Circa l'efficienza della bici. Disegno, descrizione

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Sull'efficienza della bici. Trasporto personale

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L'efficienza di una bicicletta, sia biologicamente che meccanicamente, è molto alta. I ricercatori hanno calcolato che in termini di quantità di energia che una persona deve spendere per coprire una determinata distanza, una bicicletta è il veicolo semovente più efficiente. Dal punto di vista meccanico, fino al 99% dell'energia viene trasferita dai pedali alle ruote, anche se l'uso di un meccanismo di cambio può ridurre questa quantità del 10-15%. In termini di rapporto tra il carico utile che una bicicletta può trasportare e il peso totale, una bicicletta è anche il mezzo di trasporto merci più efficiente.

Efficienza energetica

Una persona che va in bicicletta a velocità medio-basse (16-24 km/h) utilizza la stessa quantità di energia necessaria per camminare, quindi la bicicletta è il mezzo di trasporto pubblico più efficiente dal punto di vista energetico disponibile. La resistenza aerodinamica, che aumenta approssimativamente con il quadrato della velocità, richiede più potenza rispetto alla velocità poiché all'aumentare della velocità della bicicletta, la potenza richiesta aumenta in modo cubico, poiché la potenza è uguale alla velocità per la forza: P = F * v (figura 1.). Una bici in cui il ciclista è in posizione sdraiata è chiamata ligerad (in alternativa chiamata rickambent), e se la bici ha una carenatura aerodinamica utilizzata per ottenere una resistenza aerodinamica molto bassa, allora è chiamata streamliner.

Grafico della potenza richiesta rispetto alla velocità della bicicletta

Circa l'efficienza della bici
Riso. 1. La dipendenza della potenza richiesta dalla velocità della bicicletta

Su una superficie dura e piana, una persona del peso di 70 kg ha bisogno di circa 30 watt di energia per muoversi a una velocità di 5 km/h. La stessa persona in bicicletta, trovandosi sulla stessa superficie e utilizzando la stessa potenza, può muoversi a una velocità media di 15 km/h, per cui il consumo energetico in kcal/(kg*km) sarà circa tre volte inferiore. I seguenti numeri sono comunemente usati:

1.62 kJ / (km * kg) per il ciclismo,

3.78 kJ / (km * kg) per camminare / correre,

16.96 kJ / (km * kg) per il nuoto.

I ciclisti dilettanti possono in genere sviluppare 3 W/kg per più di un'ora (ad esempio circa 210 W per un ciclista di 70 kg), i migliori dilettanti sviluppano 5 W/kg e gli atleti d'élite possono raggiungere 6 W/kg in periodi di tempo simili. I ciclisti su pista sprint d'élite sono in grado di raggiungere brevemente livelli di potenza di picco di circa 2000 watt o più di 25 watt / kg; i ciclisti su strada d'élite possono raggiungere la potenza di picco a breve termine da 1600 watt a 1700 watt per un'esplosione istantanea fino al traguardo al termine di una corsa su strada di cinque ore.

Anche quando ci si muove a velocità moderate, la maggior parte dell'energia viene spesa per superare la resistenza aerodinamica, che aumenta con il quadrato della velocità. Pertanto, la potenza richiesta per vincere la resistenza dell'aria aumenta con il cubo della velocità.

Velocità tipiche del ciclismo

Le velocità tipiche per le biciclette vanno da 15 a 30 km/h. Su una bici da corsa veloce, il ciclista medio può guidare a 50 km/h su terreno pianeggiante per brevi periodi di tempo. La velocità massima registrata ufficialmente per un veicolo spinto dall'energia muscolare durante la guida su una superficie piana con tempo calmo e senza assistenza esterna (ovvero nessuna auto o moto si muoveva davanti al veicolo) è stata di 133,284 km/h. Questo record è stato stabilito da Sam Whittingham nel 2009 a Varna. Nel 1989, mentre correva attraverso l'America, un gruppo di veicoli a propulsione muscolare attraversò gli Stati Uniti in soli 6 giorni. La velocità massima ufficialmente registrata in sella a una bicicletta con un normale ciclista in posizione eretta, a parità di altre condizioni, è stata di 82,52 km / h su una distanza di oltre 200 metri. Questo record è stato stabilito nel 1986 da Jim Glover su una bicicletta "Multon AM7" al terzo simposio scientifico internazionale per veicoli a propulsione muscolare a Vancouver.

