Влияет ли передаточное число на мощность?

Я подозреваю, что вы имеете в виду эффективность, а не мощность.

На мой взгляд, основной компромисс заключается в увеличении биомеханических потерь при более высоких оборотах (в основном мышечное трение) и уменьшении кровотока при более высоких усилиях при более низких оборотах. Баланс зависит как от гонщика, так и от продолжительности.

В журнале IHPVA Journal of Human Power, выпуск 45 (pdf, индекс здесь ) есть статья под названием «Максимальная человеческая сила», в которой говорится о Тайлере Гамильтоне, выигравшем восхождение на гору Вашингтон за 51 минуту:

«Однако он проехал большую часть подъема на шестерне с 23 зубьями и сделал несколько скачков на шестерне с 21 зубцом». Если бы у него были колеса диаметром 700 мм, что кажется вероятным, его средний каденс был бы 63 об/мин.

Стоит прочитать всю статью, и, возможно, будет полезно просмотреть указатель для поиска похожих статей.

Обратной стороной является то, что лучшие спринтеры часто разгоняются до 150 об/мин в финальном спринте. В этот момент они обменивают биомеханическую эффективность на пиковую мощность. Раньше я достигал пиковой мощности более 900 Вт в течение 10 секунд (> 8 Вт / кг) при скорости около 130 об / мин, но моя часовая производительность около 350 Вт использовала частоту вращения около 80-90 об / мин.

Настоящий ответ зависит от вас. Это будет зависеть от формы вашего тела, типа мышц, физической подготовки и других временных факторов. На этот вопрос также лучше всего ответить экспериментом, и он должен быть частью вашего графика тренировок, если вы участвуете в соревнованиях. Если нет, я предлагаю найти восхождение, на котором вы регулярно ездите, и вести дневник тренировок .

Также было много дискуссий по поводу гидратации при длительных подъемах. Лучше пить воду и начать с большего веса или бегать слегка обезвоженным, чтобы меньше весить? IIRC пришел к выводу, что увлажнение стало лучше, но я не могу найти ссылку.

Учитывая того же гонщика, тот же вес велосипеда и то же время набора высоты, влияет ли ваша передача на мощность? Также предположим, что набор высоты эффективен, шины не проскальзывают, нормальное вращение педалей и т. д.

Ну, это зависит от того, какую "мощность" вы измеряете :-).

Очевидно, что мощность велосипеда в целом одинакова — если он движется с той же скоростью, то и мощность одинакова.

Однако сила, которую проявляет ваше тело, может быть разной по ряду причин:

• Мышцы, вероятно, имеют скорость и уровень силы, при которых они наиболее эффективны, поэтому химическая энергия/мощность, которую ваше тело должно проявить для создания мышечного движения, будут другими.
• Различные процессы потери энергии из-за изгиба, трения и т. д., вероятно, будут различаться в зависимости от зубчатой ​​передачи. Например, на более низких передачах цепь будет двигаться быстрее (следовательно, больше трение), с другой стороны, натяжение цепи будет меньше, что, вероятно, уменьшит трение. Кроме того, на более низких передачах изгиб рамы в ответ на усилия цепи, вероятно, будет ниже.

У меня сложилось впечатление (хотя у меня нет подтверждающих меня источников), что, как правило, человеческая система наиболее энергоэффективна (т. е. лучшее соотношение мощности педали и усилия) при частоте вращения педалей около 90-100 об/мин, так что велосипедист должен стремиться к.

Интересно, что лучший каденс для максимальной мощности, по-видимому, намного ниже, поэтому профессиональные велосипедисты будут использовать высокие передачи и низкий каденс для спринта - однако это гораздо более утомительно, чем более высокие частоты вращения педалей, поэтому неэффективно на длинных дистанциях.

Может быть, это разница между, как вы это называете, «изотонической» и « изометрической » работой?

Я имею в виду, что, например, человеку требуется много усилий (силы, мощности или работы), чтобы попытаться сдвинуть неподвижный предмет: оттолкнуть стену или что-то в этом роде.

На слишком высокой передаче вы толкаете, толкаете и никуда не двигаетесь (много энергии, чтобы никуда не деться => 0% эффективности).

