¿La relación de transmisión afecta la potencia?

Permítanme comenzar diciendo que este puede no ser el SE correcto. Pensé en preguntar sobre el SE de Física, pero pensé que podría intentarlo aquí primero. Si está mal, no estoy en contra de que se migre.

A partir de los principios básicos de la física, el poder se calcula como trabajo / tiempo. Así que considere un sistema de ciclista y ciclista escalando una colina. El trabajo realizado es la diferencia de potencial de abajo hacia arriba, y obviamente el tiempo será el tiempo de ascenso.

Ahora, mi pregunta es:

Dado el mismo ciclista, el mismo peso de la bicicleta y el mismo tiempo de ascenso, ¿su engranaje afecta la potencia? Suponga también que la escalada es eficiente, sin deslizamiento de neumáticos, pedaleo normal, etc.

Desde una perspectiva física, espero que la respuesta sea no. Misma diferencia de potencial, mismo tiempo, mismo poder. Sin embargo, desde la perspectiva del piloto, sé que seguro se siente que se está utilizando mucha más potencia para escalar con una relación más difícil.

Espero que la respuesta sea que la disparidad proviene de idealizar el sistema. Si consideramos que la bicicleta es un sistema cerrado, esperamos que toda la energía puesta en la bicicleta la lleve cuesta arriba, pero este no es el caso. Además, creo que la ineficiencia del cuerpo humano será relevante. Sin embargo, todavía no puedo resolver la pregunta.

Sospecho que te refieres a eficiencia más que a potencia.

En mi opinión, la principal compensación es entre el aumento de las pérdidas biomecánicas a rpm más altas (básicamente fricción muscular) y la disminución del flujo sanguíneo con fuerzas más altas a rpm más bajas. El equilibrio depende tanto del piloto como de la duración.

En el IHPVA Journal of Human Power, el número 45 (pdf, índice aquí ) es un artículo llamado Maximum Human Power donde hablan sobre Tyler Hamilton ganando la escalada del Monte Washinton en 51 minutos:

"Sin embargo, corrió gran parte de la escalada en el engranaje de 23 dientes e hizo varias oleadas en el 21." Si tuviera ruedas de 700 mm, como parece probable, su cadencia promedio habría sido de 63 RPM.

Vale la pena leer todo el artículo, y puede ser útil buscar en el índice artículos similares.

La otra cara es que los velocistas superiores a menudo superan las 150 rpm en el sprint final. En ese momento, están cambiando la eficiencia biomecánica por la potencia máxima. Solía ​​alcanzar un pico de más de 900 W durante 10 segundos (> 8 W / kg) a alrededor de 130 rpm, pero mi rendimiento por hora de alrededor de 350 W utilizaba una cadencia de aproximadamente 80-90 rpm.

La verdadera respuesta es específica para ti. Dependerá de la forma de su cuerpo, tipo de músculo, estado físico y factores más transitorios. También es una pregunta que se responde mejor con un experimento, y debe ser parte de su programa de entrenamiento si está compitiendo. Si no, te sugiero que encuentres una escalada que montes regularmente y que lleves un diario de entrenamiento .

También ha habido mucha discusión sobre la hidratación para largas subidas. ¿Es mejor hidratarse y comenzar a pesar más, o correr un poco deshidratado para que pese menos? IIRC la conclusión fue que la hidratación fue mejor, pero no puedo encontrar la referencia.

Dado el mismo ciclista, el mismo peso de la bicicleta y el mismo tiempo de ascenso, ¿su engranaje afecta la potencia? Suponga también que la escalada es eficiente, sin deslizamiento de neumáticos, pedaleo normal, etc.

Bueno, eso depende de qué "poder" estés midiendo :-).

Obviamente, la potencia ejercida por la bicicleta en su conjunto es la misma: si se mueve a la misma velocidad, es la misma potencia.

Sin embargo, el poder que ejerce su cuerpo puede ser diferente, por una variedad de razones:

• Los músculos probablemente tienen un nivel de velocidad y fuerza donde son más eficientes, por lo que la energía / potencia química que su cuerpo debe ejercer para producir movimiento muscular será diferente.
• Los diversos procesos de pérdida de energía debidos a flexión, fricción, etc. probablemente serán diferentes dependiendo del engranaje. Por ejemplo, en las marchas más bajas habrá un movimiento de la cadena más rápido (por lo tanto, más fricción), por otro lado, la tensión de la cadena será menor, lo que probablemente reduce la fricción. Además, en los engranajes inferiores, la flexión del bastidor en respuesta a las fuerzas de la cadena probablemente será menor.

