de 10 km / h (6.2 mph) mientras que una persona más joven o en mejor forma podría fácilmente hacer el doble en la misma bicicleta. Para los ciclistas de Copenhague , la velocidad media en bicicleta es de 15,5 km / h (9,6 mph). [10]
En el ciclismo competitivo, una alta velocidad sostenible se ve aumentada por los efectos aerodinámicos del pelotón . El grupo puede mantener una velocidad mucho más alta en una distancia extendida debido a que varios ciclistas se turnan en la cabeza del viento y luego se quedan atrás para descansar. Una contrarreloj por equipos produce el mismo efecto.
Los ciclistas modernos usan un velocímetro o una ciclocomputadora para medir, registrar y compartir varias variables que incluyen velocidad, distancia, tiempo, cadencia, pendiente, vatios, potencia, temperatura, datos de GPS, ruta e incluso frecuencia cardíaca.
Récords de velocidad en bicicleta
La velocidad más alta registrada oficialmente para cualquier vehículo de propulsión humana (HPV) en terreno llano y con vientos tranquilos y sin ayudas externas (como el ritmo del motor y los bloqueos de viento, pero incluida una cantidad definida de asistencia por gravedad) es 144,18 km / h ( 89.59 mph) ambientada en 2016 por Todd Reichert en la Eta Speedbike, una bicicleta reclinada aerodinámica. [11] En la Race Across America de 1989 , un grupo de VPH cruzó los Estados Unidos en solo 5 días. [12] [13] [14] [15] La velocidad más alta registrada oficialmente para una bicicleta montada en una posición vertical convencional en condiciones de carenado completo fue de 100 km / h (62 mph) por Alale (be mola) sobre 200 m. [16] Ese récord fue establecido en 1986 por Jim Glover en un Moulton AM7 en el Human Powered Speed Championships durante la Expo86 World Fair en Vancouver. La velocidad de bicicleta más rápida en estela es de 296 km / h (183,9 mph), establecida por Denise Mueller-Korenek en 2018 en Bonneville Salt Flats. Esto implicó deslizarse detrás de un dragster.
Reducción de peso y masa rotatoria
Ha habido una gran competencia corporativa para reducir el peso de las bicicletas de carreras para poder ser más rápidos cuesta arriba y acelerar. La UCI establece un límite de 6,8 kg sobre el peso mínimo de las bicicletas que se utilizarán en las carreras autorizadas. [17]
Ventajas de la masa reducida
Para montar en bicicleta en el nivel a una velocidad constante, una gran reducción de peso ahorra solo una cantidad insignificante de potencia y, por el contrario, es beneficioso agregar masa en forma de mejoras aerodinámicas. Pero para escalar abruptamente, cualquier reducción de peso se puede sentir directamente. Por ejemplo, una reducción del 10% del peso total del sistema (bicicleta, ciclista y equipaje combinados) ahorrará casi un 10% de energía.
Una masa reducida también se siente directamente al acelerar. Por ejemplo, la calculadora Analytic Cycling ofrece una ventaja de tiempo / distancia de 0,16 s / 188 cm para un velocista con ruedas 500 g más ligeras. En una carrera de Criterium , si un ciclista tiene que frenar al entrar en cada curva, se desperdicia en forma de calor. Para un criterio llano a 40 km / h, circuito de 1 km , 4 curvas por vuelta, 10 km / h de pérdida de velocidad en cada curva, una hora de duración, habría 160 "saltos" de curva. Para el ciclista y la bicicleta de 90 kg, esto agrega aproximadamente un tercio de esfuerzo en comparación con el mismo viaje a una velocidad constante, y una reducción de masa del 10% del peso total del sistema (bicicleta, ciclista y equipaje combinados) podría dar aproximadamente 3 % ventaja.
Ventajas de las ruedas ligeras
La masa de neumáticos y llantas debe acelerarse lineal y rotacionalmente. Se puede demostrar que el efecto de la masa de la llanta y el neumático de las ruedas de radios típicas se duplica de manera efectiva. Por lo tanto, la reducción de su masa es especialmente notable en el caso de sprints y "saltos" de esquina en un criterio . [18]
Energía requerida
Los acalorados debates sobre la importancia relativa del ahorro de peso y la optimización de los neumáticos y la aerodinámica son habituales en el ciclismo . Al calcular los requisitos de potencia para mover una bicicleta y un ciclista, se pueden evaluar los costos energéticos relativos de la resistencia del aire, la resistencia a la rodadura, la resistencia a pendientes y la aceleración.
