อัตราทดเกียร์มีผลต่อพลังงานหรือไม่?

ให้ฉันนำโดยบอกว่านี่อาจไม่ใช่ SE ที่ถูกต้อง ฉันพิจารณาการถามเรื่อง Physics SE แต่ฉันคิดว่าฉันอาจลองที่นี่ก่อน ถ้ามันผิดฉันไม่ได้ต่อต้านว่ามันกำลังถูกโยกย้าย

จากหลักการพื้นฐานของฟิสิกส์พลังงานจะถูกคำนวณเป็นงาน / เวลา ดังนั้นให้พิจารณาผู้ขับขี่และจักรยานที่ปีนเขา งานที่ทำคือความแตกต่างของศักยภาพจากล่างขึ้นบนและเห็นได้ชัดว่าเวลาจะปีนขึ้นไป

ตอนนี้คำถามของฉันคือ:

เมื่อพิจารณาจากผู้ขับขี่เดียวกันน้ำหนักจักรยานเท่ากันและเวลาไต่เท่ากันการใส่เกียร์ของคุณมีผลต่อพลังหรือไม่? นอกจากนี้สมมติว่าการปีนมีประสิทธิภาพไม่มียางลื่นไถลใช้ถีบทั่วไปเป็นต้น

จากมุมมองทางกายภาพฉันคาดว่าคำตอบคือไม่ ความแตกต่างในศักยภาพ, เวลาเดียวกัน, พลังเดียวกัน อย่างไรก็ตามจากมุมมองของผู้ขับขี่ฉันรู้ว่ามันรู้สึกเหมือนกำลังมากขึ้นกำลังถูกใช้เพื่อไต่อัตราส่วนที่ยากขึ้น

ฉันคาดหวังว่าคำตอบคือความแตกต่างมาจากการทำให้ระบบเป็นอุดมคติ หากเราพิจารณาว่าจักรยานเป็นระบบปิดเราคาดหวังว่าพลังงานทั้งหมดที่ใส่เข้าไปในจักรยานจะยกขึ้นไปบนเนินเขา แต่นี่ไม่ใช่กรณี ยิ่งกว่านั้นฉันคิดว่าความไร้ประสิทธิภาพของร่างกายมนุษย์จะมีความเกี่ยวข้อง อย่างไรก็ตามฉันยังไม่สามารถแก้ไขคำถามได้

ฉันสงสัยว่าคุณหมายถึงประสิทธิภาพมากกว่าพลังงาน

ในความคิดของฉันการแลกเปลี่ยนที่สำคัญคือระหว่างการสูญเสียทางชีวกลศาสตร์ที่เพิ่มขึ้นที่รอบต่อนาทีที่สูงขึ้น (โดยทั่วไปคือแรงเสียดทานของกล้ามเนื้อ) และการไหลเวียนของเลือดลดลง ความสมดุลขึ้นอยู่กับทั้งผู้ขับขี่และระยะเวลา

ในวารสาร Human Power ของ IHPVA ฉบับที่ 45 (pdf, ดัชนีที่นี่ ) เป็นกระดาษที่ชื่อว่า Maximum Human Power ที่พวกเขาพูดถึง Tyler Hamilton ที่ชนะ Mt Mt Washinton ในเวลา 51 นาที:

"เขาขี่ม้ามากในการปีนอย่างไรใน 23 ฟันเฟืองและทำหลายอย่างใน 21" ถ้าเขามีล้อขนาด 700- มม. ดูเหมือนว่าจังหวะเฉลี่ยของเขาจะเป็น 63 RPM

บทความทั้งหมดมีมูลค่าการอ่านและอาจจ่ายเพื่อเรียกดูดัชนีสำหรับเอกสารที่คล้ายกัน

ด้านพลิกคือ sprinters ชั้นนำมักจะไปได้ดีกว่า 150 รอบต่อนาทีในการวิ่งครั้งสุดท้าย ณ จุดนั้นพวกเขากำลังแลกเปลี่ยนประสิทธิภาพทางชีวกลศาสตร์เพื่อพลังงานสูงสุด ฉันเคยสูงสุดที่มากกว่า 900W เป็นเวลา 10 วินาที (> 8W / kg) ที่ประมาณ 130 รอบต่อนาที แต่ประสิทธิภาพชั่วโมงของฉันที่ประมาณ 350W ใช้จังหวะประมาณ 80-90rpm

