Что делает бег менее энергосберегающим, чем езда на велосипеде?

Одно слово: инерция. Когда вы едете на велосипеде по ровному склону, вам просто нужно дать ему толчок, чтобы начать движение, и тогда вы сможете некоторое время двигаться по инерции, прежде чем трение и сопротивление воздуха замедлят вас. Другими словами, колеса с относительно низким коэффициентом трения означают, что кинетическая энергия велосипеда не рассеивается быстро. Но у человеческого тела нет колес, поэтому во время бега вам нужно дать хороший пинок, чтобы начать движение, затем еще один пинок, чтобы продолжить движение на следующем шаге, и так далее. Когда речь идет о холмах, разница еще более заметна, поскольку мы бежим вниз так же, как и по ровной местности, постоянно подталкивая себя вперед; тогда как на велосипеде вы можете воспользоваться склоном и просто спуститься по нему.

Я подозреваю, что подъем и опускание вашего центра масс не так неэффективны, как предполагали другие ответы. Это потому, что ваши ноги упругие, поэтому, по крайней мере, в какой-то степени вы просто преобразуете энергию туда и обратно между гравитационным потенциалом и силой пружины в ногах. Люди, возможно, являются самыми эффективными бегунами на длинные дистанции в животном мире. Существует школа мысли, которая говорит, что причина, по которой мы двуногие, заключается в том, что мы эволюционировали как охотники на выносливость, преследуя свою добычу, пока она не рухнет от истощения, а не пытаясь обогнать ее на короткие расстояния. Правда это или нет, но мы, вероятно, не стали бы делать все эти подпрыгивания вверх и вниз, если бы для этого не было веских причин.

Вы можете спросить, почему, если использование колес намного эффективнее, мы не развили их вместо этого? Я не знаю, но, похоже, ни одно животное не смогло развить колесное передвижение.

Многие из нас хоть раз в жизни катались на велосипедах. и на самом деле этот вид транспорта в последнее время стал заметно популярнее из-за нехватки энергии. Каждое утро в моем университете, Дюк, можно увидеть людей, едущих на машинах с массой$10$к$20$килограммов и изо всех сил пытается добраться до одного из входов в кампус на вершине длинного крутого холма. Как и во многих других аспектах передвижения животных, здесь есть парадокс. Почему люди должны обременять себя такими тяжелыми снарядами, особенно при подъеме в гору? Задайте этот вопрос гонщику, и обычно ответ будет: «Это легче, чем идти пешком» или «Это быстрее, чем идти пешком». Но почему это должно быть?

Предлагается ряд неверных объяснений: «У велосипеда есть шестерни». Переключение передач позволяет водителю изменять скорость движения ног; но даже если скорости пешехода и велосипедиста совпадают, велосипедист все равно проедет дальше и за меньшее время при заданном количестве энергии, чем пешеход. «Ваш вес поддерживается сиденьем». Но если вы крутите педали стоя, езда на велосипеде по-прежнему быстрее и требует меньше энергии, чем ходьба пешком. «Ваш центр тяжести не перемещается вверх и вниз». Но это так, если крутить педали стоя. Почему же тогда ездить на велосипеде легче, чем ходить или бегать?

[…]*

Теперь мы можем понять, почему велосипедисты готовы использовать дополнительный вес велосипеда, даже когда они едут в гору. Стоимость перевозки на велосипеде невысока, так как активные мышцы не растягиваются при вращении педалей, а средняя эффективность мышц составляет около$.25$, почти максимальное значение. Колеса стабилизируют центр масс водителя. Даже если всадник ускоряет центр масс вертикально, крутя педали стоя, нет необходимости растягивать активные мышцы. Когда центр масс падает, кривошипы, звездочки, цепь и заднее колесо образуют систему рычагов, переводящих вертикальное движение в горизонтальное за счет приложения перпендикулярной силы. Таким образом, люди могут использовать внешние механизмы для перемещения по ровной поверхности с той же мышечной эффективностью, которой обладают плавающие и летающие животные.

