Beeinflusst das Übersetzungsverhältnis die Leistung?

Lassen Sie mich vorab sagen, dass dies möglicherweise nicht die richtige SE ist. Ich überlegte, ob ich nach der Physics SE fragen sollte, aber ich dachte, ich könnte es zuerst hier versuchen. Wenn es falsch ist, bin ich nicht gegen eine Migration.

Aus den Grundprinzipien der Physik wird die Leistung als Arbeit / Zeit berechnet. Stellen Sie sich also ein Fahrer- und Fahrradsystem vor, das einen Hügel erklimmt. Die geleistete Arbeit ist der Potentialunterschied von unten nach oben, und offensichtlich wird die Zeit die Aufstiegszeit sein.

Meine Frage lautet nun:

Beeinträchtigt Ihr Getriebe bei gleichem Fahrer, gleichem Fahrradgewicht und gleicher Steigzeit die Leistung? Nehmen Sie auch an, dass der Aufstieg effizient ist, keine rutschenden Reifen, normales Treten usw.

Aus physikalischer Sicht erwarte ich, dass die Antwort nein ist. Gleicher Potentialunterschied, gleiche Zeit, gleiche Leistung. Aus Sicht des Fahrers weiß ich jedoch, dass es sich sicher so anfühlt, als würde viel mehr Kraft eingesetzt, um mit einem härteren Verhältnis zu klettern.

Ich gehe davon aus, dass die Antwort darin besteht, dass die Ungleichheit von der Idealisierung des Systems herrührt. Wenn wir das Fahrrad als geschlossenes System betrachten, erwarten wir, dass die gesamte Energie, die in das Fahrrad gesteckt wird, es den Berg hinauf trägt, aber dies ist nicht der Fall. Darüber hinaus denke ich, dass die Ineffizienz des menschlichen Körpers relevant sein wird. Ich kann die Frage jedoch immer noch nicht lösen.

Ich vermute, Sie meinen eher Effizienz als Leistung.

Meiner Meinung nach besteht der Hauptkompromiss zwischen erhöhten biomechanischen Verlusten bei höheren Drehzahlen (im Wesentlichen Muskelreibung) und vermindertem Blutfluss bei höheren Kräften bei niedrigeren Drehzahlen. Das Gleichgewicht hängt sowohl vom Fahrer als auch von der Dauer ab.

Im IHPVA Journal of Human Power, Ausgabe 45 (pdf, Index hier ), finden Sie einen Artikel mit dem Titel Maximum Human Power, in dem über Tyler Hamilton gesprochen wird, der den Aufstieg zum Mt. Washinton in 51 Minuten gewonnen hat:

"Er fuhr jedoch einen Großteil des Aufstiegs im 23-Zahn-Zahnrad und machte im 21. mehrere Stöße." Wenn er wahrscheinlich 700-mm-Räder hätte, wäre seine durchschnittliche Trittfrequenz 63 U / min gewesen.

Der gesamte Artikel ist lesenswert und es könnte sich lohnen, im Index nach ähnlichen Artikeln zu suchen.

Die Kehrseite ist, dass Top-Sprinter im letzten Sprint oft weit über 150 U / min laufen. Zu diesem Zeitpunkt tauschen sie biomechanische Effizienz gegen Spitzenleistung. Früher habe ich 10 Sekunden lang bei> 130 U / min einen Spitzenwert von über 900 W (> 8 W / kg) erreicht, aber bei einer Stundenleistung von ca. 350 W wurde eine Trittfrequenz von ca. 80-90 U / min verwendet.

Die eigentliche Antwort ist spezifisch für Sie. Dies hängt von Ihrer Körperform, Ihrem Muskeltyp, Ihrer Fitness und vorübergehenden Faktoren ab. Diese Frage lässt sich auch am besten experimentell beantworten und sollte Teil Ihres Tr4aining-Zeitplans sein, wenn Sie an Wettkämpfen teilnehmen. Wenn nicht, schlage ich vor, einen Aufstieg zu finden, den Sie regelmäßig fahren, und ein Trainingstagebuch zu führen .

Es wurde auch viel über die Flüssigkeitszufuhr für lange Anstiege diskutiert. Ist es besser zu hydratisieren und schwerer zu beginnen oder leicht dehydriert zu laufen, damit Sie weniger wiegen? IIRC die Schlussfolgerung war, dass die Flüssigkeitszufuhr besser war, aber ich kann die Referenz nicht finden.