На слишком низкой передаче это слишком просто: вы крутитесь без сопротивления; ваша скорость вращения ограничена примерно 120 об/мин, т.е. не может увеличиваться бесконечно; поэтому (низкая сила и ограниченные обороты) вы ограничены в количестве вырабатываемой мощности (это меньше, чем ваша теоретическая максимальная мощность).

Возможно, существует эффективная « частота вращения педалей » (например, 90 об/мин), которую вы, возможно, захотите использовать на любой местности (вверх, вниз, по уровню), и правильно (правильный способ использования ваших передач) будет постоянно регулировать передачу для местность, чтобы: а) поддерживать некоторую постоянную, эффективную частоту вращения педалей (например, 90 об/мин); b) поддерживать достаточно высокое усилие/мощность в этом темпе (например, если это кажется слишком легким, переключитесь на более высокую передачу, или, если это слишком сложно, переключитесь на более низкую передачу, чтобы сохранить темп).

Конечно, передаточное отношение влияет на «потенциальную» мощность, которую вы можете производить. Рассмотрим максимальное мышечное усилие, чтобы подняться на крутой холм. Если пренебречь трением цепи и другими вторичными эффектами, вы подниметесь в гору быстрее всех с максимальной силой, на которую способны ваши мышцы. Обратите внимание, что мощность = kx крутящий момент x частота вращения педалей (где k — это просто константа, определяющая единицы мощности (ватты, лошадиные силы и т. д.). Допустим, вы едете на слишком высокой передаче, поэтому не можете двигаться вперед. (Ваш каденс равен 0). При 0 каденс ваш крутящий момент максимально возможный, а ваша мощность равна 0. По мере увеличения частоты педалирования (за счет снижения передаточного числа) ваш крутящий момент уменьшается. Однако произведение крутящего момента и частота вращения педалей (которая пропорциональна мощности) увеличивается. Продолжая увеличивать частоту педалирования за счет снижения передаточного числа, вы в конечном итоге достигнете энергетически оптимальной частоты вращения педалей (EOC). В EOC сила, которую могут производить ваши мышцы, максимальна. Увеличение частоты вращения педалей выше EOC снижает вашу максимальную потенциальную мощность.

Практический результат: выберите такое передаточное число, которое позволит вам вращаться как можно ближе к EOC. В этом ритме вы быстрее подниметесь на крутой холм.

Примечание. Кривая зависимости мощности от частоты вращения педалей выглядит как перевернутая парабола. Это прямой результат работы Арчибальда Вивиана Хилла, получившего Нобелевскую премию за работу по этой и многим другим темам биофизики. Также обратите внимание, что максимальная выносливость, вероятно, достигается при частоте шагов меньше, чем EOC.

В моем понимании, не должно. Самое простое объяснение состоит в том, что выходная мощность равна мощности, умноженной на эффективность (эффективность — это потери энергии из-за трения, сопротивления воздуха, сопротивления качению, нагрева и т. д.). Переключение передач не меняет ни мощность (эта часть полностью на вас), ни механический КПД. Поэтому выходная мощность не меняется.

Если немного глубже, мощность — это общая работа, выполненная за общее время ( P_avg = ΔW/Δt). В этом случае мы рассматриваем его в течение одинаковой продолжительности, поэтому Δtон постоянен. В контексте вращения Wэто крутящий момент (сила вращения), умноженный на угловую скорость (скорость вращения), или W = τθ. Шестерня будет изменять только соотношение между крутящим моментом и угловой скоростью, сохраняя при этом постоянную производительность. Другими словами, переход на более высокую передачу может потребовать вдвое большего крутящего момента, но педали будут вращаться вдвое медленнее. Более низкая передача может позволить вам вращаться в два раза быстрее, но вы будете использовать половину крутящего момента. Поскольку выходная мощность одинакова, выходная мощность одинакова.