Энергетическая стоимость передвижения: Ходьба и бег — чрезвычайно неэффективные формы передвижения. Гораздо большей эффективности достигают птицы, рыбы и велосипедисты. В. А. Такер, американский ученый, Vol. 63, № 4 (июль-август 1975 г.), стр. 413-419.

*Конечно, в большей части статьи я поставил "[...]". Вполне неплохое, веселое чтение. Есть даже какой-то галилейский эксперимент по сбрасыванию голубей и крыс с высоты.

• Велосипед лучше использует инерцию/импульс. Как сказал Натаниэль, один толчок, и вы можете двигаться довольно долго. Это просто невозможно во время бега.

• Бег тратит энергию на движения вверх и вниз. В дополнение к движению вперед, бег требует значительного толчка вверх, чтобы поднять ваше тело в воздух, давая вам время, чтобы выставить другую ногу вперед. Затем вы амортизируете и снова прыгаете вперед и вверх. В то время как езда на велосипеде имеет компонент движения вверх-вниз при вращении педалей, поскольку велосипед не отрывается от земли, энергия, которую вы используете при вращении педалей, гораздо эффективнее преобразуется в движение вперед.

• Езда на велосипеде может преобразовать вес в движение. В то время как большинство серьезных велосипедистов скажут вам, что вращение педалей — это вращение, а не шаг, любой 10-летний ребенок может сказать вам, что вращение задницей в воздухе и перенос веса с левой стороны на правую помогает вам двигаться довольно быстро.

• Педалирование с туклипсами использует все движение ноги. Когда ваши ноги зафиксированы на педалях, используется не только часть нажатия педали; поднимая ногу, вытягивая ее вперед, толкая вниз и отталкивая назад, все это поддерживает натяжение этой цепи и, таким образом, увеличивает мощность гребка. При беге полная половина цикла вашей стопы тратится впустую с точки зрения движения вперед.

• Езда на велосипеде дает вам механическое преимущество. Даже на велосипеде с одной передачей движение вашей ноги усиливается при переносе на колесо. На многоскоростном велосипеде передаточное число высшей передачи действительно довольно высокое. Это позволяет две вещи; во-первых, ваши усилия увеличиваются, а во-вторых, ваш темп замедляется, что снижает количество энергии, затрачиваемой на перемещение веса ваших ног.

• Бег требует интенсивных мышечных сокращений с низким рабочим циклом, тогда как езда на велосипеде требует длительных, плавных сокращений. Если вы поработаете над бегом, вы легко дойдете до того, что он перестанет быть аэробным испытанием, но останется тяжелым: вам почти не нужно дышать, но ноги борются с накоплением молочной кислоты.

• Бег тратит намного больше энергии на компенсирующие движения: бегуну приходится двигать туловищем и руками, чтобы компенсировать ударное движение ног. Движение ноги при беге несимметрично: удар восстанавливающей ноги вперед быстрее, чем движение ведущей ноги назад, поэтому рука с той же стороны, что и восстанавливающая нога, должна отклоняться назад, чтобы компенсировать ее движение. Компенсация на велосипеде в основном ограничивается раскачиванием из стороны в сторону во время сильного усилия.

• Бегун в основном летит по воздуху, но периодически опускается и касается земли одной ногой, а затем прилагает усилие, чтобы снова подняться в воздух. Однако это не достигается за счет эффективного эластичного отскока. Энергия приземления рассеивается, а не сохраняется и используется повторно. На самом деле, бегун должен приложить энергию, чтобы выдержать приземление, а затем приложить еще больше энергии, чтобы вернуться в воздух. Таким образом, бегун тратит значительную энергию, чтобы оставаться в воздухе.

• В зависимости от характера приземления бегун может непродуктивно прилагать энергию, которая замедляет (тормозит) его движение вперед, а затем ему приходится прилагать больше энергии для восстановления импульса.

Многие ответы здесь касаются движения вашего центра тяжести и т. д. Я думаю, что это намного проще.

Когда вы едете на велосипеде, ваше вертикальное движение педалей преобразуется в горизонтальное движение колес, в сочетании с инерцией небольшое количество энергии может иметь большое значение.