Mi impresión es (aunque no tengo fuentes que me respalden) que, en general, el sistema humano es más eficiente en cuanto a la potencia (es decir, la mejor relación entre la potencia del pedal y el esfuerzo) en cadencias de alrededor de 90-100 RPM, así que eso es lo que un ciclista debería luchar por.

Curiosamente, la mejor cadencia para obtener la máxima potencia es aparentemente mucho más baja, por eso los ciclistas profesionales usarán velocidades altas y cadencias bajas para los sprints; sin embargo, esto es mucho más agotador que las cadencias más altas, por lo que es ineficiente a largas distancias.

Tal vez sea la diferencia entre, ¿cómo lo llamas, trabajo 'isotónico' versus trabajo ' isométrico '?

Lo que quiero decir es que, por ejemplo, se necesita mucho esfuerzo humano (fuerza, poder o trabajo) para tratar de mover un objeto inamovible: empujar contra una pared o algo así.

En una marcha demasiado alta, empujas y empujas y no vas a ninguna parte (mucha potencia para ir a ninguna parte => 0% de eficiencia).

En una marcha demasiado baja es demasiado fácil: giras sin resistencia; su velocidad de centrifugado está limitada a ~ 120 RPM más o menos, es decir, no puede aumentar infinitamente; por lo tanto (baja fuerza y ​​RPM limitadas) está limitado en la cantidad de potencia que emite (es menor que su potencia máxima teórica).

Posiblemente haya una ' cadencia ' eficiente (quizás 90 RPM) que tal vez desee usar en todo terreno (arriba, abajo, nivel), y lo correcto (la forma correcta de usar sus engranajes) es ajustar continuamente el engranaje para terreno para: a) mantener una cadencia constante y eficiente (por ejemplo, 90 RPM); b) mantenga una salida de fuerza / potencia lo suficientemente alta a esa cadencia (por ejemplo, si parece demasiado fácil, cambie a una marcha más alta, o si es demasiado difícil, cambie a una marcha más baja para mantener la cadencia).

Por supuesto, la relación de transmisión afecta la potencia "potencial" que puede producir. Considere un esfuerzo muscular máximo para subir una colina empinada. Descuidando la fricción de la cadena y otros efectos secundarios, subirás la colina más rápido con la mayor potencia que tus músculos pueden producir. Tenga en cuenta que potencia = kx par x cadencia (donde k es solo una constante que determina las unidades de potencia (vatios, caballos de fuerza, etc.). Digamos que está montando en una velocidad demasiado alta para que no pueda avanzar en el cuesta (su cadencia es 0). A 0 cadencia, su par es el máximo que puede ser y su potencia es 0. A medida que aumenta su cadencia (al reducir la relación de transmisión), su par disminuye. Sin embargo, el producto del par y aumenta la cadencia (que es proporcional al poder). A medida que sigue aumentando su cadencia al reducir su relación de transmisión, eventualmente alcanzará la cadencia energética óptima (EOC). En el EOC, el poder que pueden producir tus músculos es máximo. El aumento de la cadencia por encima de EOC reduce su potencia potencial máxima.

Conclusión: elija la relación de transmisión que le permita girar lo más cerca posible del EOC. Subirás la empinada colina más rápido con esta cadencia.

Nota: La curva de potencia vs. cadencia parece una parábola invertida. Es un resultado directo del trabajo realizado por Archibald Vivian Hill, quien ganó un Premio Nobel por su trabajo en este y muchos otros temas en biofísica. También tenga en cuenta que la resistencia máxima probablemente se produce a una cadencia menor que EOC.

Aquí intervienen varios factores, por lo que cualquier respuesta no es simple. Primero, como señaló Leon, obtienes potencia cero en las ruedas cuando el engranaje es tan duro que no puedes moverte. Y obtienes una potencia increíblemente pequeña para las ruedas cuando la relación de transmisión es tan fácil que estás girando a 200 RPM.

Pero lo más importante, el poder PROMEDIO durante un período de tiempo depende en gran medida de los detalles de cómo funcionan los músculos. Principalmente hay ejercicio AEROBIC vs ANAEROBIC. Con el ciclista promedio, con un nivel de azúcar en la sangre normal, cualquier conducción por encima de aproximadamente 80 RPM será en gran medida aeróbica, y cualquier conducción (a medio camino) por debajo de aproximadamente 60 RPM tendrá una gran pieza anaeróbica. El ejercicio aeróbico quema el azúcar en la sangre, pero el ejercicio anaeróbico quema el glucógeno almacenado en los músculos.