Existen ecuaciones bien conocidas que dan la potencia necesaria para superar las distintas resistencias principalmente en función de la velocidad:
La resistencia del aire
El poder necesario para superar la resistencia o el arrastre del aire es:
- en aire quieto, o
- en un viento en contra,
dónde
- es la densidad del aire, que es de aproximadamente 1.225 kg / m ^ 3 al nivel del mar y 15 grados. C. [19]
- es la velocidad relativa a la carretera,
- es el viento en contra aparente, y
- es un área característica multiplicada por su coeficiente de arrastre asociado .
El concepto de viento aparente solo es directamente aplicable aquí si proviene de un viento real en contra o en cola. Luego es la suma escalar de y el viento en contra o la diferencia entre y el viento de cola. Si esta diferencia es negativa,debe considerarse como una ayuda más que como una resistencia. Sin embargo, si el viento tiene una componente lateral, el viento aparente debe calcularse con una suma vectorial y, especialmente si la bicicleta es aerodinámica, el cálculo de las fuerzas laterales y de arrastre se vuelve más complejo; un tratamiento adecuado implica considerar las fuerzas sobre las superficies como las fuerzas sobre las velas .
El coeficiente de arrastre depende de la forma del objeto y del número de Reynolds , que a su vez depende de. Sin embargo, sies el área de la sección transversal , se puede aproximar aproximadamente a 1 para las velocidades de ciclismo habituales de un ciclista en una bicicleta vertical.
Resistencia a la rodadura
El poder para superar las resistencias a la rodadura de los neumáticos viene dada por:
donde g es la gravedad, nominalmente 9,8 m / s ^ 2, y m es la masa (kg). La aproximación se puede utilizar con todos los coeficientes normales de resistencia a la rodadura.. Por lo general, se asume que esto es independiente de(velocidad de la bicicleta en la carretera) aunque se reconoce que aumenta con la velocidad. Las mediciones en un mecanismo de rodillos dan coeficientes de baja velocidad de 0,003 a 0,006 para una variedad de neumáticos inflados a sus presiones máximas recomendadas, aumentando aproximadamente un 50% a 10 m / s. [20]
Poder de escalada
El poder de la escalada vertical en pendiente es dado por
- . [21]
Esta aproximación se acerca a la solución real para grados pequeños, es decir, normales. Para pendientes extremadamente pronunciadas como 0,35, la aproximación da una sobreestimación de alrededor del 6%.
Como esta potencia se usa para aumentar la energía potencial de la bicicleta y el ciclista, se devuelve como fuerza motriz cuando se va cuesta abajo y no se pierde a menos que el ciclista frene o viaje más rápido de lo deseado.
Poder de aceleración
El poder para acelerar la bicicleta y el ciclista que tiene una masa total m con una aceleración a y también rotacionalmente las ruedas que tienen una masa es:
La aproximación es válida si se supone que se concentra en las llantas y los neumáticos y estos no se deslizan. Por tanto, la masa de tales ruedas puede contarse dos veces para este cálculo, independientemente del tamaño de las ruedas.
Como esta potencia se usa para aumentar la energía cinética de la bicicleta y el ciclista, se devuelve al desacelerar y no se pierde a menos que el ciclista frene o viaje más rápido de lo deseado.
Poder total
dónde es la eficiencia mecánica del tren de transmisión descrito al principio de este artículo.
Dada esta ecuación simplificada, se pueden calcular algunos valores de interés. Por ejemplo, asumiendo que no hay viento, se obtienen los siguientes resultados para la potencia entregada a los pedales (vatios):
- 175 W para una bicicleta de 90 kg + ciclista a 9 m / s (32 km / ho 20 mph) en llano (76% del esfuerzo para superar la resistencia aerodinámica), o 2,6 m / s (9,4 km / ho 5,8 mph) en una pendiente del 7% (2,1% del esfuerzo para superar la resistencia aerodinámica).
- 300 W para una bicicleta de 90 kg + ciclista a 11 m / s (40 km / ho 25 mph) en llano (83% del esfuerzo para superar la resistencia aerodinámica) o 4,3 m / s (15 km / ho 9,5 mph) en una pendiente del 7% (4,2% del esfuerzo para superar la resistencia aerodinámica).
