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个人运输：陆路、水路、空中
关于自行车的效率。 个人交通
自行车的生物效率和机械效率都非常高。 研究人员计算出，就一个人走一定距离所需消耗的能量而言，自行车是最有效的自行式车辆。 从机械角度来看，高达 99% 的能量从踏板传递到车轮，尽管使用变速机构可以将这一量减少 10-15%。 就自行车可承载的有效负载相对于其总重量而言，自行车也是最有效的货物运输方式。 能源效率 低速至中速（16-24 公里/小时）骑自行车的人与步行消耗的电量相同，这使得自行车成为公众最节能的交通工具。 空气动力阻力大约与速度的平方成正比，需要相对于速度更高的功率，因为随着自行车速度的增加，所需的功率以立方关系增加，因为功率等于速度乘以速度力：P = F * v（图 1）。 骑手处于卧式位置的自行车称为 ligrad（也称为卧式），如果自行车具有用于实现非常低的空气动力阻力的空气动力整流罩，则称为流线型。 所需功率与自行车速度的关系图
在坚硬平坦的表面上，一个 70 公斤重的人需要大约 30 瓦的能量才能以 5 公里/小时的速度移动。 同一个人骑自行车，在相同的表面上，消耗相同的功率，可以以 15 公里/小时的平均速度行驶，因此以千卡/（公斤*公里）为单位的能量消耗将大约减少三倍。 通常使用以下数字： 骑行时为1.62 kJ /（km * kg）， 步行/跑步3.78 kJ /（km * kg） 游泳16.96 kJ /（km * kg）。 休闲自行车运动员通常可以在一个多小时内产生 3 W/kg 的能量（例如，210 公斤的骑手可以产生约 70 W 的能量），顶级业余爱好者可以达到 5 W/kg，精英运动员可以在相似的时间内达到 6 W/kg。 精英短跑场地自行车运动员能够短暂达到 2000 瓦左右的峰值功率水平，即超过 25 W/kg； 精英公路自行车手可以短暂提供 1600W 至 1700W 的峰值功率，在 XNUMX 小时公路比赛结束时瞬间冲过终点线。 即使以中等速度移动，大部分能量也用于克服空气动力阻力，空气动力阻力随速度的平方而增加。 因此，克服空气阻力所需的功率与速度的三次方成比例增加。 典型的骑行速度 自行车的典型速度范围为 15 至 30 公里/小时。 对于快速赛车，一般骑手可以在平坦的路面上以 50 公里/小时的速度短时间骑行。 官方记录的肌肉动力车辆在无外部辅助（即车辆前方没有汽车或摩托车）的情况下在水平表面上行驶时的最高速度为 133,284 公里/小时。 该纪录由 Sam Whittingham 于 2009 年在瓦尔纳创造。 1989年，在穿越美国的比赛中，一群肌肉动力车辆仅用了6天就穿越了美国。 在其他条件相同的情况下，官方记录的正常直立姿势骑自行车时的最高速度为 82,52 公里/小时，距离超过 200 米。 这一纪录是 1986 年吉姆·格洛弗 (Jim Glover) 在温哥华举行的第三届国际肌肉动力车辆科学研讨会上驾驶 Multon AM7 自行车创下的。 重量与功率 举办了一场大型比赛，其目标是通过使用现代材料和部件来减轻赛车的重量。 此外，现代车轮配备低摩擦轴承和其他功能以减少阻力，但在测试中，这些组件对自行车在平坦道路上骑行时的性能几乎没有影响。 例如，在平坦道路上进行 0,45 公里计时赛时，将自行车重量减轻 40 公斤，与去除空气动力学表面积如铅笔大小的任何突出部分具有相同的效果。 此外，国际自行车联盟还对允许参加比赛的自行车的最小重量设定了限制，以阻止制造过薄而使用不安全的自行车。 因此，在开发最新的自行车型号时，所有努力都旨在通过使用符合空气动力学形状的管道、车轮上的扁平辐条以及使用这样的车把来减少空气动力阻力，从而使骑车者的躯干和双手的位置具有最小的空气动力阻力。拖。 这些变化可以显着影响表现，减少完成课程所需的时间。 在丘陵地形上坡骑行时，重量减轻可以节省大量时间。 纺车的动能 让我们看看自行车的动能和“旋转质量”，以检查旋转能量与非旋转质量相比的影响。 物体在平移运动中的动能由公式确定 E=0.5mv2 其中 E 是以焦耳为单位的能量，m 是以千克为单位的质量，v 是速度，以米/秒为单位。 