Apakah rasio roda gigi mempengaruhi Daya?

Biarkan saya kata pengantar dengan mengatakan bahwa ini mungkin bukan SE yang tepat. Saya mempertimbangkan bertanya pada Fisika SE, tetapi saya pikir saya mungkin akan mencoba di sini dulu. Jika itu salah, saya tidak menentangnya dimigrasi.

Dari prinsip dasar Fisika, kekuatan dihitung sebagai Kerja / waktu. Jadi pertimbangkan sistem pengendara dan sepeda mendaki bukit. Pekerjaan yang dilakukan adalah perbedaan potensi dari bawah ke atas, dan jelas waktu akan mendaki-waktu.

Sekarang, pertanyaan saya adalah:

Dengan pengendara yang sama, bobot sepeda yang sama, dan waktu pendakian yang sama, apakah persneling Anda memengaruhi tenaga? Juga asumsikan bahwa pendakian efisien, tidak ada ban yang tergelincir, pedal normal, dll.

Dari sudut pandang fisik, saya berharap jawabannya adalah tidak. Perbedaan potensial yang sama, waktu yang sama, kekuatan yang sama. Namun, dari sudut pandang pengendara, saya tahu bahwa rasanya lebih banyak kekuatan yang digunakan untuk memanjat dengan rasio yang lebih keras.

Saya berharap jawabannya adalah bahwa kesenjangan itu berasal dari idealisasi sistem. Jika kita menganggap sepeda sebagai sistem tertutup, kita berharap bahwa semua energi yang dimasukkan ke sepeda membawanya ke atas bukit, tetapi ini tidak terjadi. Selain itu saya pikir inefisiensi tubuh manusia akan relevan. Namun, saya masih belum bisa menjawab pertanyaan itu.

Saya kira maksud Anda efisiensi daripada kekuatan.

Menurut pendapat saya trade-off utama adalah antara peningkatan kehilangan biomekanik pada rpm yang lebih tinggi (pada dasarnya gesekan otot) dan penurunan aliran darah dengan kekuatan yang lebih tinggi pada rpm yang lebih rendah. Keseimbangan tergantung pada pengendara dan durasi.

Dalam IHPVA Journal of Human Power, Edisi 45 (pdf, indeks di sini ) adalah makalah yang disebut Maximum Human Power di mana mereka berbicara tentang Tyler Hamilton memenangkan pendakian Gunung Washinton dalam 51 menit:

"Dia naik sebagian besar pendakian, namun, di gigi 23-gigi, dan membuat beberapa lonjakan di 21." Jika dia memiliki roda 700 mm, sepertinya, irama rata-ratanya adalah 63 RPM.

Seluruh artikel layak dibaca, dan mungkin membayar untuk menelusuri indeks untuk makalah serupa.

Sisi lain adalah bahwa sprinter top sering mencapai 150rpm dalam sprint terakhir. Pada saat itu mereka memperdagangkan efisiensi biomekanis untuk tenaga puncak. Dulu saya mencapai puncak di lebih dari 900W selama 10 detik (> 8W / kg) pada sekitar 130rpm, tetapi kinerja jam saya sekitar 350W menggunakan irama sekitar 80-90rpm.

Jawaban sebenarnya khusus untuk Anda. Ini akan tergantung pada bentuk tubuh Anda, jenis otot, kebugaran dan faktor-faktor yang lebih sementara. Ini juga pertanyaan yang paling baik dijawab dengan eksperimen, dan harus menjadi bagian dari jadwal pelatihan Anda jika Anda berkompetisi. Jika tidak, saya sarankan mencari pendakian yang Anda naiki secara teratur dan menyimpan buku harian pelatihan .

Ada juga banyak diskusi tentang hidrasi untuk pendakian panjang. Apakah lebih baik menghidrasi dan mulai lebih berat, atau berjalan sedikit dehidrasi sehingga Anda lebih ringan? IIRC kesimpulannya adalah hidrasi lebih baik, tetapi saya tidak dapat menemukan referensi.