В то время как во время бега вы тратите энергию на движение по горизонтали, чтобы занять места, а также по вертикали, чтобы уменьшить трение о пол. Однако все вертикальное движение борется с гравитацией и тратится впустую, поскольку ваше вертикальное движение не приближает вас к месту назначения.

Этот ответ предполагает, что расстояние находится над плоской поверхностью. Как только вы добавляете к нему трехмерный аспект, система переворачивается с ног на голову.

Для горизонтального движения велосипед лучше всего подходит, так как его колеса, в отличие от ног, спроектированы таким образом, чтобы уменьшить трение.

Однако, как только вы доберетесь до склона, отсутствие трения заставит велосипед катиться назад, если в систему не будет вложена постоянная энергия, тогда как повышенное трение, возникающее при беге, позволяет любому остановиться и остаться на месте.

Как только вы доберетесь до подъема с места, бег станет намного эффективнее, чем езда на велосипеде.

Это легче всего понять, если вы начнете с рассмотрения крайних случаев крутых подъемов и спусков.

На самом деле не во всех случаях бег менее эффективен, чем езда на велосипеде. В работе Minetti et al. («Затраты энергии при ходьбе и беге по экстремальным подъемам и спускам», DOI 10.1152/japplphysiol.01177.2001.), было обнаружено, что, когда элитные бегуны в горах бегут в гору на беговой дорожке при уклоне более 0,20, эффективность становится примерно равной 0,20. 0,25, что является эффективностью концентрических сокращений мышц. («Концентрический» означает, что направление движения совпадает с направлением сокращения мышцы, как при подтягивании.) Это верхний предел эффективности любого способа подъема в гору с участием человека. так что, поскольку тренированные бегуны достигают этого, они не менее эффективны, чем велосипедисты на этих склонах.

На крутом спуске велосипедист может двигаться по инерции, при этом мышцы ног не расходуют энергию. Бег под гору требует энергии. На самом деле эффективность бегуна отрицательна, потому что снижается гравитационная потенциальная энергия тела человека, при этом энергетические запасы организма истощаются. Минетти измерил эффективность спуска на уклонах круче, чем$-0.20$быть$-1.20$, а это примерно КПД мышц при эксцентрическом сокращении (как опускание от подтягивания).

Таким образом, если мы можем понять, почему при опускании вниз после подтягивания расходуется энергия, то мы автоматически получаем также и физиологическое объяснение несовершенной эффективности спуска на самых крутых склонах, а затем путем интерполяции мы получаем объяснение того, почему бег менее затратен. эффективнее, чем езда на велосипеде по обычным склонам или по равнине.

Причина того, что мышечная ткань расходует энергию при эксцентрических сокращениях, заключается в том, что в организме существуют процессы, рассеивающие тепло, когда мышца находится под напряжением. Например, тело должно сжигать топливо для поддержания мышечного напряжения, а также при движении мышцы возникает внутреннее трение.

В дополнение к описанным выше процессам существуют и другие механизмы рассеивания энергии, в том числе рассеивание энергии на вибрацию и звук при ударе ногой бегуна.

Чтобы расширить ответ Ника, когда вы бежите, вы немного подпрыгиваете, чтобы поднять свой центр масс, что стоит вам энергии, равной

Теперь, когда вы опускаете свой центр масс, энергия рассеивается, поскольку вертикальное ускорение, полученное при опускании, не увеличивает вашу горизонтальную скорость.

Это определенно одна из причин.

Кроме того, можно подумать о рассеиваемой мощности, что может дать нам больше информации. Например, у нас есть следующее тождество:

Кроме того, давайте предположим, что потери мощности в обоих случаях одинаковы и что входная мощность одинакова в обоих случаях (в конце концов, мы используем одинаковые мышцы в обоих случаях).

Теперь у нас очень разные скорости в обоих случаях, и мы, вероятно, также могли бы согласиться с тем, что если мы бежим, создается гораздо больше силы, поскольку мы можем очень быстро разогнаться до нашей максимальной скорости. Пока все соответствует формулам.

