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TRANSPORTE PERSONAL: TERRESTRE, ACUÁTICO, AÉREO
Sobre la eficiencia de la bicicleta. Transporte personal
Directorio / Transporte personal: terrestre, acuático, aéreo La eficiencia de una bicicleta, tanto biológica como mecánicamente, es muy alta. Los investigadores calcularon que, en términos de la cantidad de energía que una persona debe gastar para recorrer una distancia determinada, una bicicleta es el vehículo autopropulsado más eficiente. Desde un punto de vista mecánico, hasta el 99% de la energía se transfiere de los pedales a las ruedas, aunque el uso de un mecanismo de cambio de marchas puede reducir esta cantidad entre un 10 y un 15%. En términos de la carga útil que puede transportar una bicicleta en relación con su peso total, una bicicleta es también el medio más eficiente para transportar carga. Eficiencia energética Una persona que anda en bicicleta a velocidades bajas a medias (16-24 km/h) utiliza la misma cantidad de energía que caminar, lo que hace que la bicicleta sea el medio de transporte más eficiente desde el punto de vista energético disponible para el público. La resistencia aerodinámica, que aumenta aproximadamente proporcional al cuadrado de la velocidad, requiere mayor potencia en relación con la velocidad debido a que a medida que aumenta la velocidad de la bicicleta, la potencia requerida aumenta en una relación cúbica, ya que la potencia es igual a la velocidad multiplicada por fuerza: P = F * v (Fig. 1.). Una bicicleta en la que el ciclista está en posición reclinada se llama ligrad (también conocida como reclinada), y si la bicicleta tiene un carenado aerodinámico utilizado para lograr una resistencia aerodinámica muy baja, entonces se llama aerodinámica. Gráfico de potencia requerida frente a la velocidad de la bicicleta
Sobre una superficie dura y plana, una persona de 70 kg necesita unos 30 vatios de energía para moverse a una velocidad de 5 km/h. Una misma persona en bicicleta, estando en la misma superficie y gastando la misma potencia, puede desplazarse a una velocidad media de 15 km/h, por lo que el consumo energético en kcal/(kg*km) será aproximadamente tres veces menor. Generalmente se utilizan los siguientes números: 1.62 kJ / (km * kg) para ciclismo, 3.78 kJ / (km * kg) para caminar / correr, 16.96 kJ / (km * kg) para nadar. Los ciclistas recreativos normalmente pueden producir 3 W/kg durante más de una hora (por ejemplo, alrededor de 210 W para un ciclista de 70 kg), los mejores aficionados pueden alcanzar 5 W/kg y los atletas de élite pueden alcanzar 6 W/kg durante períodos de tiempo similares. Los ciclistas de élite en pista de velocidad son capaces de alcanzar brevemente niveles de potencia máxima de alrededor de 2000 vatios, o más de 25 W/kg; Los ciclistas de carretera de élite pueden ofrecer brevemente una potencia máxima de 1600 W a 1700 W para cruzar instantáneamente la línea de meta al final de una carrera de cinco horas. Incluso cuando se mueve a velocidades moderadas, la mayor parte de la energía se gasta en superar la resistencia aerodinámica, que aumenta con el cuadrado de la velocidad. Por tanto, la potencia necesaria para superar la resistencia del aire aumenta en proporción al cubo de la velocidad. Velocidades típicas de ciclismo Las velocidades típicas de las bicicletas oscilan entre 15 y 30 km/h. En una bicicleta de carreras rápida, el ciclista medio puede circular a 50 km/h sobre una superficie plana durante cortos períodos de tiempo. La velocidad más alta registrada oficialmente para un vehículo impulsado por la fuerza muscular mientras se desplazaba sobre una superficie nivelada con tiempo tranquilo y sin ayuda externa (es decir, sin ningún coche o motocicleta circulando delante del vehículo) fue de 133,284 km/h. Este récord lo estableció Sam Whittingham en 2009 en Varna. En 1989, durante la Race Across America, un grupo de vehículos propulsados por músculos cruzó Estados Unidos en sólo 6 días. La velocidad más alta registrada oficialmente al andar en bicicleta con el ciclista en posición erguida normal, en igualdad de condiciones, fue de 82,52 km/h a una distancia de más de 200 metros. Este récord lo estableció en 1986 Jim Glover en una bicicleta Multon AM7 en el Tercer Simposio Científico Internacional sobre Vehículos Propulsados por Músculos en Vancouver. Peso contra potencia Se celebró una gran competición cuyo objetivo era reducir el peso de las bicicletas de carreras mediante el uso de materiales y componentes modernos. Además, las ruedas modernas cuentan con cojinetes de baja fricción y otras características