Dengan pengendara yang sama, bobot sepeda yang sama, dan waktu pendakian yang sama, apakah persneling Anda memengaruhi tenaga? Juga asumsikan bahwa pendakian efisien, tidak ada ban yang tergelincir, pedal normal, dll.

Yah, itu tergantung pada "kekuatan" yang Anda ukur :-).

Jelas, kekuatan yang dilakukan oleh sepeda secara keseluruhan adalah sama - jika bergerak dengan kecepatan yang sama, itu adalah kekuatan yang sama.

Namun, kekuatan yang diberikan tubuh Anda mungkin berbeda, karena berbagai alasan:

• Otot mungkin memiliki kecepatan dan tingkat kekuatan di mana mereka paling efisien, sehingga energi kimia / kekuatan yang harus diberikan tubuh Anda untuk menghasilkan gerakan otot akan berbeda.
• Berbagai proses kehilangan energi karena kelenturan, gesekan dll. Mungkin akan berbeda tergantung pada gearing. Misalnya pada gigi rendah akan ada gerakan rantai yang lebih cepat (sehingga lebih banyak gesekan), di sisi lain tegangan rantai akan lebih rendah, yang mungkin mengurangi gesekan. Juga, pada roda gigi yang lebih rendah, penekukan frame sebagai respons terhadap kekuatan rantai mungkin akan lebih rendah.

Kesan saya adalah (meskipun saya tidak memiliki sumber untuk mendukung saya) bahwa umumnya sistem manusia paling hemat daya (yaitu rasio tenaga pedal yang terbaik untuk mengerahkan tenaga) di irama sekitar 90-100 RPM, jadi itulah yang harus dilakukan oleh seorang pengendara sepeda berusaha untuk.

Menariknya, irama terbaik untuk daya maksimum tampaknya jauh lebih rendah, itu sebabnya pengendara sepeda akan menggunakan roda gigi tinggi dan irama rendah untuk sprint - namun ini jauh lebih melelahkan daripada irama yang lebih tinggi, sehingga tidak efisien untuk jarak jauh.

Mungkin itu perbedaan antara, apa yang Anda sebut, karya 'isotonik' versus ' isometrik '?

Yang saya maksudkan adalah bahwa, misalnya, dibutuhkan banyak usaha manusia (kekuatan, kekuatan, atau kerja) untuk mencoba memindahkan objek yang tidak bergerak: untuk mendorong ke dinding atau sesuatu.

Pada gigi yang terlalu tinggi Anda mendorong dan mendorong dan pergi ke mana-mana (banyak daya untuk pergi ke tempat = = 0% efisiensi).

Dalam gigi yang terlalu rendah, terlalu mudah: Anda berputar tanpa perlawanan; spin rate Anda dibatasi hingga ~ 120 RPM atau lebih, yaitu tidak dapat meningkat tanpa batas; karena itu (kekuatan rendah dan RPM terbatas) Anda terbatas dalam jumlah daya yang Anda keluarkan (kurang dari daya maksimum teoritis Anda).

Mungkin ada ' irama ' yang efisien (mungkin 90 RPM) yang mungkin ingin Anda gunakan di semua medan (naik, turun, level), dan hal yang benar (cara yang tepat untuk menggunakan gigi Anda) adalah untuk terus menyesuaikan gearing untuk medan untuk: a) mempertahankan irama yang konstan dan efisien (mis. 90 RPM); b) mempertahankan daya / output daya yang cukup tinggi pada irama itu (misalnya jika tampaknya terlalu mudah maka beralih ke gigi yang lebih tinggi, atau jika terlalu sulit maka beralih ke gigi yang lebih rendah, untuk mempertahankan irama).

