Почему мы можем ездить на велосипеде быстрее, чем бежать? [дубликат]

Все дело в потере энергии во время каждого шага — сухожилия сохраняют часть энергии, но не много. Кенгуру и борзая, например, имеют гораздо более эффективную эластичную память в ногах/сухожилиях , что позволяет им достигать (и поддерживать) более высоких скоростей с меньшими усилиями. Ключевая фраза из аннотации в этой ссылке:

эластичное накопление энергии чрезвычайно важно для экономичности беговых походок

Есть хорошая демонстрация того, что это так. Кто-то изобрел пого-ходули , которые позволяют среднему человеку «бегать» со скоростью 20 миль в час. Они не становятся сильнее, когда их надевают, они просто становятся более эффективными. Это означает, что большая часть физической «работы», выполняемой при их ношении, направлена ​​против сопротивления воздуха — с меньшими потерями при движении мышц.

Обратите внимание, что проблема заключается не в движении центра масс вверх/вниз (хотя это вносит свою лепту), а в том, что мышцы должны растягиваться и сокращаться под напряжением. Когда они движутся в направлении, противоположном силе (когда они совершают «отрицательную работу»), они не запасают энергию. Вы знаете, что это правда — когда вы пытаетесь бежать по крутому склону, это тяжелая работа. Но с точки зрения физики над вами совершается работа... но вы устаете.

Напротив, в велосипеде есть только толкающее движение мышц («положительная работа») - практически нет части движения, где мышца давит на педаль, идущую в обратном направлении (если вы используете правильную технику). В крайнем случае, вы можете довольно долго катиться на своем велосипеде, не крутя педали - нет возможности проехать даже очень короткое расстояние со скоростью ходьбы, не затрачивая при этом значительных усилий, так как вы должны постоянно двигать ногами - и примерно половина этого движения - «сокращение».

В интересной статье о «форме» конкретно говорится о проблеме приземления — на какую часть стопы вы приземляетесь и где. Он четко указывает на необходимость приземляться почти прямо под центром масс тела, другими словами, сводя к минимуму «сокращающую» часть шага.

Пример удачного удара ногой ( источник — Меб Кефлезиги на Бостонском марафоне):

и плохой удар по ноге (слишком далеко вперед) источник :

Неэффективность проявляется как$(1-\cos\theta)$- это количество движения, которое должно быть поглощено. Для маленьких$\theta$который масштабируется с$\theta^2$, поэтому слишком быстро становится проблемой. Сторонники бега босиком утверждают, что мягкие каблуки на многих современных беговых кроссовках подпитывают этот «плохой» стиль, потому что плохо бегать не вредно — вы просто делаете много работы и двигаетесь медленно. И удары в конце концов доходят до ваших суставов.

Возможно, это было бы лучше в качестве комментария, но моя репутация говорит, что я пока не могу комментировать.

Все остальные ответы правильно отражают физический аспект, но с точки зрения биологии есть еще кое-что, что может помочь в общем среднем: вы можете более эффективно отдыхать на велосипеде .

• Вы можете отдохнуть (или, по крайней мере, сберечь немного энергии), спускаясь с горы (фактически повышая свой средний уровень!);
• время от времени можно немного отдохнуть, не слишком теряя скорость (кинетическая энергия колес и меньшее трение);
• чем больше скорость, тем больше снижается сопротивление воздуха (трение) при езде позади другого гонщика, техника, широко используемая в профессиональной езде на велосипеде (вам нужно меньше энергии, чтобы поддерживать ту же скорость, что является еще одной формой небольшого отдыха) ; и так далее.

В то время как при беге вам, как правило, нужно бегать все время, бег вниз на самом деле стоит вам немного больше энергии (при демпфировании, которое не является консервативным, как хорошо описано в ответе @Floris).

более быстрые бегуны на длинные дистанции достигают ~20 км/ч (марафонские рекорды), в то время как самые быстрые велосипедисты могут пробежать ~40 км/ч. Так в чем же причина разницы?

• разная сердечная деятельность?
• различная выходная мощность во время этих действий?
• больше потеря энергии для бега?
• трение?
• влияние велосипедной передачи?
• что-то другое?

Это главный отрицательный фактор, который вы должны учитывать при езде на велосипеде: вы используете больше мышц своего тела и используете гравитацию и силу инерции.

Как вы пишете, скорость пешком вдвое меньше, чем на велосипеде: т.

• потому что во время бега вы сжигаете энергию, когда прыгаете, и почти половина энергии тратится впустую, когда вы падаете на землю, толкая землю, но не делая никакой работы.

• Если бы у вас были пружины под обувью (кроме встроенных пружин в ногах) , эта энергия была бы использована для уменьшения почти наполовину усилия, которое вы прилагаете при следующем прыжке.

• На ровной поверхности вы можете некоторое время крутить педали, отдавать кинетическую энергию системе, а затем использовать силу инерции, чтобы проехать большее расстояние, на самом деле вы умножаете свои усилия.

• Кроме того, когда вы едете на велосипеде, вы задействуете не только мышцы ног, но и мышцы рук , когда подпираете, тянете руками за руль и добавляете силы к давлению ног на педали.