para reducir la resistencia, pero en las pruebas realizadas estos componentes tuvieron poco efecto en el rendimiento de la bicicleta mientras se circulaba por una carretera plana. Por ejemplo, reducir el peso de una bicicleta en 0,45 kg tendrá el mismo efecto en una contrarreloj de 40 km en una carretera llana que eliminar cualquier parte saliente que tenga una superficie aerodinámica del tamaño de un lápiz. Además, la Unión Ciclista Internacional establece un límite en el peso mínimo de una bicicleta que podrá participar en carreras, con el fin de desalentar la creación de bicicletas que sean tan delgadas que resulten inseguras de usar. Por esta razón, al desarrollar los últimos modelos de bicicletas, todos los esfuerzos se dirigieron a reducir la resistencia aerodinámica mediante el uso de tubos con formas aerodinámicas, radios planos en las ruedas y el uso de un manillar tal que la posición del torso y las manos del ciclista tuviera una aerodinámica mínima. arrastrar. Estos cambios pueden afectar significativamente el rendimiento, reduciendo el tiempo necesario para completar el curso. Menos peso resulta en un gran ahorro de tiempo cuando se conduce cuesta arriba en terreno montañoso. Energía cinética de una rueca Miremos la energía cinética y las "masas giratorias" de una bicicleta para examinar el efecto de la energía rotacional en comparación con las masas no giratorias. La energía cinética de un objeto en movimiento de traslación está determinada por la fórmula E=0.5 mv2 Donde E es energía en julios, m es masa en kilogramos, v es velocidad, m/seg. Para masas en rotación (por ejemplo, para una rueda), la energía cinética de rotación se define como E=0.5Iω2 Donde I es el momento de inercia, ω es la velocidad angular en radianes por segundo. Para una rueda con toda su masa ubicada en el borde exterior (usamos esta aproximación para una rueda de bicicleta), el momento de inercia será I=0.5 mr2 Donde r es el radio en metros. La velocidad angular está relacionada con la velocidad de avance y el radio del neumático. Si no hay deslizamiento, entonces la velocidad angular estará determinada por la fórmula: ω=v/T cuando masas en rotación se mueven a lo largo de una carretera, la energía cinética total es igual a la suma de la energía cinética del movimiento de traslación y rotación: E=0.5 mv2 + 0.5Iω2 Sustituyendo I y ω en la expresión anterior, obtenemos E=0.5mv2 +0.5 señor2 *v2/r2 El término r2 se cancela, y como resultado obtenemos la expresión E=0.5mv2 +0.5mv2 = mv2 En otras palabras, la energía cinética de las masas giratorias de las ruedas es el doble que la energía de las masas estacionarias de la bicicleta. Hay algo de verdad en el viejo dicho: "una libra menos de peso en las ruedas equivale a 2 libras menos en el peso del cuadro". Todo esto depende, por supuesto, de qué tan cerca se aproxima el aro delgado a una rueda de bicicleta. En realidad, no es posible concentrar toda la masa en la llanta. En comparación, el otro extremo sería una rueda cuya masa se distribuye uniformemente por todo el disco. En este caso I = 0.5 mr2, y por lo tanto la energía cinética total resultante se vuelve igual a E = 0.5mv2 +0.25mv2 = 0.75 mv2. Reducir el peso de una rueda en un kilogramo equivale a reducir el peso del cuadro de una bicicleta en 1,5 kg. La mayoría de las ruedas de bicicletas reales estarán en algún punto intermedio entre estos dos extremos. Otra conclusión interesante de esta ecuación es que para las ruedas de bicicleta que no patinan al moverse, la energía cinética no depende de su radio. En otras palabras, la ventaja de las ruedas de 650 mm es su bajo peso y no su menor diámetro, como suele afirmarse. La energía cinética de las otras masas giratorias de la bicicleta es muy pequeña en comparación con la energía cinética de las ruedas. Por ejemplo, si pedaleas a aproximadamente 1/5 de la velocidad de las ruedas, entonces su energía cinética será aproximadamente 1/25 (por unidad de peso) de la energía de las ruedas. Como su centro de masa se mueve a lo largo de un radio más pequeño, su energía se reduce aún más. Convertir a kilocalorias Suponiendo que la rueda que patina se puede considerar como la suma de las masas de la llanta y el neumático más otros 2/3 de la masa de los radios, todo centrado en la llanta/neumático. Para un ciclista de 82 kg en una bicicleta de 8 kg (peso total 90 kg) a 40 km/h, la energía cinética sería de 5625 julios para el ciclista más 94 julios para las ruedas que patinan (1,5 kg es el peso total de las llantas, neumáticos y radios). . Al convertir julios a kilocalorías (para hacer esto es