คำตอบที่แท้จริงนั้นเฉพาะเจาะจงสำหรับคุณ มันจะขึ้นอยู่กับรูปร่างของคุณประเภทของกล้ามเนื้อความฟิตและปัจจัยอื่น ๆ อีกมากมาย เป็นคำถามที่ได้รับคำตอบที่ดีที่สุดจากการทดสอบและควรเป็นส่วนหนึ่งของกำหนดการ tr4aining ของคุณหากคุณกำลังแข่งขัน ถ้าไม่ฉันขอแนะนำให้หาการปีนป่ายที่คุณขี่เป็นประจำและเก็บบันทึกการฝึกซ้อมไว้

นอกจากนี้ยังมีการอภิปรายมากเกี่ยวกับความชุ่มชื้นสำหรับการปีนเขาที่ยาวนาน ดีกว่าไหมที่จะให้ความชุ่มชื้นและเริ่มหนักขึ้นหรือทำน้ำให้แห้งเล็กน้อยเพื่อให้คุณมีน้ำหนักน้อยลง? IIRC ข้อสรุปคือการให้ความชุ่มชื้นดีกว่า แต่ฉันไม่พบข้อมูลอ้างอิง

เมื่อพิจารณาจากผู้ขับขี่เดียวกันน้ำหนักจักรยานเท่ากันและเวลาไต่เท่ากันการใส่เกียร์ของคุณมีผลต่อพลังหรือไม่? นอกจากนี้สมมติว่าการปีนมีประสิทธิภาพไม่มียางลื่นไถลใช้ถีบทั่วไปเป็นต้น

ขึ้นอยู่กับว่าคุณกำลังวัดอะไร :-)

เห็นได้ชัดว่าพลังของจักรยานโดยรวมนั้นเท่ากัน - ถ้ามันเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากันมันก็เป็นพลังเดียวกัน

อย่างไรก็ตามพลังที่ร่างกายของคุณอาจมีความแตกต่างด้วยเหตุผลหลายประการ:

• กล้ามเนื้ออาจมีความเร็วและระดับแรงที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดดังนั้นพลังงานเคมี / พลังงานที่ร่างกายของคุณต้องออกแรงเพื่อสร้างการเคลื่อนไหวของกล้ามเนื้อจะแตกต่างกัน
• กระบวนการสูญเสียพลังงานอันเนื่องมาจากการโค้งงอแรงเสียดทาน ฯลฯ อาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับเกียร์ เช่นในเกียร์ที่ต่ำกว่าจะมีการเคลื่อนที่ของโซ่ที่เร็วขึ้น (เช่นแรงเสียดทานมากขึ้น) ในทางกลับกันแรงตึงโซ่จะลดลงซึ่งอาจลดแรงเสียดทาน นอกจากนี้ในการลดเกียร์ที่โค้งงอของเฟรมเพื่อตอบสนองต่อแรงโซ่อาจจะลดลง

ความประทับใจของฉันคือ (แม้ว่าฉันไม่มีแหล่งสำรองข้อมูล) ที่โดยทั่วไปแล้วระบบของมนุษย์นั้นมีประสิทธิภาพในการใช้พลังงานมากที่สุด (นั่นคือการปันส่วนพลังงานที่ดีที่สุดของเหยียบคันเร่งเพื่อออกแรง) ที่จังหวะประมาณ 90-100 RPM ดังนั้นนักปั่นจักรยานควร แสวง.

ที่น่าสนใจที่สุดจังหวะที่ดีที่สุดสำหรับกำลังสูงสุดนั้นต่ำกว่ามากนั่นคือเหตุผลที่นักปั่นจักรยานมืออาชีพจะใช้เกียร์สูงและจังหวะปั่นต่ำสำหรับการวิ่ง - อย่างไรก็ตามนี่ยิ่งเหนื่อยกว่าจังหวะที่สูงขึ้นดังนั้นจึงไม่มีประสิทธิภาพในระยะทางไกล

อาจจะเป็นความแตกต่างระหว่างสิ่งที่คุณเรียกว่างาน 'isotonic' กับ ' isometric '

สิ่งที่ฉันหมายถึงคือยกตัวอย่างเช่นมนุษย์ต้องใช้ความพยายามอย่างมากในการพยายามเคลื่อนย้ายวัตถุที่เคลื่อนที่ไม่ได้: เพื่อดันกำแพงหรืออะไรบางอย่าง

ในเกียร์ที่สูงเกินไปคุณจะผลักดันและไปที่ไหนก็ได้ (พลังมากมายไปไหนไม่รู้ => ประสิทธิภาพ 0%)