Peso contro potenza

Si è tenuto un grande concorso per ridurre il peso delle bici da corsa attraverso l'uso di materiali e componenti moderni. Inoltre, le ruote moderne hanno cuscinetti a basso attrito e altre caratteristiche per ridurre la resistenza aerodinamica, ma nei nostri test questi componenti hanno avuto un effetto minimo o nullo sulle prestazioni della bici durante la guida su una strada pianeggiante. Ad esempio, ridurre il peso di una bicicletta di 0,45 kg avrà lo stesso effetto in una cronometro di 40 km su strada pianeggiante come rimuovere qualsiasi sporgenza che ha un'area del profilo alare delle dimensioni di una matita. Inoltre, l'Unione ciclistica internazionale fissa un limite al peso minimo di una bicicletta che sarà autorizzata a correre, per evitare che le biciclette siano così sottili da non essere sicure da usare. Per questo motivo, nello sviluppo degli ultimi modelli di biciclette, tutti gli sforzi sono stati diretti a ridurre la resistenza aerodinamica utilizzando tubi di forma aerodinamica, raggi piatti sulle ruote e utilizzando manubri tali che la posizione del busto del ciclista e delle sue mani avrebbe minima resistenza aerodinamica. Questi cambiamenti possono influenzare in modo significativo le prestazioni, riducendo il tempo necessario per completare la distanza. Meno peso si traduce in un grande risparmio di tempo durante la guida in salita su terreni collinari.

Energia cinetica di un filatoio

Considera l'energia cinetica e le "masse rotanti" di una bicicletta per studiare l'impatto dell'energia rotazionale rispetto alle masse non rotanti.

L'energia cinetica di un oggetto in movimento traslatorio è determinata dalla formula

E=0.5 mv²

Dove E - energia in joule, m - massa in chilogrammi, v - velocità, m / s. Per le masse rotanti (ad esempio, per una ruota), l'energia cinetica di rotazione è definita come

E=0.5 Iω²

Dove I è il momento d'inerzia, ω è la velocità angolare in radianti al secondo. Per una ruota con tutta la sua massa situata sul bordo esterno (usiamo questa approssimazione per una ruota di bicicletta), il momento di inerzia è

io=0.5 m²

Dove r è il raggio in metri.

La velocità angolare è correlata alla velocità di avanzamento e al raggio del pneumatico. Se non c'è scorrimento, la velocità angolare sarà determinata dalla formula:

ω=v/T

quando le masse rotanti si muovono lungo la strada, l'energia cinetica totale è uguale alla somma dell'energia cinetica dei movimenti traslatorio e rotatorio:

E=0.5 mv² + 0.5 Iω²

Sostituendo I e ω nell'espressione precedente, otteniamo

E=0.5 mv² +0.5 m² *v2/r²

Il termine r2 si annulla e di conseguenza otteniamo l'espressione

E=0.5 mv² +0.5 mv² = mv²

In altre parole, l'energia cinetica delle masse rotanti delle ruote è doppia rispetto all'energia delle masse stazionarie della bicicletta. C'è del vero nel vecchio adagio: "Una libbra dalle ruote equivale a 2 libbre dal telaio".

Tutto dipende, ovviamente, dalla precisione con cui il cerchio sottile è un modello approssimativo di una ruota di bicicletta. In realtà, l'intera massa non può essere concentrata nel cerchione della ruota. Per confronto, l'altro estremo sarebbe una ruota la cui massa è distribuita uniformemente sull'intero disco. In questo caso I = 0.5mr², e quindi l'energia cinetica totale risultante diventa pari a E = 0.5mv² +0.25 mv² = 0.75 mv². Ridurre il peso della ruota di un chilogrammo equivale a ridurre il peso del telaio della bicicletta di 1,5 kg. I parametri della maggior parte delle ruote delle biciclette reali saranno da qualche parte nel mezzo tra questi due estremi.

Un altro aspetto interessante di questa equazione è che per le ruote di bicicletta che non scivolano durante il movimento, l'energia cinetica è indipendente dal loro raggio. In altre parole, il vantaggio delle ruote da 650 mm è il loro peso ridotto, non il loro diametro inferiore, come spesso si sostiene. L'energia cinetica per le altre masse rotanti sulla bicicletta è molto piccola rispetto all'energia cinetica delle ruote. Ad esempio, se pedali a circa 1/5 della velocità delle ruote, la loro energia cinetica sarà circa 1/25 (per unità di peso) dell'energia delle ruote. Poiché il loro centro di massa si sposta lungo un raggio più piccolo, la loro energia si riduce ulteriormente.