Beeinträchtigt Ihr Getriebe bei gleichem Fahrer, gleichem Fahrradgewicht und gleicher Steigzeit die Leistung? Nehmen Sie auch an, dass der Aufstieg effizient ist, keine rutschenden Reifen, normales Treten usw.

Nun, das hängt davon ab, welche "Leistung" Sie messen :-).

Offensichtlich ist die Kraft, die das Fahrrad als Ganzes ausübt, dieselbe - wenn es sich mit der gleichen Geschwindigkeit bewegt, ist es die gleiche Kraft.

Die Kraft, die Ihr Körper ausübt, kann jedoch aus verschiedenen Gründen unterschiedlich sein:

• Muskeln haben wahrscheinlich ein Geschwindigkeits- und Kraftniveau, in dem sie am effizientesten sind, sodass die chemische Energie / Kraft, die Ihr Körper ausüben muss, um Muskelbewegungen zu erzeugen, unterschiedlich ist.
• Die verschiedenen Energieverlustprozesse aufgrund von Biegung, Reibung usw. werden wahrscheinlich je nach Getriebe unterschiedlich sein. ZB in niedrigeren Gängen kommt es zu einer schnelleren Kettenbewegung (also mehr Reibung), andererseits ist die Kettenspannung geringer, was wahrscheinlich die Reibung verringert. Auch in niedrigeren Gängen wird die Biegung des Rahmens als Reaktion auf Kettenkräfte wahrscheinlich geringer sein.

Mein Eindruck ist (obwohl ich keine Quellen habe, die mich unterstützen), dass das menschliche System im Allgemeinen bei Kadenzen um 90-100 U / min am energieeffizientesten ist (dh das beste Verhältnis von Pedalkraft zu Anstrengung), also sollte ein Radfahrer dies tun streben nach.

Interessanterweise ist die beste Trittfrequenz für maximale Leistung anscheinend viel niedriger. Deshalb verwenden Profi-Radfahrer hohe Gänge und niedrige Trittfrequenz für Sprints - dies ist jedoch viel anstrengender als höhere Trittfrequenz und daher über lange Strecken ineffizient.

Vielleicht ist es der Unterschied zwischen "isotonischer" und " isometrischer " Arbeit?

Was ich damit meine, ist, dass zum Beispiel ein Mensch viel Mühe (Kraft, Kraft oder Arbeit) benötigt, um zu versuchen, ein unbewegliches Objekt zu bewegen: gegen eine Wand oder etwas anderes zu drücken.

In einem zu hohen Gang drückst du und drückst und gehst nirgendwo hin (viel Kraft, um nirgendwohin zu gehen => 0% Wirkungsgrad).

In einem zu niedrigen Gang ist es zu einfach: Sie drehen gegen keinen Widerstand; Ihre Schleudergeschwindigkeit ist auf ca. 120 U / min begrenzt, dh sie kann nicht unendlich ansteigen. Daher (geringe Kraft und begrenzte Drehzahl) ist die Leistung, die Sie abgeben, begrenzt (weniger als Ihre theoretische maximale Leistung).

Möglicherweise gibt es eine effiziente Trittfrequenz (vielleicht 90 U / min), die Sie in jedem Gelände (hoch, runter, eben) verwenden möchten, und das Richtige (die richtige Art, Ihre Gänge zu verwenden) besteht darin, das Getriebe für das Gelände kontinuierlich anzupassen Gelände, um: a) eine konstante, effiziente Trittfrequenz (z. B. 90 U / min) aufrechtzuerhalten; b) Halten Sie bei dieser Trittfrequenz eine ausreichend hohe Kraft- / Leistungsabgabe aufrecht (z. B. wenn es zu einfach erscheint, schalten Sie in einen höheren Gang oder wenn es zu schwierig ist, schalten Sie in einen niedrigeren Gang, um die Trittfrequenz aufrechtzuerhalten).