ในเกียร์ที่ต่ำเกินไปมันง่ายเกินไป: คุณหมุนโดยไม่มีการต่อต้าน อัตราการหมุนของคุณถูก จำกัด ไว้ที่ ~ 120 RPM หรือมากกว่านั้นคือไม่สามารถเพิ่มได้ไม่ จำกัด ดังนั้น (แรงต่ำและ จำกัด รอบต่อนาที) คุณถูก จำกัด ในปริมาณพลังงานที่คุณดับ (มันน้อยกว่ากำลังสูงสุดทางทฤษฎีของคุณ)

อาจมี ' จังหวะ ' ที่มีประสิทธิภาพ(อาจ 90 รอบต่อนาที) ซึ่งคุณอาจต้องการใช้กับภูมิประเทศทั้งหมด (ขึ้น, ลง, ระดับ) และสิ่งที่ถูกต้อง (วิธีที่เหมาะสมในการใช้เกียร์ของคุณ) คือการปรับเกียร์สำหรับ ภูมิประเทศเพื่อ: a) รักษาจังหวะการเดินให้คงที่และมีประสิทธิภาพ (เช่น 90 RPM); b) รักษากำลัง / กำลังแรงสูงพอที่จังหวะนั้น (เช่นถ้ามันง่ายเกินไปแล้วเปลี่ยนเป็นเกียร์ที่สูงกว่าหรือถ้ามันยากเกินไปให้สลับไปที่เกียร์ต่ำเพื่อรักษาจังหวะ)

แน่นอนว่าอัตราทดเกียร์นั้นส่งผลต่อกำลัง "ศักยภาพ" ที่คุณสามารถผลิตได้ ลองใช้ความพยายามอย่างเต็มที่ของกล้ามเนื้อในการขึ้นเขาชัน การละเลยการเสียดสีโซ่และเอฟเฟกต์อื่น ๆ คุณจะขึ้นไปบนเนินเขาเร็วที่สุดด้วยกำลังสูงสุดที่กล้ามเนื้อของคุณสามารถผลิตได้ โปรดทราบว่า power = kx torque x cadence (โดยที่ k เป็นค่าคงที่ที่กำหนดหน่วยของพลังงาน (วัตต์แรงม้า ฯลฯ ) สมมติว่าคุณกำลังขี่เกียร์สูงเกินไปคุณจึงไม่สามารถเดินหน้าต่อไปได้ เนินเขา (จังหวะของคุณคือ 0) ที่ 0 จังหวะแรงบิดของคุณอยู่ที่ค่าสูงสุดที่สามารถเป็นได้และกำลังของคุณคือ 0 เมื่อคุณเพิ่มจังหวะของคุณ (โดยลดอัตราส่วนเกียร์ของคุณ) แรงบิดของคุณจะลดลง จังหวะ (ซึ่งเป็นสัดส่วนกับพลังงาน) เพิ่มขึ้น ในขณะที่คุณเพิ่มจังหวะการปั่นของคุณโดยลดอัตราส่วนเกียร์ของคุณคุณจะไปถึงจังหวะการเต้นที่ดีที่สุดที่มีพลัง (EOC) ที่ EOC พลังที่กล้ามเนื้อของคุณสามารถผลิตได้มากที่สุด จังหวะที่เพิ่มขึ้นด้านบน EOC จะลดพลังงานที่มีศักยภาพสูงสุดของคุณ

Bottom Line: เลือกอัตราทดเกียร์ที่อนุญาตให้คุณหมุนไปใกล้ศูนย์ EOC มากที่สุด คุณจะปีนขึ้นเขาสูงชันเร็วที่สุดในจังหวะนี้

หมายเหตุ: เส้นโค้งพลังงานกับจังหวะดูเหมือนว่าพาราโบลาคว่ำ มันเป็นผลโดยตรงจากการทำงานของอาร์ชิบัลด์วิเวียนฮิลล์ผู้ได้รับรางวัลโนเบลจากผลงานของเขาในหัวข้อนี้และหัวข้ออื่น ๆ อีกมากมายในชีวฟิสิกส์ โปรดทราบว่าความอดทนสูงสุดอาจเกิดขึ้นที่จังหวะน้อยกว่า EOC