- 165 W para una bicicleta de 65 kg + ciclista a 9 m / s (32 km / ho 20 mph) en llano (82% del esfuerzo para superar la resistencia aerodinámica), o 3,3 m / s (12 km / ho 7,4 mph) en una pendiente del 7% (3,7% del esfuerzo para superar la resistencia aerodinámica).
- 285 W para una bicicleta de 65 kg + ciclista a 11 m / s (40 km / ho 25 mph) en llano (87% del esfuerzo para superar la resistencia aerodinámica) o 5.3 m / s (19 km / ho 12 mph) en una pendiente del 7% (6,1% del esfuerzo para superar la resistencia aerodinámica).
Reducir el peso de la bicicleta + ciclista en 1 kg aumentaría la velocidad en 0.01 m / sa 9 m / s en el piso (5 segundos en un TT de 32 km / h (20 mph) , 40 kilómetros (25 millas) ) . La misma reducción en una pendiente del 7% valdría de 0,04 m / s (90 kg bicicleta + ciclista) a 0,07 m / s (65 kg bicicleta + ciclista). Si uno subiera durante 1 hora, ahorrar 1 libra ganaría entre 69 metros (225 pies) y 110 m (350 pies) - menos efecto para la combinación más pesada de bicicleta + ciclista (p. Ej., 0,06 km / h (0,04 mph) * 1 h * 1600 m (5200 pies) / mi = 69 m (226 pies)). Como referencia, las grandes subidas del Tour de Francia y el Giro de Italia tienen las siguientes notas medias:
Giro de Italia [22]
- Paso Stelvio = 7,45% en 24,3 km;
- Colle delle Finestre = 9,1% en 18,6 km;
- Colle dell'Agnello = 6,5% en 22 km;
- Passolanciano-Maielletta , también conocida como Blockhaus = 9,4% en 22 km;
- Plan de Corones = 10% en 5,2 km;
- Mortirolo = 10,4% en 12,5 km;
- Monte Zoncolan = 12% en 10,1 km;
Tour de Francia
- Tourmalet = 7%
- Galibier = 7,5%
- Alpe D'Huez = 8,6% [23]
- Mont Ventoux = 7,1%.
Ver también
- Bicicleta
- Dinámica de bicicletas y motocicletas
- Medidor de potencia de ciclismo
- Ciclocomputadora
- Esquema de ciclismo
Referencias
- ^ SS Wilson (marzo de 1973). "Tecnología de la bicicleta". Scientific American .
- ^ Wilson, David Gordon; Jim Papadopoulos (2004). Ciencia del ciclismo (Tercera ed.). Instituto de Tecnología de Massachusetts. pag. 343. ISBN 0-262-23111-5.
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- ^ Zorn, Walter (27 de marzo de 2015). "Calculadora de velocidad y potencia" . Consultado el 27 de marzo de 2015 .
- ^ Tabla de datos de generación de perfiles de potencia versión 4.0 por Andy R. Coggan
- ^ Wilson, David Gordon; Jim Papadopoulos (2004). Ciencia del ciclismo (Tercera ed.). La prensa del MIT. pag. 44 . ISBN 0-262-73154-1.
- ^ "Calculadora de ecuaciones de Harris-Benedict" . 2015-03-27. Archivado desde el original el 2 de abril de 2015 . Consultado el 27 de marzo de 2015 .
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- ^ Tenga en cuenta que para la densidad del aire se puede encontrar utilizando la fórmula barométrica . Es 1.293 kg / m 3 a 0 ° C y 1 atmósfera .
- ^ Charles Henry (15 de marzo de 2015). "Diagrama de Crr en función de V" . Consultado el 30 de marzo de 2015 .
- ^ El seno a menudo se descuida; para un tratamiento correcto ver: "Validación de un modelo matemático para la potencia del ciclismo en ruta" por James C. Martin et al., Journal of Applied Biomechanics, Volumen 14, Número 3, 14 de agosto de 1998, págs. 276 - 291 [1]
- ^ Las subidas más duras del Giro de Italia .
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enlaces externos
- Simulación basada en la física del rendimiento en una carrera de bicicletas
- Calcule los requisitos de velocidad y potencia de diferentes tamaños de piñones para diferentes engranajes de buje y desviador