¿Cuál sería una buena estimación de la diferencia de rendimiento entre una bicicleta de carretera y una bicicleta de montaña?
Un número de enlaces citar todas las razones usuales: diluyente de neumáticos, mejor aerodinámica,...
Pero no soy capaz de encontrar uno donde se cuantificación de la eficiencia
A menudo me preguntaba acerca de estas cosas - entonces se me ocurrió con un sencillo experimento que funciona para mí, porque tengo una bicicleta simple ordenador (cosa que con una pastilla magnética en las radios de los que actualiza mi velocidad cada segundo).
Me parece una pieza plana de la carretera, y conducir a una velocidad determinada (por ejemplo, 20 mph en mi bicicleta de carretera, o de 15 millas por hora en mi bicicleta de montaña). Puedo entonces dejar de pedalear en un punto específico, y tomar nota de la velocidad de caída (que convenientemente se actualiza cada segundo: utilizar el iphone o cualquier otro grabador de voz y acabo de leer los números como los que vemos: 20.0, 19.5, 19.1, 18.7, 18.2, 17.8, 17.4, etc).
Ahora viene la parte divertida: convertir este en el poder necesario para mantener una cierta velocidad que va.
Usted debe tener una idea bastante buena de su masa más que de su bicicleta. A una velocidad determinada, esto le da una cierta energía cinética ($\frac12mv^2$). La caída en la velocidad significa que su energía cinética se disipa (la fricción de la carretera, el arrastre de aire, pendiente de la carretera...). Para ser precisos, es necesario tomar en cuenta el hecho de que las ruedas tienen energía cinética de rotación - casi toda la masa está en un determinado radio de $r$ (típicamente 35 cm para una bicicleta de carretera, variable para una bicicleta de montaña). Durante una rueda de masa $m$ rodando a una velocidad $v$, la energía total es
$$\begin{align} KE&=\frac12mv^2 + \frac12I\omega ^2\\ &=\frac12mv^2 + \frac12mr^2\omega ^2\\ &=mv^2\end{align}$$ así es exactamente el doble de lo que sería si usted no ha tomado la energía de rotación en cuenta. La forma más sencilla para tener en cuenta este es sólo el doble de la masa de las ruedas, a continuación, utilice $\frac12mv^2$. El factor de corrección es bastante pequeño, dado que son, probablemente, mucho más pesado que sus ruedas.
Ahora crear una tabla en Excel funciona bien para esto) con columnas para el tiempo (sec) y la velocidad (mph) - estas son las columnas de datos. Usted, a continuación, calcular la velocidad (m/s), KE (J), el cambio en la KE (J) en los próximos tres columnas. Ahora usted puede crear una parcela de energía que se necesita a una velocidad determinada. El uso de los números de arriba, se me ocurrió la siguiente:
lo que muestra que el mantenimiento de una velocidad de 20 mph en mi bicicleta de carretera en ese día (el suave viento de cola) se requiere alrededor de 225 W de potencia sostenida - que es bastante cómodo. Según el sitio web de la calculadora en http://www.tribology-abc.com/calculators/cycling.htm debería haber esperado unos 275 sin viento cuando se va de 32 km/h; esto es, sin duda, en el derecho de la bola del parque. La misma calculadora muestra que la energía necesaria gotas a 141 W a 15 mph (24 km/h) - nuevo, muy cerca de lo que mi simple experimento dio.
Otro aspecto en el desglose de la bicicleta de la calculadora muestra que la resistencia a la rodadura es independiente de la velocidad, y que el factor que cambia rápidamente, es la resistencia al viento. Esto me dice un par de cosas:
No tengo los mismos datos para una bicicleta de montaña como he recopilado de mi bicicleta de carretera, pero estoy seguro de que podría hacer el experimento en sí mismo - y es más divertido...
EDITAR un poco más acerca de la resistencia a la rodadura.
La resistencia a la rodadura es mal entendido por muchas personas. Hay diferentes factores que entran en juego:
Por ejemplo - si el camino es áspero, un pequeño neumático que mantiene "tener que andar cuesta arriba", mientras que un neumático más grande se "deslizan sobre los baches". Una superficie blanda (como la arena) crea un chapuzón, y de nuevo el neumático mantiene cesión a "salir del agujero". Esta escalada se sentía como la fricción de rodadura. Una bicicleta de montaña de neumáticos, siendo más amplio, excavaciones menos de un agujero - y tan gordos los neumáticos son mejores en superficies blandas.