มีหลายปัจจัยที่เกี่ยวข้องที่นี่ดังนั้นคำตอบใด ๆ ไม่ง่าย อย่างแรกอย่างที่ลีออนกล่าวไว้คุณจะไม่ได้รับพลังอะไรเลยเมื่อล้อเฟืองยากมากจนไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ และคุณจะได้รับพลังเล็กน้อยต่อล้อเมื่ออัตราทดเกียร์ง่ายมากจนคุณปั่นที่ 200 รอบต่อนาที

แต่ที่สำคัญกว่านั้นพลังเฉลี่ยในช่วงระยะเวลาหนึ่งนั้นขึ้นอยู่กับรายละเอียดของการทำงานของกล้ามเนื้อ ในขั้นต้นจะมีแบบฝึกหัด AEROBIC กับ ANAEROBIC ด้วยผู้ขับขี่เฉลี่ยที่มีระดับน้ำตาลในเลือดปกติการขี่ที่สูงกว่าประมาณ 80 รอบต่อนาทีนั้นจะเป็นแบบแอโรบิคส่วนใหญ่และการขี่ (ครึ่งทางที่ท้าทาย) ด้านล่างประมาณ 60 รอบต่อนาทีจะมีชิ้นส่วนที่ไม่ใช้ออกซิเจนขนาดใหญ่ ออกกำลังกายแบบแอโรบิคเผาผลาญน้ำตาลในเลือด แต่การออกกำลังกายแบบไม่ใช้ออกซิเจนจะเผาผลาญไกลโคเจนที่เก็บไว้ในกล้ามเนื้อ

สำหรับระยะเวลาสั้น ๆ (สั้นแค่ไหนขึ้นอยู่กับว่าการออกกำลังกายและการไหลเวียนของเลือดมีมากแค่ไหน) กล้ามเนื้อเพื่อสุขภาพที่ดีสามารถเผาผลาญไกลโคเจนได้อย่างมีประสิทธิภาพเท่ากับกลูโคสในเลือด แต่ปริมาณไกลโคเจนที่เก็บไว้ในกล้ามเนื้อ 15-30 นาทีของการออกกำลังกายความเข้มสูง (แม้ว่าจะมีการฝึกอบรมที่มีเป้าหมายเฉพาะเพื่อเพิ่มการเก็บไกลโคเจนในร่างกาย

ดังนั้นการขี่ด้วยอุปกรณ์ "ยาก" ที่ให้ค่ารอบต่อนาทีต่ำจะทำให้ไกลโคเจนในกล้ามเนื้อหมดเร็วขึ้นและจะนำไปสู่ความเหนื่อยล้าที่รวดเร็วขึ้น และเห็นได้ชัดว่าเมื่อคุณเหนื่อยล้ากำลังไฟฟ้าลดลง (และแน่นอนว่าการขี่ด้วยเกียร์ "ง่าย" เกินไปจะส่งผลให้ความเร็วรอบต่อนาทีสูงเกินไปและค่าเฉลี่ยรอบต่อนาทีที่ "ดีที่สุด" ของผู้ขับขี่โดยทั่วไปนั้นต่ำกว่า 100) ในระหว่างนั้นคุณกำลังแลกเปลี่ยนปริมาณการบริโภคไกลโคเจนเล็กน้อย จะได้รับโดยการมีส่วนร่วม "กล้ามเนื้อกระตุกช้า" และปัจจัยอื่น ๆ (โปรดจำไว้ว่าคุณต้องใช้ไกลโคเจนในสถานการณ์ระยะสั้นและมีความต้องการสูงเช่นปีนเขาระยะสั้นที่สูงชันโดยไม่ต้องเปลี่ยนเกียร์คุณสามารถทำร้ายกล้ามเนื้อของคุณได้ในบางกรณีหากไกลโคเจนหมดไป)

(และยังมีประเด็นที่ต้องพิจารณาว่าในบุคคลที่มีความอ่อนไหวสามารถทำให้เกิดอาการบาดเจ็บที่เข่าโดยใช้อุปกรณ์ที่ยากเกินไปอย่างต่อเนื่อง)

เพื่อความเข้าใจของฉันมันไม่ควร คำอธิบายที่ง่ายที่สุดคือการใช้พลังงานเท่ากับพลังงานในเวลาที่มีประสิทธิภาพ (ประสิทธิภาพคือการสูญเสียพลังงานอันเนื่องมาจากแรงเสียดทานความต้านทานอากาศความต้านทานการหมุนความร้อนและอื่น ๆ ) การเปลี่ยนเกียร์ไม่ได้เปลี่ยนพลังงานใน (ส่วนนั้นมีอยู่ในตัวคุณ) และจะไม่เปลี่ยนประสิทธิภาพเชิงกล ดังนั้นกำลังงานจึงไม่เปลี่ยนแปลง