Tentu saja rasio roda gigi mempengaruhi kekuatan "potensial" yang dapat Anda hasilkan. Pertimbangkan upaya berotot maksimum untuk mendaki bukit yang curam. Mengabaikan gesekan rantai dan efek sekunder lainnya, Anda akan naik ke bukit tercepat dengan kekuatan tertinggi yang dapat dihasilkan otot Anda. Perhatikan bahwa daya = torsi kx x irama (di mana k adalah konstanta yang menentukan satuan daya (watt, tenaga kuda, dll.). Katakanlah Anda mengendarai gigi terlalu tinggi sehingga Anda tidak dapat bergerak maju pada bukit (irama Anda adalah 0). Pada irama 0 torsi Anda berada pada maksimum yang dapat terjadi dan kekuatan Anda adalah 0. Ketika Anda meningkatkan irama Anda (dengan menurunkan rasio gigi Anda) torsi Anda menurun. Namun, produk torsi dan irama (yang sebanding dengan kekuasaan) meningkat. Ketika Anda terus meningkatkan irama Anda dengan menurunkan rasio roda gigi Anda, pada akhirnya Anda akan mencapai irama optimal yang energetik (EOC). Di EOC, kekuatan yang dapat dihasilkan otot Anda adalah maksimal. Meningkatkan irama di atas EOC mengurangi potensi daya maksimum Anda.

Intinya: Pilih rasio roda gigi yang memungkinkan Anda berputar sedekat mungkin ke EOC. Anda akan mendaki bukit curam tercepat di irama ini.

Catatan: Kurva power vs cadence terlihat seperti parabola terbalik. Ini adalah hasil langsung dari pekerjaan yang dilakukan oleh Archibald Vivian Hill, yang memenangkan Hadiah Nobel untuk karyanya tentang hal ini dan banyak topik lain dalam biofisika. Juga perhatikan bahwa daya tahan maksimum mungkin terjadi pada irama kurang dari EOC.

Ada beberapa faktor yang terlibat di sini, jadi jawaban apa pun tidak sederhana. Pertama, seperti yang dicatat Leon, Anda mendapatkan tenaga nol ke roda saat roda gigi begitu keras sehingga Anda tidak bisa bergerak. Dan Anda mendapatkan tenaga yang semakin kecil ke roda ketika rasio roda gigi sangat mudah sehingga Anda berputar pada 200 RPM.

Tetapi yang lebih penting, kekuatan RATA-RATA selama periode waktu sangat tergantung pada detail bagaimana otot bekerja. Terutama ada latihan AEROBIC vs ANAEROBIC. Dengan rata-rata pengendara, dengan gula darah normal, setiap pengendaraan di atas sekitar 80 RPM sebagian besar akan bersifat aerob, dan setiap (setengah jalan) pengendara di bawah sekitar 60 RPM akan memiliki bagian anaerob yang besar. Latihan aerobik membakar gula darah, tetapi olahraga anaerob membakar glikogen yang tersimpan di otot.

Untuk periode waktu yang singkat (seberapa pendek tergantung pada seberapa kuat latihan dan berapa banyak aliran darah yang ada) otot-otot dalam kesehatan yang baik dapat membakar glikogen dengan seefisien glukosa darah, tetapi jumlah glikogen yang disimpan dalam otot hanya cukup untuk Latihan intensitas tinggi 15-30 menit (meskipun dengan pelatihan yang khusus ditujukan untuk meningkatkan simpanan glikogen tubuh, ini dapat ditingkatkan hingga beberapa jam).

Dengan demikian, mengendarai gigi "sulit" yang menghasilkan RPM rendah lebih cepat menguras glikogen otot dan menyebabkan kelelahan yang lebih cepat. Dan jelas, ketika Anda lelah output daya Anda turun. (Dan tentu saja, mengendarai dengan gigi yang terlalu "mudah" menghasilkan RPM yang terlalu tinggi, dan RPM "optimal" rata-rata pengendara umumnya di bawah 100.) Di antaranya, Anda menukar konsumsi glikogen sederhana vs kekuatan otot yang agak meningkat. bisa dengan melibatkan otot-otot "lambaian lambat" dan beberapa faktor lainnya. (Ingatlah bahwa Anda membutuhkan glikogen untuk situasi pendek, permintaan tinggi, seperti mendaki bukit yang pendek dan curam tanpa downshifting. Anda benar-benar dapat melukai otot Anda dalam beberapa keadaan jika glikogen benar-benar habis.)