Converti in kilocalorie

Supponendo che una ruota che gira possa essere pensata come la somma delle masse del cerchio e del pneumatico, più altri 2/3 della massa dei raggi, tutto questo è centrato sul cerchio/pneumatici. Per un ciclista di 82 kg su una bici da 8 kg (il peso totale è di 90 kg) a 40 km/h, l'energia cinetica è di 5625 joule per il ciclista più 94 joule per le ruote che girano (1,5 kg è il peso totale di cerchi, pneumatici e raggi). Convertendo i joule in chilocalorie (per questo è necessario moltiplicare i joule per 0,0002389), otteniamo 1,4 Kcal (queste sono le calorie del cibo).

Quella 1,4 kcal è la quantità di energia necessaria per accelerare la bici da ferma, o che viene dissipata sotto forma di calore quando si frena fino all'arresto. Queste 1,4 chilocalorie sono sufficienti per riscaldare 1 kg di acqua di 1,4 gradi Celsius. Poiché la capacità termica dell'alluminio è il 21% di quella dell'acqua, questa quantità di energia è sufficiente per riscaldare di 800°C un cerchione da 8 grammi in lega di alluminio durante una sosta veloce. I cerchi non si surriscaldano molto quando sono fermi su una strada pianeggiante. Per calcolare il dispendio energetico di un ciclista, il fattore di efficienza è considerato pari al 24%, risultando in 5,8 kcal necessarie per accelerare la bicicletta e il ciclista a una velocità di 40 km / h, che richiede circa lo 0,5% dell'energia necessaria per pedalare a una velocità di 40 km / h. h per un'ora. Questo dispendio energetico si verificherà in 15 secondi, ad una velocità di circa 0,4 kcal al secondo, mentre la guida costante a 40 km/h richiede 0,3 kcal al secondo.

Vantaggi delle ruote leggere

Il vantaggio delle bici leggere, e in particolare delle ruote leggere, rispetto all'energia cinetica è che l'energia cinetica inizia a mostrare i suoi effetti solo quando la velocità della bici cambia, quindi ci sono due casi in cui le ruote leggere sono vantaggiose: nello sprint e durante la negoziazione curve strette nel criterio.

In uno sprint di 250 m a una velocità compresa tra 36 e 47 km/h, con bici e atleta del peso di 90 kg, più altri 1,75 kg di peso delle ruote (cerchi, pneumatici, raggi), l'energia cinetica aumenta di 6360 joule (6,4 .500 kcal). Se riduciamo il peso totale di cerchi, pneumatici e raggi di 35 g, allora questa energia cinetica diminuirà di 1 J (1,163 kcal = 500 wattora). L'effetto di questo risparmio di peso sulla velocità o sulla distanza percorsa è abbastanza difficile da calcolare, è necessario conoscere la potenza sviluppata dall'atleta e la lunghezza della distanza dello sprint. I calcoli mostrano che ridurre il peso delle ruote di 0,16 grammi darà al velocista un guadagno nel tempo di 188 secondi e un guadagno nella distanza percorsa di 0,05 cm Se le ruote sono rese aerodinamiche, il guadagno sarà di 40 km/ h alla velocità di 0,6 km/h , il beneficio della riduzione di peso sarà trascurabile rispetto al beneficio ottenuto dalla forma aerodinamica delle ruote. In confronto, le migliori ruote di bicicletta aerodinamiche danno un guadagno di circa 40 km/h a una velocità di 500 km/h, quindi in uno sprint vale la pena usare un set di ruote aerodinamiche del peso di XNUMX go meno.

In un criterium (gara su circuito di gruppo), il pilota spesso inizia ad accelerare rapidamente dopo aver superato ogni curva. Se il ciclista deve frenare prima di superare ogni curva (piuttosto che inerzia per rallentare), l'energia cinetica che viene aggiunta ad ogni accelerazione viene persa sotto forma di calore durante la frenata. Quando si corre criterium su terreno pianeggiante a 40 km/h, con un giro lungo 1 km e ogni giro ha 4 curve, la perdita di velocità ad ogni curva è di 10 km/h. La durata della gara è di un'ora, il peso del ciclista è di 80 kg, la bici è di 6.5 kg, i cerchi, le ruote e i raggi pesano 1.75 kg, in questa gara dovrai superare 160 curve. Ciò richiederà 387 kcal in più rispetto alle 1100 kcal necessarie per guidare a velocità costante per la stessa distanza. Riducendo il peso delle ruote di 500 g si ridurrà il consumo energetico totale del corpo di 4,4 kcal. Se l'aggiunta di 500 g di peso in più alle ruote comporta una riduzione dello 0,3% della resistenza aerodinamica (che si traduce in un aumento della velocità di 0,03 km/h durante la guida a 40 km/h), allora le calorie bruciate per compensare il peso extra sarà compensato da una riduzione della resistenza aerodinamica.