necesario multiplicar los julios por 0,0002389), obtenemos 1,4 Kcal (estas son calorías de los alimentos). Estas 1,4 kcal son la energía que se necesita para acelerar la moto desde parada, o que se disipa en forma de calor al frenar para detenerla por completo. Estas 1,4 kilocalorías son suficientes para calentar 1 kg de agua a 1,4 grados centígrados. Dado que la capacidad calorífica del aluminio es el 21% de la capacidad calorífica del agua, esta cantidad de energía es suficiente para calentar ruedas de 800 gramos hechas de aleación de aluminio a 8 ° C durante una parada rápida. Las llantas no se calientan mucho al detenerse en una carretera llana. Para calcular el consumo de energía de un ciclista, se supone que la eficiencia es del 24%, lo que da como resultado 5,8 kcal necesarias para acelerar la bicicleta y el ciclista a una velocidad de 40 km/h, lo que requiere aproximadamente el 0,5% de la energía necesaria para andar a esa velocidad. una velocidad de 40 km/h durante una hora. Este gasto energético se producirá a lo largo de 15 segundos, a un ritmo de aproximadamente 0,4 kcal por segundo, mientras que una conducción constante a 40 km/h requiere 0,3 kcal por segundo. Beneficios de las ruedas ligeras La ventaja de las bicicletas ligeras, y en particular de las ruedas ligeras, en relación con la energía cinética es que la energía cinética sólo comienza a tener efecto cuando cambia la velocidad de la bicicleta, por lo que hay dos casos en los que las ruedas ligeras proporcionan una ventaja: al correr y al negociar. giros cerrados en el criterio. En un sprint de una distancia de 250 m, moviéndose a una velocidad de 36 a 47 km/h, con una bicicleta y un atleta que pesan 90 kg, más otros 1,75 kg de peso de las ruedas (llantas, neumáticos, radios), la energía cinética aumenta. por 6360 julios (6,4 kcal). Si se reduce el peso total de llantas, neumáticos y radios en 500 g, esta energía cinética disminuirá en 35 J (1 kcal = 1,163 vatio-hora). El efecto de este ahorro de peso sobre la velocidad o la distancia recorrida es bastante difícil de calcular, lo que requiere conocer la potencia generada por el atleta y la longitud de la distancia recorrida. Los cálculos muestran que reducir el peso de las ruedas en 500 gramos dará al velocista una ganancia de tiempo de 0,16 segundos y una ganancia de distancia recorrida de 188 cm. Si las ruedas son aerodinámicas, la ganancia será de 0,05 km/h a A una velocidad de 40 km/h, el beneficio de la reducción de peso será insignificante en comparación con el beneficio obtenido de la forma aerodinámica de las ruedas. A modo de comparación, las mejores ruedas aerodinámicas de bicicleta dan una ganancia de aproximadamente 0,6 km/h a 40 km/h, por lo que en el sprint vale la pena utilizar un juego de ruedas aerodinámicas que pesen 500 g o menos. En un criterium (carrera en circuito en grupo), el piloto suele acelerar bruscamente después de cada curva. Si un ciclista debe frenar antes de cada giro (en lugar de ir por inercia para reducir la velocidad), entonces la energía cinética que se agrega durante cada aceleración se pierde en forma de calor durante el frenado. En una carrera de criterio en terreno llano a una velocidad de 40 km/h, con una longitud de vuelta de 1 km y cada vuelta con 4 curvas, la pérdida de velocidad en cada curva es de 10 km/h. La duración de la carrera es de una hora, el peso del ciclista es de 80 kg, la bicicleta es de 6.5 kg, las llantas, discos y radios pesan 1.75 kg, en esta carrera tendrás que superar 160 vueltas. Esto requerirá 387 kcal adicionales a las 1100 kcal necesarias para conducir a velocidad constante la misma distancia. Reducir el peso de la rueda en 500 g reducirá el consumo energético total del cuerpo en 4,4 kcal. Si agregar 500 g adicionales de peso a las ruedas resultara en una reducción del 0,3 % en la resistencia aerodinámica (es decir, un aumento de 0,03 km/h en la velocidad cuando se conduce a 40 km/h), entonces las calorías gastadas para compensar el peso adicional se compensarían. por la reducción de la resistencia aerodinámica. Otro lugar donde las ruedas livianas pueden ser una gran ventaja es cuando se conduce cuesta arriba. Incluso se puede escuchar una expresión como “estas ruedas agregaron 0,5-1 km/h de velocidad”, etc. De la fórmula para calcular la potencia se deduce que 450 gramos de peso ahorrado darán un aumento de 0,1 km/h en la velocidad cuando subir una pendiente con una pendiente de 4°, e incluso los 1,8 kg de peso ahorrados darán un aumento de velocidad de sólo 0,4 km/h para un atleta ligero. Entonces, ¿cuál es la causa de los importantes