Por cortos períodos de tiempo (cuán corto dependiendo de qué tan intenso sea el ejercicio y cuánto flujo sanguíneo haya), los músculos con buena salud pueden quemar glucógeno de manera tan eficiente como la glucosa en sangre, pero la cantidad de glucógeno almacenada en los músculos solo es suficiente para tal vez 15-30 minutos de ejercicio de alta intensidad (aunque con un entrenamiento específicamente dirigido a aumentar las reservas de glucógeno del cuerpo, esto se puede aumentar a varias horas).

Por lo tanto, conducir en una marcha "difícil" que produce bajas RPM agota más rápidamente el glucógeno muscular y conduce a una fatiga más rápida. Y obviamente, a medida que se fatiga, su potencia de salida disminuye. (Y, por supuesto, conducir con una marcha demasiado "fácil" da como resultado RPM excesivamente altas, y las RPM "óptimas" del ciclista promedio generalmente están por debajo de 100). puede contraer los músculos de "contracción lenta" y algunos otros factores. (Tenga en cuenta que necesita el glucógeno para situaciones cortas y de alta demanda, como subir una colina corta y empinada sin cambios descendentes. En realidad, puede dañar sus músculos en algunas circunstancias si el glucógeno está totalmente agotado).

(Y también existe el punto de considerar que en individuos susceptibles uno puede causar una lesión en la rodilla al usar constantemente un equipo demasiado difícil).

A mi entender, no debería. La explicación más simple es que el apagado es igual a la potencia en tiempos de eficiencia (la eficiencia es la pérdida de energía debido a la fricción, resistencia al aire, resistencia a la rodadura, calor, etc.). Cambiar de marcha no cambia la potencia (esa parte depende de usted), ni cambia la eficiencia mecánica. Por lo tanto, la potencia de salida no cambia.

Para un poco más profundo, el poder es el trabajo total realizado durante el tiempo total ( P_avg = ΔW/Δt). En este caso, lo estamos considerando durante duraciones idénticas, por lo que Δtes constante. En un contexto de rotación, Wes el par (fuerza de rotación) ejercido por la velocidad angular (velocidad de rotación), o W = τθ. Un engranaje solo cambiará la relación entre el par y la velocidad angular mientras mantiene una salida de trabajo constante. En otras palabras, ir a una marcha más alta puede requerir el doble de torque, pero los pedales girarán la mitad de rápido. Una marcha más baja puede permitirle girar dos veces más rápido, pero utilizará la mitad del torque. Como la salida de trabajo es la misma, la salida de potencia es la misma.

¿Cómo afecta esto a la velocidad de la rueda? Bueno, lo mismo también W = τθafecta a tus ruedas, pero a la inversa (tus ruedas lo ven al revés: imagina que estuvieras pedaleando en tu diente y las ruedas estuvieran unidas al pedalier). Una marcha más baja pondrá más torque en las ruedas (permitiendo una alta aceleración), pero tendrá una velocidad angular correspondientemente baja (velocidad de rotación). Una marcha más alta no pondrá mucho torque en las ruedas (por eso es tan difícil acelerar), pero las hará girar como locos. Entonces, idealmente, estar en la marcha más alta posible le daría la mayor velocidad.

Sin embargo, ahí es donde entra en juego el cuerpo humano. Tenemos dos sistemas complementarios para generar energía: el sistema cardiovascular, que produce menos energía pero por períodos muy largos, y el sistema muscular, que se destaca por producir alta potencia, pero solo por un corto período de tiempo. Idealmente, cuando no está corriendo, desea que ambos sistemas produzcan tanta potencia como puedan sostener. La suma de esa potencia (menos las pérdidas de eficiencia) será su potencia de salida total, y el cambio de elevación, la resistencia a la rodadura y su aerodinámica determinarán qué proporción de esa potencia se utilizará finalmente para el par versus la distancia (y, por lo tanto, su relación de transmisión) .

Espero que ayude.

No, las relaciones de engranaje y ganancia no afectan la potencia. Si bien tiene razón al suponer que se sentiría diferente para el conductor, si las otras tres variables son iguales, la tasa de potencia será la misma. En este caso, en una relación de transmisión "más fácil", la cadencia requeriría un aumento significativo para mantener el mismo tiempo de ascenso (velocidad) y si el piloto es idéntico, entonces la velocidad de trabajo es idéntica. El aumento en la velocidad de pedaleo compensa la diferencia en el gasto de potencia en comparación con el equipo "más duro" en una cadencia más baja.