Das Übersetzungsverhältnis beeinflusst natürlich die "potentielle" Leistung, die Sie erzeugen können. Betrachten Sie eine maximale Muskelanstrengung, um einen steilen Hügel hinaufzugehen. Wenn Sie die Kettenreibung und andere Sekundäreffekte vernachlässigen, steigen Sie mit der höchsten Kraft, die Ihre Muskeln produzieren können, am schnellsten den Berg hinauf. Beachten Sie, dass Leistung = kx Drehmoment x Trittfrequenz (wobei k nur eine Konstante ist, die die Leistungseinheiten (Watt, Pferdestärke usw.) bestimmt. Angenommen, Sie fahren in einem zu hohen Gang, damit Sie sich nicht vorwärts bewegen können Hügel (Ihre Trittfrequenz ist 0). Bei 0 Trittfrequenz ist Ihr Drehmoment maximal und Ihre Leistung ist 0. Wenn Sie Ihre Trittfrequenz erhöhen (indem Sie Ihr Übersetzungsverhältnis verringern), nimmt Ihr Drehmoment ab. Das Produkt aus Drehmoment und Die Trittfrequenz (die proportional zur Leistung ist) nimmt zu. Wenn Sie Ihre Trittfrequenz durch Verringern Ihres Übersetzungsverhältnisses weiter erhöhen, erreichen Sie schließlich die energetisch optimale Trittfrequenz (EOC). Im EOC ist die Kraft, die Ihre Muskeln produzieren können, maximal. Wenn Sie die Trittfrequenz über dem EOC erhöhen, verringert sich Ihre maximale potenzielle Leistung.

Fazit: Wählen Sie das Übersetzungsverhältnis, mit dem Sie so nah wie möglich am EOC drehen können. Bei dieser Trittfrequenz steigen Sie am schnellsten auf den steilen Hügel.

Hinweis: Die Kurve zwischen Leistung und Trittfrequenz sieht aus wie eine umgedrehte Parabel. Es ist ein direktes Ergebnis der Arbeit von Archibald Vivian Hill, der für seine Arbeit zu diesem und vielen anderen Themen der Biophysik einen Nobelpreis erhielt. Beachten Sie auch, dass die maximale Ausdauer wahrscheinlich bei einer Trittfrequenz von weniger als EOC auftritt.

Hier gibt es mehrere Faktoren, daher ist jede Antwort nicht einfach. Erstens, wie Leon bemerkte, bekommen Sie keine Kraft auf die Räder, wenn der Gang so hart ist, dass Sie sich nicht bewegen können. Und wenn das Übersetzungsverhältnis so einfach ist, dass Sie mit 200 U / min drehen, erhalten Sie eine verschwindend geringe Leistung für die Räder.

Noch wichtiger ist jedoch, dass die durchschnittliche Leistung über einen bestimmten Zeitraum stark von Details der Funktionsweise der Muskeln abhängt. In erster Linie gibt es AEROBIC vs ANAEROBIC Übung. Bei einem durchschnittlichen Fahrer mit normalem Blutzucker ist jedes Fahren über etwa 80 U / min weitgehend aerob, und jedes (halbwegs herausfordernde) Fahren unter etwa 60 U / min hat ein großes anaerobes Stück. Aerobic-Übungen verbrennen den Blutzucker, aber anaerobe Übungen verbrennen das in den Muskeln gespeicherte Glykogen.

Für kurze Zeiträume (wie kurz, je nachdem, wie intensiv das Training ist und wie viel Blut fließt) können gesunde Muskeln Glykogen ungefähr so ​​effizient verbrennen wie Blutzucker, aber die Menge an Glykogen, die in den Muskeln gespeichert ist, reicht möglicherweise nur für vielleicht aus 15 bis 30 Minuten intensives Training (mit einem Training, das speziell auf die Erhöhung der Glykogenspeicher des Körpers ausgerichtet ist, kann dies auf mehrere Stunden erhöht werden).

Das Fahren in einem "schwierigen" Gang, der eine niedrige Drehzahl erzeugt, erschöpft somit schneller Muskelglykogen und führt zu einer schnelleren Ermüdung. Und natürlich sinkt Ihre Leistung, wenn Sie müde werden. (Und natürlich führt das Fahren mit einem zu "einfachen" Gang zu übermäßig hohen Drehzahlen, und die "optimale" Drehzahl des durchschnittlichen Fahrers liegt im Allgemeinen unter 100.) Dazwischen tauschen Sie einen bescheidenen Glykogenverbrauch gegen eine etwas erhöhte Muskelkraft aus kann durch Eingreifen der "langsam zuckenden" Muskeln und einiger anderer Faktoren bekommen. (Denken Sie daran, dass Sie das Glykogen für kurze Situationen mit hohem Bedarf benötigen, z. B. zum Besteigen eines kurzen, steilen Hügels ohne Herunterschalten. Unter bestimmten Umständen können Sie Ihre Muskeln tatsächlich verletzen, wenn das Glykogen vollständig erschöpft ist.)