对于旋转质量（例如，轮子），旋转动能定义为 E=0.5Iω2 其中 I 是转动惯量，ω 是角速度（以弧度/秒为单位）。 对于所有质量都位于外边缘的车轮（我们对自行车车轮使用这种近似值），转动惯量将为 我=0.5mr2 其中 r 是以米为单位的半径。 角速度与轮胎的前进速度和半径有关。 如果没有滑动，则角速度将由以下公式确定： ω=v/T 当旋转质量沿道路运动时，总动能等于平移运动和旋转运动的动能之和： E=0.5mv2 + 0.5Iω2 将 I 和 ω 代入前面的表达式，我们得到 E=0.5mv2 +0.5mr2 *v2/r2 r2 项被抵消，因此我们得到表达式 E=0.5mv2 +0.5mv2 = MV2 换句话说，车轮旋转质量的动能是自行车静止质量能量的两倍。 这句老话是有道理的：“车轮重量减少一磅，车架重量减少两磅。” 当然，这一切都取决于细环与自行车车轮的近似程度。 事实上，所有的质量不可能都集中在轮辋上。 为了进行比较，另一个极端是质量均匀分布在整个圆盘上的轮子。 在这种情况下，I = 0.5mr2，因此总动能等于 E = 0.5mv2 +0.25mv2 = 0.75毫伏2。 车轮重量减轻1,5公斤，相当于自行车车架重量减轻XNUMX公斤。 大多数真正的自行车车轮将介于这两个极端之间。 这个方程的另一个有趣的结论是，对于移动时不打滑的自行车车轮，动能不取决于它们的半径。 换句话说，650 毫米车轮的优点是重量轻，而不是像人们常说的那样是因为直径较小。 与车轮的动能相比，自行车上其他旋转质量的动能非常小。 例如，如果您以车轮速度约 1/5 的速度踩踏，那么它们的动能将约为车轮能量的 1/25（每单位重量）。 由于它们的质心沿着较小的半径移动，因此它们的能量减少得更多。 换算成千卡 假设旋转轮可以被认为是轮辋和轮胎的质量加上另外 2/3 辐条质量的总和，所有这些都以轮辋/轮胎为中心。 对于一个 82 公斤的骑车人骑着一辆 8 公斤的自行车（总重 90 公斤）以 40 公里/小时的速度行驶，骑车人的动能将为 5625 焦耳加上旋转车轮的 94 焦耳（1,5 公斤是轮圈、轮胎和辐条的总重量） 。 将焦耳转换为千卡（为此，您需要将焦耳乘以 0,0002389），我们得到 1,4 Kcal（这些是食物卡路里）。 这 1,4 kcal 是自行车从静止状态加速所需的能量，或者是在制动至完全停止时以热量形式消散的能量。 这1,4大卡足以将1公斤水加热1,4摄氏度。 由于铝的热容是水热容的21%，这个能量足以在快速停止时将800克铝合金制成的车轮加热8℃。 在平坦的道路上停车时，轮圈不会升温太多。 为了计算骑车者的能量消耗，假设效率为 24%，则将自行车和骑手加速到 5,8 公里/小时的速度需要 40 kcal，这大约是骑行时所需能量的 0,5%。每小时40公里的速度。 这种能量消耗将在 15 秒内发生，速度约为每秒 0,4 kcal，而以 40 km/h 的速度稳定行驶则需要每秒 0,3 kcal。 轻型车轮的好处 轻型自行车，特别是轻型轮子相对于动能的优势在于，动能仅在自行车速度变化时才开始生效，因此轻型轮子在两种情况下具有优势：冲刺时和谈判时急转弯. 在标准中。 在 250 m 距离的冲刺中，以 36 至 47 km/h 的速度移动，自行车和运动员重 90 kg，加上另外 1,75 kg 车轮重量（轮圈、轮胎、辐条），动能增加减少 6360 焦耳（6,4 .500 kcal）。 如果将轮圈、轮胎和辐条的总重量减少 35 克，则该动能将减少 1 焦耳（1,163 大卡 = 500 瓦时）。 重量减轻对速度或距离的影响很难计算，需要了解运动员产生的功率和冲刺距离的长度。 计算表明，车轮重量减轻 0,16 克将使短跑运动员的时间缩短 188 秒，行驶距离增加 0,05 厘米。如果车轮采用空气动力学设计，则在当速度为 40 公里/小时时，与车轮空气动力学形状带来的好处相比，减轻重量带来的好处可以忽略不计。 相比之下，最好的空气动力学自行车车轮在 0,6 公里/小时时可提供约 40 公里/小时的增益，因此在冲刺中值得使用一组重量为 500 克或更轻的空气动力学车轮。 在绕圈赛（团体巡回赛）中，车手通常会在每个弯道后急剧加速。 