• Если вы попеременно передвигаетесь на ногах, вы используете свой вес и гравитацию, чтобы усилить нажатие на педали.

Это применимо ко всем основаниям, но если мы также рассмотрим траекторию американских горок: когда вы едете в гору, вы тратите энергию на борьбу с гравитацией, но когда вы спускаетесь, ваша скорость не сильно снижается. Если вы едете на велосипеде, вы можете накапливать потенциальную энергию в системе и можете использовать силу гравитации для создания огромного ускорения и достижения действительно очень высоких скоростей.

Я предполагаю, что вы получаете преимущество механического преимущества передачи велосипеда. Кроме того, у вас меньше сопротивления между шиной и поверхностью дороги. Я думаю, что эти два будут составлять большую часть разницы.

Как вы говорите, «чтобы двигаться, нам нужно совершить работу над нашей массой». Однако работа, которую мы производим, не является ограничивающим фактором, когда мы бежим. Насколько эффективно мы преобразуем работу в движение вперед. Велосипед — по своей конструкции — является более эффективным средством для достижения этой цели, чем только наши ноги. Недостатки бега изложены в ответе Флориса.

Это вопрос эффективности:

• Если вы долго держите колени слегка согнутыми, вы устанете, хотя совершенно не двигаете своим телом.
• Если вы просто встанете на один гребок своего велосипеда, когда он немного преодолеет самую высокую точку, вы будете толкать его вниз, создавая движение. Даже если вы стоите на коленях, вы не согнуты, потому что гравитация толкает его вниз.

Если вы сидите на своем велосипеде, вся энергия, которую ваши ноги могут производить, преобразуется в движение (ну, очевидно, всегда есть трата энергии, давайте оставим термодинамику включенной).

Когда вы едете на велосипеде, вы используете свои руки для управления передним колесом, которое управляет направлением и удерживает вас в вертикальном положении небольшими движениями, но ваши ноги работают только на то, чтобы удерживать вас в движении. Таким образом, вам нужно меньше энергии, чтобы поддерживать приличную скорость в течение нескольких часов (20 км/ч очень доступны), и вы можете сосредоточить всю свою силу, чтобы получить очень высокую скорость в спринте (профессиональные байкеры могут разогнаться до 70 км/ч). В этих спринтах вы отталкиваетесь одной ногой, подтягиваетесь другой ногой и даже используете руки, чтобы остановить подъем тела (как будто вы хотите стать тяжелее, чтобы оттолкнуться сильнее).

1. Потому что работа, выполняемая для тяги шкива, меньше, а сопротивление ветру меньше при езде на велосипеде, чем при ходьбе, из-за аэродинамической формы велосипеда.
2. Во время езды на велосипеде вы сидите, а во время ходьбы стоите, что требует больше энергии.
3. Трение между шинами и землей меньше, чем между нашими ногами и землей.

Работа не нужна для переезда

Утверждение «Чтобы двигаться, нам нужно совершить работу над нашей массой» является ложным и вводящим в заблуждение.

Нам нужно совершить работу, чтобы разогнать нашу массу, и нам нужно совершить работу, чтобы преодолеть различные силы сопротивления, но вообще вещи могут перемещаться на сколь угодно большое расстояние при сколь угодно малом количестве работы. Максимальная скорость определяется сопротивлением (например, воздухом), которое увеличивается с увеличением скорости, где количество силы, которую вы можете приложить для ускорения (не движения), соответствует сопротивлению.

Посмотрите на катание на коньках, а не на велосипеде

Езда на велосипеде отличается во многих аспектах, но, возможно, сравнение с конькобежным спортом будет более эффективным. В катании на коньках вы выполняете движения, очень похожие на бег, и можете развивать гораздо большую скорость — скажем, 40+ км/ч на дистанции 10 км.

Если вы не тратите усилия на подпрыгивание веса вверх и вниз, то фактическое сопротивление (необходимая или полезная часть работы) не так уж велико, и вы можете добиться гораздо лучших результатов — катание на коньках, роликах, велосипеде, лыжах. это все способы достижения движения вперед с меньшими затратами энергии на прыжки вверх/вниз на каждом шагу.

Рискну предположить, что если вы заметите, что для набора импульса на велосипеде требуется больше времени, чем при беге, то это потому, что энергии требуется время для накопления в колесах из-за более широкой окружности, которую они имеют в течение циклов, которые мы совершаем с помощью наша педаль (которая примерно равна шагам, которые мы делаем во время бега), и каждый цикл, который делает наша педаль, равен 1 циклу колеса, таким образом, преодолевая большее расстояние, после достижения желаемой скорости мы обнаруживаем, что наша торговля просто не отстает от скорости. колеса. конечно, я понимаю, что мое описание является точным только в принципе, но с технической точки зрения шестерни на задних колесах на самом деле представляют собой меньшие круги, чем педали, поэтому они могут совершать больше циклов, чем педали, на более короткие расстояния по окружности; и именно тогда гораздо большие колеса должны поспевать за вращением шестерен в свою очередь.