(Und es ist auch zu bedenken, dass man bei anfälligen Personen Knieverletzungen verursachen kann, wenn man ständig zu schwierige Ausrüstung verwendet.)

Nach meinem Verständnis sollte es nicht. Die einfachste Erklärung ist, dass Stromausfall gleich Leistung in Zeiten Effizienz ist (Effizienz ist der Energieverlust aufgrund von Reibung, Luftwiderstand, Rollwiderstand, Wärme usw.). Das Wechseln der Gänge ändert weder die Leistung (dieser Teil liegt ganz bei Ihnen) noch den mechanischen Wirkungsgrad. Daher ändert sich die Ausgangsleistung nicht.

Für ein bisschen tiefer ist Leistung die Gesamtarbeit, die über die Gesamtzeit ausgeführt wird ( P_avg = ΔW/Δt). In diesem Fall betrachten wir es über identische Zeiträume, Δtist also konstant. In einem Rotationskontext Wist das ausgeübte Drehmoment (Rotationskraft) mal Winkelgeschwindigkeit (Rotationsgeschwindigkeit) oder W = τθ. Ein Zahnrad ändert nur das Verhältnis zwischen Drehmoment und Winkelgeschwindigkeit, während eine konstante Arbeitsleistung beibehalten wird. Mit anderen Worten, ein höherer Gang erfordert möglicherweise doppelt so viel Drehmoment, aber die Pedale drehen sich halb so schnell. Mit einem niedrigeren Gang können Sie möglicherweise doppelt so schnell drehen, aber Sie verbrauchen das halbe Drehmoment. Da die Arbeitsleistung gleich ist, ist die Leistung gleich.

Wie wirkt sich das auf die Radgeschwindigkeit aus? Das Gleiche gilt auch für W = τθIhre Räder, jedoch umgekehrt (Ihre Räder sehen es rückwärts: Stellen Sie sich vor, Sie treten auf Ihr Zahnrad und die Räder sind am Tretlager befestigt). Ein niedrigerer Gang bringt mehr Drehmoment auf die Räder (was eine hohe Beschleunigung ermöglicht), hat jedoch eine entsprechend niedrige Winkelgeschwindigkeit (Drehzahl). Ein höherer Gang bringt nicht viel Drehmoment auf die Räder (weshalb es so schwer zu beschleunigen ist), sondern lässt sie wie verrückt durchdrehen. Wenn Sie also so hoch wie möglich sind, erhalten Sie im Idealfall die höchste Geschwindigkeit.

Hier kommt jedoch der menschliche Körper ins Spiel. Wir haben zwei komplementäre Systeme zur Stromerzeugung: das Herz-Kreislauf-System, das weniger Strom produziert, aber für sehr lange Zeiträume, und das Muskelsystem, das sich durch hohe Stromerzeugung auszeichnet, jedoch nur für kurze Zeit. Wenn Sie nicht sprinten, möchten Sie im Idealfall, dass beide Systeme so viel Strom produzieren, wie sie aushalten können. Die Summe dieser Leistung (abzüglich Wirkungsgradverluste) ergibt sich aus Ihrer Gesamtleistung, und die Höhenänderung, der Rollwiderstand und Ihre Aerodynamik bestimmen, welcher Anteil dieser Leistung letztendlich für das Drehmoment gegenüber der Distanz (und damit Ihr Übersetzungsverhältnis) verwendet wird. .

Ich hoffe, das hilft.

Nein, Gang- und Verstärkungsverhältnisse haben keinen Einfluss auf die Leistung. Während Sie zu Recht davon ausgehen, dass es sich für den Fahrer anders anfühlt, ist die Leistungsrate gleich, wenn die anderen drei Variablen gleich sind. In diesem Fall würde in einem "leichteren" Übersetzungsverhältnis die Trittfrequenz eine signifikante Erhöhung erfordern, um die gleiche Steigzeit (Geschwindigkeit) aufrechtzuerhalten, und wenn der Fahrer identisch ist, ist die Arbeitsrate identisch. Die Erhöhung der Trittgeschwindigkeit macht den Unterschied im Leistungsverbrauch im Vergleich zum "härteren" Gang bei niedrigerer Trittfrequenz aus.