Теперь мы легко можем убедить себя, что даже если бы эффективность была одинакова в обоих случаях, потери энергии при беге были бы больше, потому что мы делаем это дольше на одно и то же пройденное расстояние.

Это связано с биологической неэффективностью поддержания механического ограничения одной ноги неподвижной по отношению к полу, в то время как остальная часть тела движется.

Предположим, что один фигурист на льду и другой на роликах используют примерно одинаковое количество энергии, чтобы разогнаться, скажем, до 5 км/с. Оба обладают другим, но эффективным по сравнению с ходьбой механизмом, который поддерживает эту скорость, удовлетворяя при этом любые механические ограничения. Для катков точка контакта между землей и катком должна быть неподвижной. При ходьбе стопа, соприкасающаяся с землей, должна быть неподвижной, а биологический механизм этого вносит гораздо большие биологические потери.

Однако существуют гораздо более эффективные виды биологического транспорта, такие как прыжки , как в случае с кенгуру, которые используют половину энергии марафонца. Кинетическая энергия преобразуется в потенциальную энергию в сухожилиях при сохранении механического ограничения, при этом большая часть преобразуется обратно в кинетическую энергию при отрыве от земли.

Можно быстро предположить, что при беге вы поднимаете свой центр масс с каждым шагом, в то время как при езде на велосипеде ваш центр масс имеет постоянную высоту. Поэтому вы работаете только против сопротивления воздуха/трения в механике велосипеда. Во время бега вы также работаете против гравитации.

Разница заключается в основном механизме, который преобразует химическую энергию в кинетическую энергию транспортного средства или тела. Ответ заключается в том, что велосипедный механизм (из-за наличия колес и т. д.) способен лучше преобразовывать эту энергию.

Классический аналог – рычаг или шкив. С помощью рычага или шкива можно поднять вес, который было бы очень трудно (или даже невозможно) поднять голыми руками.

Таким образом, чтобы поддерживать ту же среднюю скорость на велосипеде, нужно использовать меньше химической энергии (чем при беге) и, как следствие, выделять меньше тепла.

« Дайте мне точку опоры, и я смогу сдвинуть землю »

                                            -- Архимед о принципе рычага (якобы)

Связанный ответ по принципу механического рычага (и вариации)

Поскольку уже есть ответы, которые очень хорошо это объяснили, мы можем провести аналогию, чтобы понять это дальше.

Учтите, что квадратное колесо — это мы, а круглое колесо — это цикл. Теперь попробуем повернуть квадратное колесо. Когда вы это сделаете, нормальная сила будет действовать от правого края колеса, а не от центра, чтобы предотвратить его опрокидывание. (Крутящий момент будет действовать в противоположном направлении и остановит его вращение). Так что единственный возможный вариант - подцепить это колесо в воздухе и поставить на следующий шаг.

Но в случае круглого колеса нормальная реакция всегда действует в самой нижней точке колеса, и крутящий момент из-за нормальной силы всегда будет равен нулю. Таким образом, на круглое колесо не действует сила, которая могла бы остановить его вращение. Из-за этого, если круглое колесо толкнуть, оно будет продолжать вращаться без каких-либо дополнительных усилий. (Поскольку нет противоположной силы).

Теперь, если мы сравним оба колеса, подъем колеса и опускание на каждой ступеньке всегда будет более энергозатратным или потребует больше работы.

Я думаю, что основными причинами являются:

1. У нас есть тяжелые ноги, предназначенные больше для лазания или медленной ходьбы, где они могут раскачиваться, как маятник.
2. Мы должны запускать и останавливать наши ноги, используя наши мышцы, тогда как кривошип на велосипеде повторяет импульс, как коленчатый вал двигателя перерабатывает импульс поршня.
3. Наши мышцы не перерабатывают энергию, поступающую обратно в них. Другими словами, у нас нет рекуперативного торможения. На самом деле мы тратим немного энергии на то, чтобы что-то остановить, толкнуть или удержать без движения, что немного похоже на потери сопротивления (потери в меди) в соленоидном приводе. Хотя мышцы эффективны, мы не используем их эффективно во время бега.