如果骑自行车的人必须在每次转弯前制动（而不是滑行减速），那么每次加速过程中增加的动能在制动过程中会以热量的形式损失掉。 在平坦地形的绕圈赛中，速度为 40 公里/小时，圈长为 1 公里，每圈有 4 个转弯，每个转弯的速度损失为 10 公里/小时。 比赛时间为一小时，骑手体重为80公斤，自行车为6.5公斤，轮圈、圆盘和辐条重为1.75公斤，在这场比赛中你将需要克服160个转弯。 在以恒定速度行驶相同距离所需的 387 kcal 基础上，这将需要额外的 1100 kcal。 车轮重量减少 500 克，身体总能量消耗将减少 4,4 kcal。 如果在车轮上额外增加 500 克重量，空气动力阻力会减少 0,3%（即以 0,03 公里/小时的速度行驶时，速度会增加 40 公里/小时），那么用于补偿额外重量的卡路里消耗就会被抵消通过减少空气动力阻力。 轻质车轮可以发挥巨大优势的另一个地方是上坡骑行时。 你甚至可以听到“这些车轮增加了0,5-1公里/小时的速度”等说法。从功率计算公式可以看出，减轻450克的重量将使速度增加0,1公里/小时。以 4° 的坡度上坡行驶，即使减轻了 1,8 公斤的重量，对于轻型运动员来说，速度也仅增加了 0,4 公里/小时。 那么，是什么原因导致减轻车轮重量带来如此显着的效益呢？ 一些人认为这并没有节省，而是“安慰剂效应”。 还有人提出，上坡行驶时每次踏板行程的速度变化解释了所获得的优势。 然而，在速度变化过程中，能量是守恒的——在踩踏阶段，自行车稍微加速，而动能积累，在“死区”，当踏板经过冲程的最高点时，自行车减速，因此动能能量恢复。 因此，增加旋转质量可能会在一定程度上减少自行车速度变化的变化，但不会增加对额外能量的需求。 较轻的自行车更容易攀爬，但“旋转质量”的影响只是在快速加速时出现问题，而且即使如此，影响也很小。 解释说明 对于轻质部件（尤其是轻质车轮）广为人知的优点，可能的技术解释如下： 1. 在有显着爬坡的比赛中，轻量级获胜，因为较重的自行车无法弥补下坡或平坦骑行时的能量损失：骑较轻自行车的骑手只是滑行。 此外，如果两个相同的骑车人骑着一辆重型自行车和一辆轻型自行车在爬到终点线后同时到达最低点，那么所有的优势都归轻型自行车所有。 在山地计时赛（或单人骑行）中情况并非如此，较重但更符合空气动力学的车轮的优势可以轻松弥补爬坡时损失的距离。 2. 重量较轻的自行车在冲刺中获胜，因为它们更容易加速。 但请注意，较重的空气动力车轮在提高速度时会带来显着的好处，并且在比赛的大部分时间里，短跑运动员会稍微加速，但大部分精力都花在克服空气动力阻力上。 在许多冲刺情况下，更重但更符合空气动力学的车轮可以帮助您获胜。 3. 由于每个弯道后加速度恒定，重量轻在标准赛中具有优势。 较重但更符合空气动力学的车轮提供了轻微的优势，因为骑手大部分时间都是成群结队。 轻量化车轮所节省的能量微乎其微，但其效果可能更为显着，因为每次踩下踏板时，腿部肌肉都必须付出额外的努力。 对于轻量效应有两种“非技术”解释。 首先，存在安慰剂效应。 由于骑车人感觉自己骑的是更好（轻）的自行车，因此他会更加用力地踩踏板，因此骑得更快。 第二种非技术性的解释是希望战胜了骑车人的经验——由于自行车的重量较轻，其速度增加并不明显，但骑车人却认为自己走得更快。 有时这是由于缺乏真实数据，例如一名骑自行车的人骑着旧自行车花了两个小时爬山，但骑着新自行车却在 01:50 完成了。 诸如在这两次爬坡期间骑车者对自行车的适合性、天气是否炎热或有风、风向哪个方向吹、骑车者的感受等因素都没有被考虑在内。 当然，另一种解释可能是与促进减肥相关的营销效益。 最后，“增加肌肉能量消耗”的论点是唯一可以支持轻质车轮在需要快速加速的情况下所声称的好处的论点。 这一论点认为，如果骑车人在每次行程或踏板行程中已经达到了力的极限，那么补偿额外重量所需的少量额外动力将代表显着的生理负荷。 目前尚不清楚这种说法是否属实，但这是对减轻车轮重量（与减轻自行车其余部分的重量相比）所声称的好处的唯一解释。 对于这些加速度，无论车轮减轻半公斤还是自行车和运动员的重量减轻一公斤，都没有什么区别。 轻量化车轮的奇迹（与自行车任何其他部分的重量减轻相比）是很难看到的。
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