Un altro luogo in cui le ruote più leggere possono fare una grande differenza è quando si pedala in salita. Puoi persino sentire un'espressione come "queste ruote hanno aggiunto 0,5-1 km / h di velocità", ecc. Dalla formula per il calcolo della potenza, ne consegue che 450 grammi di massa risparmiata daranno un aumento di 0,1 km / h alla velocità in salita con una pendenza di 4°, e anche risparmiando 1,8 kg di peso si otterrà un aumento di velocità di soli 0,4 km/h per un atleta leggero. Quindi, qual è l'effetto positivo significativo della riduzione del peso delle ruote? Alcuni suggeriscono che non ci sono risparmi, ma c'è un "effetto placebo". È stato anche suggerito che il cambio di velocità ad ogni pedalata durante la guida in salita spieghi il vantaggio che ne deriva. Tuttavia, l'energia si conserva durante i cambi di velocità - durante la fase di pedalata la bici accelera leggermente, mentre si accumula energia cinetica, e nelle "zone morte" durante la pedalata del punto più alto della corsa, la bici rallenta, così che l'energia cinetica viene ripristinata. Pertanto, un aumento della massa rotante può ridurre in qualche modo la variazione della velocità della bicicletta, ma non aumenta la necessità di energia aggiuntiva.

Le bici più leggere si arrampicano più facilmente, ma l'effetto "massa rotante" è solo un problema durante l'accelerazione rapida, e anche in questo caso è piccolo.

Spiegazioni

Possibili spiegazioni tecniche per i vantaggi ampiamente dichiarati dei componenti leggeri in generale, e delle ruote leggere in particolare, sono le seguenti:

1. Il peso leggero vince nelle gare in cui ci sono salite significative perché le bici più pesanti non possono compensare l'energia persa in discesa o in piano: il ciclista sulla bici più leggera si limita a inerzia. Inoltre, se due ciclisti identici su una bici pesante e leggera raggiungono contemporaneamente il punto più basso dopo essere saliti al traguardo, allora tutto il vantaggio passa alla bici leggera. Non è così nelle cronometro collinari (o in solitaria) dove il vantaggio di ruote più pesanti ma più aerodinamiche compensa facilmente la distanza persa in salita.

2. Le bici leggere vincono gli sprint perché sono più facili da accelerare. Ma nota che le ruote aerodinamiche più pesanti forniscono guadagni di velocità significativi, e per buona parte della gara, il velocista accelera un po' ma spende la maggior parte del suo sforzo per superare la resistenza aerodinamica. In molte situazioni di sprint, ruote più pesanti ma più aerodinamiche possono aiutare a vincere.

3. Il peso leggero offre un vantaggio di criterio grazie all'accelerazione costante dopo ogni curva. Le ruote più pesanti, ma più aerodinamiche, offrono un leggero vantaggio in quanto i ciclisti si trovano in gruppo per la maggior parte del tempo. Il risparmio energetico delle ruote leggere è minimo, ma può essere più significativo perché i muscoli delle gambe devono fare uno sforzo extra ogni volta che si pedala.

Ci sono due spiegazioni "non tecniche" per l'effetto di leggerezza. Innanzitutto, c'è l'effetto placebo. Poiché il ciclista sente di essere su una bici migliore (più leggera), pedala più forte e quindi pedala più velocemente. La seconda spiegazione, non tecnica, è il trionfo della speranza sull'esperienza del ciclista, perché il minor peso della bici non ne aumenta significativamente la velocità, ma il ciclista pensa di andare più veloce. A volte ciò è dovuto alla mancanza di dati reali, come quando un ciclista ha impiegato due ore per scalare una collina sulla sua vecchia bicicletta, ma sulla sua nuova bici lo ha fatto in 01:50. Fattori come l'adattamento del ciclista alla bici durante queste due salite, se il tempo era caldo o ventoso, da che parte soffiava il vento, come si sentiva il ciclista, ecc. non vengono presi in considerazione.

Un'altra spiegazione, ovviamente, potrebbe essere i vantaggi di marketing associati alla promozione dell'idea della perdita di peso.