Как это влияет на скорость вращения колеса? Ну, то же самое W = τθвлияет и на ваши колеса, но наоборот (ваши колеса видят его задом наперед: представьте, если бы вы крутили педали на своей шестерне, а колеса были прикреплены к каретке). Более низкая передача будет передавать больший крутящий момент на колеса (обеспечивая высокое ускорение), но, соответственно, имеет низкую угловую скорость (скорость вращения). Более высокая передача не создаст большого крутящего момента на колесах (именно поэтому так трудно разогнаться), но заставит их крутиться как сумасшедшие. Так что в идеале максимально высокая скорость должна быть на максимальной скорости.

Однако именно здесь в игру вступает человеческое тело. У нас есть две взаимодополняющие системы для выработки энергии: сердечно-сосудистая система, которая вырабатывает меньше энергии, но в течение очень длительного времени, и мышечная система, которая превосходно вырабатывает большую мощность, но только в течение короткого периода времени. В идеале, когда вы не бежите, вы хотите, чтобы обе системы производили столько энергии, сколько они могут выдержать. Сумма этой мощности (за вычетом потерь эффективности) будет вашей общей выходной мощностью, а изменение высоты, сопротивление качению и ваша аэродинамика будут определять, какая часть этой мощности будет в конечном итоге использоваться для крутящего момента по сравнению с расстоянием (и, следовательно, ваше передаточное число). .

Надеюсь, это поможет.

Здесь задействовано несколько факторов, поэтому любой ответ не прост. Во-первых, как заметил Леон, вы получаете нулевую мощность на колеса, когда передача настолько жесткая, что вы не можете двигаться. И вы получаете исчезающе малую мощность на колеса, когда передаточное число настолько простое, что вы вращаетесь со скоростью 200 об/мин.

Но что более важно, СРЕДНЯЯ мощность за определенный период времени сильно зависит от деталей работы мышц. В первую очередь есть АЭРОБНЫЕ и АНАЭРОБНЫЕ упражнения. У среднего гонщика с нормальным уровнем сахара в крови любая езда со скоростью выше 80 об/мин будет в значительной степени аэробной, а любая (наполовину сложная) езда со скоростью ниже 60 об/мин будет иметь большую анаэробную часть. Аэробные упражнения сжигают сахар в крови, а анаэробные упражнения сжигают запасы гликогена в мышцах.

В течение коротких промежутков времени (насколько короткими, в зависимости от интенсивности упражнений и объема кровотока) мышцы в хорошем состоянии могут сжигать гликоген примерно так же эффективно, как и глюкоза в крови, но количество гликогена, хранящегося в мышцах, достаточно только для 15-30 минут высокоинтенсивных упражнений (хотя при тренировках, специально направленных на увеличение запасов гликогена в организме, это время может быть увеличено до нескольких часов).

Таким образом, езда на «сложной» передаче с низкими оборотами быстрее истощает мышечный гликоген и приводит к более быстрому утомлению. И, очевидно, по мере того, как вы устаете, ваша выходная мощность падает. (И, конечно же, езда на слишком «легкой» передаче приводит к чрезмерно высоким оборотам, а «оптимальные» обороты среднего гонщика обычно ниже 100.) В промежутке между этим вы компенсируете скромное потребление гликогена несколько увеличенной мышечной силой, которую вы можно получить, задействовав «медленно сокращающиеся» мышцы и некоторые другие факторы. (Имейте в виду, что вам нужен гликоген для коротких ситуаций с повышенным спросом, таких как восхождение на короткий крутой холм без переключения на пониженную передачу. В некоторых случаях вы действительно можете повредить свои мышцы, если гликоген полностью исчерпан.)

(Кроме того, следует учитывать, что у восприимчивых людей можно вызвать травму колена, постоянно используя слишком сложное снаряжение.)

Нет, передаточное отношение и коэффициент усиления не влияют на мощность. Хотя вы правы, предполагая, что это будет ощущаться гонщиком по-другому, но если остальные три переменные равны, то мощность будет такой же. В этом случае при «более легком» передаточном числе частота вращения педалей потребует значительного увеличения для поддержания того же времени набора высоты (скорости), и если гонщик тот же, то и скорость работы будет одинаковой. Увеличение скорости вращения педалей компенсирует разницу в расходе мощности по сравнению с «более жесткой» передачей при более низкой частоте вращения педалей.