Pero lo realmente interesante es la fricción en una carretera lisa. Aquí, el factor clave es la forma y el tamaño del parche de contacto - en concreto, la longitud del parche de contacto. Hay un bonito diagrama (a partir de http://velonews.competitor.com/2012/03/bikes-and-tech/technical-faq/tech-faq-seriously-wider-tires-have-lower-rolling-resistance-than-their-narrower-brethren_209268) que ayuda a mostrar esto:
Lo que más importa es la diferencia entre la longitud del parche de contacto, y el correspondiente arco del neumático que está en contacto con este parche. Para una revisión de la longitud de $l$ y una rueda de radio $r$, el ángulo de $\theta$ (desde el comienzo de contacto para fines de contacto, como se mide sobre el eje) está dada por
$$tan\frac{\theta}{2}= \frac{l}{2r}$$
Esto significa que la cantidad de goma que se circunscribe a lo largo de la longitud de la $l$ es de hecho un poco más grande - el exceso en la cantidad de goma es
$$e = r\theta - 2r\ sin\frac{\theta}{2}$$
Pequeño ángulo de expansión ($sin\theta = \theta - \frac{\theta^3}{6} + ...$) nos dice que para los pequeños $\theta$ esta diferencia es de aproximadamente
$$e = \frac{r \theta^3}{3}$$
Además, si asumimos una elíptica parche con una relación de aspecto constante (esto es aproximadamente cierto para una dada las dimensiones de los neumáticos), entonces la longitud de la escala con la inversa de la raíz cuadrada de la presión (desde $F = P \cdot A$, la fuerza es el producto de la presión y de la zona); y desde theta es aproximadamente lineal con la longitud, se puede ver que el movimiento de la goma (y por lo tanto la disipación de la energía) va a ir hacia abajo con la presión.
Ahora viene el "tacos" de bicicleta de montaña de neumáticos. Debido a que gran parte de la llanta no está en contacto con la carretera, la "presión efectiva" es menor que usted piensa que es - más específicamente, la llanta se va a empezar a tocar el suelo antes, y salir más tarde, de una forma mucho más eficaz de la longitud de contacto, y por lo tanto $\theta$. Y eso significa mucho mayor fricción.
Cuánto mayor? No tengo las medidas, pero aquí es una estimación:
La presión en un neumático de la bici de montaña es típicamente en los años 30 de la PSI - digamos que 1/4 de la presión en una bicicleta de carretera de los neumáticos. Pero también es mucho más amplio - decir 3 veces más amplia que la de una bicicleta de carretera de la llanta que va a acortar la longitud de contacto, para una presión dada. Finalmente, con el nudosos la naturaleza del perfil, puede tener un "la eficacia de la longitud de contacto" que es un 20% más de lo que hubiera sido para un buen neumático (debido a la rigidez de la llanta se va a compensar algunos de los nudosos la naturaleza de la llanta).
Con todos estos supuestos, se obtiene una longitud de contacto ratio (vs bicicleta de carretera) de $(4/3)*1.2 = 1.6$. Ahora que hemos calculado anteriormente que la goma de fricción va como la tercera potencia de la longitud de contacto, o mayor 4x.
La fricción de rodadura en una bicicleta de carretera es de alrededor de 5N (ver enlace arriba). Cuatro veces más la fricción de rodadura, corresponde a un adicional de 15N, que a 15 millas por hora es de unos 90 W. Que un montón de power - por la trama me derivada de la anterior, se reduciría su velocidad de alrededor de 3 km / h para la misma potencia. Que es muy similar al valor citado por Lubos. Tenga en cuenta que a 15 millas por hora, su resistencia al viento cae rápidamente, y que la posición del cuerpo (posición vertical vs caído) en realidad no tiene un impacto enorme (aunque más por lo que si usted está montando en un rígido viento en contra).
Esto sólo sirve para demostrar que usted realmente necesita para prestar atención a sus neumáticos - usted paga un precio por tener los neumáticos que no puede mantener una alta presión (y pagar aún más para no inflar los neumáticos de manera apropiada para la superficie de la carretera...)
La regla general-de-pulgar
es que al cambiar de una bicicleta de montaña con knobbies a una bicicleta de carretera, un aumento de la velocidad alcanzada con el mismo "humano vatios" por 15-20 por ciento. Que es de la orden de 5 km/h aumento de la velocidad.
Me imagino que en ningún viento, la resistencia del aire (arrastre) es una posición dominante en la relación entre la potencia y el equilibrio de la velocidad. Debido a que el arrastre de las escalas como $v^2$, un 15-20 por ciento de aumento de la velocidad de equilibrio corresponde a algo más cercano a un 30-40 por ciento de aumento de la eficiencia.
Esta cifra se ve muy grande y es probablemente una sobreestimación, de hecho, debido a que algunos de los otros efectos de la desaceleración de la moto por aumentar más rápidamente que la $v^2$ con la velocidad.
Me imagino que el seguimiento de las bicicletas estarán más cerca de las bicicletas de carretera por lo que la diferencia entre el seguimiento de bicicletas y bicicletas de carretera en la eficiencia es probable que sea algo así como el 20% o menor.
Creo que no tiene sentido comilla más exacta de los números, porque la eficiencia – y su incremento cuando se cambia a una bicicleta de carretera – depende de la velocidad de bicicleta, velocidad del viento, la pendiente, y otras cosas. Desde un punto de vista de la física teórica, este problema es demasiado complicado. Desde un punto de vista práctico, es mejor medir por una áspera experimento.
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