Dopotutto, l'argomento "aumento del consumo di energia muscolare" è l'unico che può supportare i vantaggi dichiarati delle ruote leggere in situazioni in cui è necessaria un'accelerazione rapida. Questa argomentazione dovrebbe affermare che se il ciclista è già al limite dello sforzo ad ogni scatto o ad ogni pedalata, allora la piccola quantità di potenza extra necessaria per compensare il peso extra sarebbe un onere fisiologico significativo. Non è chiaro se questa affermazione sia vera, ma è l'unica spiegazione per i vantaggi dichiarati della riduzione del peso della ruota (rispetto alla riduzione del peso per il resto della bici). Per queste accelerazioni non fa differenza se le ruote sono diventate più leggere di mezzo chilo o il peso della bici e l'atleta è diventato più leggero di un chilogrammo. La meraviglia delle ruote leggere (rispetto alla riduzione di peso in qualsiasi altra parte della bici) è difficile da vedere.

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Gli adulti valutano i bambini in base alle parole 29.02.2016

Spesso in una conversazione sui bambini, puoi sentire che un ragazzo o una ragazza ha una faccia intelligente o occhi intelligenti (beh, o non intelligente, ma viceversa). D'altra parte, è altrettanto comune sentire che il figlio o la figlia di qualcuno è sviluppato oltre i suoi anni. Ma come valutiamo quanto è sviluppato un bambino? Sembra ovvio che gli adulti valutino i bambini in base al loro aspetto, alle espressioni facciali: dopotutto, i bambini non sono adulti e non possono ancora esprimere la propria personalità con le parole e con i fatti. Tuttavia, in realtà, l'aspetto non è la cosa principale e crediamo più in ciò che dice il bambino che in come appare.

Gli psicologi della Florida Atlantic University hanno avviato un esperimento in cui agli adulti sono state mostrate diverse fotografie di bambini, ragazzi e ragazze di sei anni. Alcune foto sono state "cresciute" artificialmente - in modo che il bambino non guardasse 6, ma 8-10 anni, mentre altre foto, al contrario, subivano "ringiovanimento" - i bambini sembravano 4-5 anni. Le fotografie erano accompagnate da dichiarazioni-pensiero dei bambini, che avrebbero dovuto aiutare gli adulti a determinare il ritratto psicologico del bambino. Ad esempio, la frase "il sole non sorge domani perché è (con qualcosa) arrabbiato" parlava ovviamente dell'immaturità, dell'"infantile" di un bambino che vive ancora in larga misura nelle sue fantasie. Cioè, le descrizioni indicavano come i ragazzi e le ragazze sono orientati nel mondo, come sono sviluppati intellettualmente, ecc.

Combinazioni di parole e foto sono state offerte in vari modi: a volte veniva mostrata solo una foto, a volte alla foto venivano allegate parole che "per età" non corrispondevano alla foto (cioè nella foto il bambino, se confrontato con le sue stesse parole, era più giovane o più vecchio), e talvolta un ritratto fotografico e un ritratto verbale coincidevano.

Gli adulti, alla fine, emettevano il loro verdetto psicologico: dovevano dire se al bambino piaceva mentire, se era arguto, se era amichevole, affabile o meno. Gli psicologi, a loro volta, hanno concluso come un adulto vede un bambino - come ancora piccolo o come già grande. Di conseguenza, si è scoperto che i bambini venivano valutati principalmente in base a cosa e come dicevano.

Ad esempio, quando un partecipante all'esperimento (sia esso un uomo o una donna - il genere non ha avuto un ruolo) ha descritto la sua impressione di un bambino che "ha detto" del "sole arrabbiato", allora lo ha percepito come un piccolo , non importa quanti anni avesse il ragazzo (o una ragazza - qui anche il pavimento non ha quasi alcun ruolo) guardava nella foto. Inoltre, erano i pensieri "molto infantili" ad avere il potere maggiore, cioè, avendo ascoltato una strana fantasia, un adulto era più propenso a sottovalutare l'età del bambino piuttosto che, al contrario, aggiungergli anni se all'improvviso diceva qualcosa di intelligente .

Va sottolineato che stiamo parlando solo di una certa età, dai 4 ai 10 anni. In passato, valutiamo lo sviluppo del bambino principalmente nell'aspetto: quanto sono carnose le guance, quanto sono rotondi gli occhi e così via. Ma poi i bambini padroneggiano appieno il linguaggio, la scuola brilla già per loro, il mondo si allarga per loro, le interazioni sociali diventano più complicate - e qui, per capire quanto sia adeguato il bambino al mondo, non si può fare senza parole.

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