(Dan ada juga poin untuk mempertimbangkan bahwa pada individu yang rentan seseorang dapat menyebabkan cedera lutut dengan secara konsisten menggunakan gigi yang terlalu sulit.)

Menurut pemahaman saya, seharusnya tidak. Penjelasan paling sederhana adalah bahwa daya yang keluar sama dengan daya di kali efisiensi (efisiensi menjadi kehilangan energi karena gesekan, hambatan udara, hambatan bergulir, panas, dll). Mengubah persneling tidak mengubah daya dalam (bagian itu ada pada Anda), juga tidak mengubah efisiensi mekanik. Oleh karena itu, output daya tidak berubah.

Untuk sedikit lebih dalam, kekuatan adalah total pekerjaan yang dilakukan selama waktu total ( P_avg = ΔW/Δt). Dalam hal ini, kami mempertimbangkannya selama durasi yang identik, demikian Δtjuga konstan. Dalam konteks rotasi, Wapakah torsi (gaya rotasi) diberikan kali kecepatan sudut (kecepatan rotasi), atau W = τθ. Roda gigi hanya akan mengubah rasio antara torsi dan kecepatan sudut dengan tetap mempertahankan hasil kerja yang konstan. Dengan kata lain, pergi ke gigi yang lebih tinggi mungkin memerlukan torsi dua kali lebih banyak, tetapi pedal akan berputar setengah lebih cepat. Gigi rendah mungkin membuat Anda berputar dua kali lebih cepat, tetapi Anda akan menggunakan setengah torsi. Karena output kerja sama, output daya sama.

Bagaimana ini memengaruhi kecepatan roda? Yah, hal yang sama juga W = τθmempengaruhi roda Anda, tetapi secara terbalik (roda Anda melihatnya terbalik: bayangkan jika Anda mengayuh pedal, dan roda itu terpasang pada braket bawah). Roda gigi yang lebih rendah akan memberikan lebih banyak torsi pada roda (memungkinkan akselerasi tinggi), tetapi memiliki kecepatan sudut yang rendah (kecepatan rotasi). Roda gigi yang lebih tinggi tidak akan membuat banyak torsi pada roda (itulah sebabnya sangat sulit untuk dipercepat), tetapi akan membuatnya berputar seperti orang gila. Jadi idealnya, berada di gigi setinggi mungkin akan memberi Anda kecepatan terbesar.

Namun, di situlah tubuh manusia berperan. Kami memiliki dua sistem pelengkap untuk menghasilkan tenaga: sistem kardiovaskular, yang menghasilkan lebih sedikit daya tetapi untuk jangka waktu yang sangat lama, dan sistem otot, yang unggul dalam menghasilkan daya tinggi, tetapi hanya untuk jangka waktu singkat. Idealnya, saat tidak berlari, Anda ingin kedua sistem menghasilkan daya sebanyak yang bisa dipertahankan. Jumlah daya itu (dikurangi kerugian efisiensi) akan menjadi total daya Anda, dan perubahan ketinggian, hambatan bergulir, dan aerodinamika Anda akan menentukan berapa proporsi output yang pada akhirnya akan digunakan untuk torsi terhadap jarak (dan dengan demikian rasio roda gigi Anda) .

Semoga itu bisa membantu.

Tidak, rasio gear dan gain tidak mempengaruhi daya. Meskipun Anda benar dalam mengasumsikan bahwa itu akan terasa berbeda bagi pengendara, jika tiga variabel lainnya sama, maka tingkat daya akan sama. Dalam hal ini, dalam rasio roda gigi yang "lebih mudah", irama akan membutuhkan peningkatan yang signifikan untuk mempertahankan waktu pendakian yang sama (kecepatan) dan jika pengendara identik, maka tingkat kerja identik. Peningkatan kecepatan mengayuh membuat perbedaan dalam pengeluaran watt dibandingkan dengan gigi "lebih keras" pada irama yang lebih rendah.