สำหรับความลึกเล็กน้อยพลังงานคือผลรวมของงานที่ทำตลอดเวลา ( P_avg = ΔW/Δt) ในกรณีนี้เรากำลังพิจารณาระยะเวลาที่เหมือนกันดังนั้นจึงΔtเป็นค่าคงที่ ในบริบทที่หมุนWเป็นแรงบิด (แรงหมุน) ครั้งออกแรงความเร็วเชิงมุม (ความเร็วในการหมุน) W = τθหรือ เกียร์จะเปลี่ยนอัตราส่วนระหว่างแรงบิดและความเร็วเชิงมุมเท่านั้นในขณะที่ยังคงทำงานได้อย่างต่อเนื่อง กล่าวอีกนัยหนึ่งการไปที่เฟืองที่สูงกว่าอาจต้องใช้แรงบิดสองเท่า แต่คันเหยียบจะหมุนเร็วครึ่งหนึ่ง เกียร์ต่ำอาจทำให้คุณหมุนเร็วขึ้นสองเท่า แต่คุณจะใช้แรงบิดเพียงครึ่งเดียว เนื่องจากเอาต์พุตงานเหมือนกันเอาต์พุตพลังงานจึงเหมือนกัน

สิ่งนี้ส่งผลต่อความเร็วล้ออย่างไร ก็เหมือนกันกับW = τθล้อของคุณด้วย แต่กลับกัน (ล้อของคุณเห็นข้างหลัง: ลองคิดดูว่าคุณกำลังเหยียบฟันเฟืองอยู่หรือไม่ เกียร์ต่ำจะทำให้แรงบิดมากขึ้นบนล้อ (ช่วยให้เร่งความเร็วสูง) แต่มีความเร็วเชิงมุมต่ำ (ความเร็วในการหมุน) เกียร์ที่สูงกว่าจะไม่ทำให้เกิดแรงบิดมากบนล้อ (ซึ่งเป็นสาเหตุที่ทำให้เร่งความเร็วได้ยาก) แต่จะทำให้พวกเขาหมุนอย่างบ้าคลั่ง การเข้าเกียร์สูงที่สุดเท่าที่จะทำได้จะทำให้คุณได้รับความเร็วสูงสุด

อย่างไรก็ตามนั่นคือสิ่งที่ร่างกายมนุษย์เข้ามามีบทบาท เรามีระบบเสริมสองระบบสำหรับสร้างพลังงาน: ระบบหัวใจและหลอดเลือดซึ่งผลิตพลังงานน้อยกว่า แต่ใช้เวลานานมากและระบบกล้ามเนื้อซึ่งเก่งในการสร้างพลังงานสูง แต่เพียงช่วงเวลาสั้น ๆ เป็นการดีที่เมื่อไม่ได้วิ่งคุณต้องการให้ทั้งสองระบบผลิตพลังงานให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ ผลรวมของพลังงานนั้น (ลบด้วยการสูญเสียประสิทธิภาพ) จะเป็นผลรวมกำลังของคุณและการเปลี่ยนแปลงระดับความสูง, ความต้านทานการหมุนและอากาศพลศาสตร์ของคุณจะกำหนดสัดส่วนของเอาท์พุทที่จะใช้ในที่สุดสำหรับแรงบิดเทียบกับระยะทาง .

หวังว่าจะช่วย

ไม่อัตราส่วนเกียร์และอัตราขยายไม่ส่งผลกระทบต่อกำลัง ในขณะที่คุณถูกต้องโดยสมมติว่ามันจะให้ความรู้สึกที่แตกต่างจากผู้ขับขี่หากตัวแปรสามตัวอื่นเท่ากันอัตราการใช้พลังงานจะเท่าเดิม ในกรณีนี้ในอัตราส่วนเกียร์ "ง่ายขึ้น" จังหวะจะต้องเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญในการรักษาเวลาไต่เดียวกัน (ความเร็ว) และถ้าผู้ขับขี่เหมือนกันจากนั้นอัตราการทำงานจะเหมือนกัน ความเร็วที่เพิ่มขึ้นของการถีบทำให้ความแตกต่างของค่าใช้จ่ายวัตต์เมื่อเทียบกับเกียร์ "ยาก" ที่จังหวะที่ต่ำกว่า