beneficios de reducir el peso de las ruedas? Algunos sugieren que no se trata de un ahorro, sino de un “efecto placebo”. También se sugirió que el cambio de velocidad con cada pedaleo al conducir cuesta arriba explicaba la ventaja obtenida. Sin embargo, la energía se conserva durante los cambios de velocidad: durante la fase de pedaleo, la bicicleta acelera ligeramente, mientras se acumula energía cinética, y en las "zonas muertas", mientras los pedales pasan el punto máximo del recorrido, la bicicleta desacelera, de modo que la cinética se restablece la energía. Por lo tanto, aumentar la masa giratoria puede reducir un poco la variación en los cambios de velocidad de la bicicleta, pero no aumenta la necesidad de energía adicional. Las bicicletas más ligeras son más fáciles de subir, pero el efecto de la "masa giratoria" es sólo un problema durante la aceleración rápida, e incluso entonces es pequeño. Explicaciones Las posibles explicaciones técnicas de los beneficios ampliamente afirmados de los componentes livianos en general, y de las ruedas livianas en particular, son las siguientes: 1. El peso ligero gana en carreras con subidas importantes, porque las bicicletas más pesadas no pueden compensar la pérdida de energía en el descenso o al andar en llano: el ciclista de una bicicleta más ligera simplemente se desliza. Además, si dos ciclistas idénticos en una bicicleta pesada y otra ligera llegan simultáneamente al punto más bajo después de subir a la línea de meta, entonces toda la ventaja es para la bicicleta ligera. Este no es el caso en las contrarreloj montañosas (o en la conducción en solitario), donde la ventaja de unas ruedas más pesadas pero más aerodinámicas compensa fácilmente la distancia perdida en las subidas. 2. Las bicicletas más ligeras ganan en los sprints porque son más fáciles de acelerar. Pero tenga en cuenta que las ruedas aerodinámicas más pesadas brindan beneficios significativos al aumentar la velocidad, y durante gran parte de la carrera el velocista acelera ligeramente, pero principalmente dedica todo el esfuerzo a superar la resistencia aerodinámica. En muchas situaciones de sprint, unas ruedas más pesadas pero más aerodinámicas pueden ayudarte a ganar. 3. El peso ligero da una ventaja en el criterio debido a la aceleración constante después de cada curva. Las ruedas más pesadas pero más aerodinámicas proporcionan una ligera ventaja ya que los ciclistas están en grupo la mayor parte del tiempo. El ahorro de energía que suponen las ruedas ligeras es mínimo, pero puede ser más significativo ya que los músculos de las piernas tienen que hacer un esfuerzo extra cada vez que pisas los pedales. Hay dos explicaciones "no técnicas" para el efecto de peso ligero. Primero, está el efecto placebo. Como el ciclista siente que está en una bicicleta mejor (ligera), pedalea más fuerte y por tanto va más rápido. La segunda explicación, no técnica, es el triunfo de la esperanza sobre la experiencia del ciclista: debido al menor peso de la bicicleta, su velocidad aumenta ligeramente, pero el ciclista piensa que va más rápido. A veces esto se debe a la falta de datos reales, como cuando un ciclista tardó dos horas en subir una colina con su bicicleta vieja pero lo hizo en 01:50 con su bicicleta nueva. No se tienen en cuenta factores como la idoneidad del ciclista para la bicicleta durante estas dos subidas, si hacía calor o viento, en qué dirección soplaba el viento, cómo se sentía el ciclista, etc. Otra explicación, por supuesto, podrían ser los beneficios de marketing asociados con la promoción de la pérdida de peso. Al final, el argumento del "aumento del consumo de energía muscular" es el único que puede respaldar los supuestos beneficios de las ruedas ligeras en situaciones en las que se necesita una aceleración rápida. Este argumento argumentaría que si un ciclista ya está al límite de esfuerzo en cada brazada o pedaleo, entonces la pequeña cantidad de potencia extra necesaria para compensar el peso extra representaría una carga fisiológica significativa. No está claro si esta afirmación es cierta, pero es la única explicación de los supuestos beneficios de reducir el peso de las ruedas (en comparación con la reducción del peso del resto de la bicicleta). Para estas aceleraciones, no importa si las ruedas se vuelven medio kilogramo más ligeras o el peso de la bicicleta y el atleta se vuelven más livianos en un kilogramo. La maravilla de las ruedas ligeras (en comparación con la reducción de peso de cualquier otra parte de la bicicleta) es difícil de ver.
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