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個人輸送：地下水、水、空気
自転車の効率について。 個人輸送
自転車の効率は、生物学的にも機械的にも非常に高いです。 研究者らは、人間が一定の距離を移動するために消費しなければならないエネルギー量という点で考えると、自転車が最も効率的な自走式乗り物であると計算しました。 機械的な観点から見ると、エネルギーの最大 99% がペダルから車輪に伝達されますが、ギア シフト機構を使用すると、この量を 10 ～ 15% 削減できます。 総重量に比べて自転車が運ぶことができる積載量の観点から見ると、自転車は荷物を運ぶのに最も効率的な手段でもあります。 エネルギー効率 低速から中速 (16 ～ 24 km/h) で自転車に乗る人は、歩くのと同じ量の力を消費するため、自転車は最もエネルギー効率の高い公共交通手段となります。 速度の二乗にほぼ比例して増加する空力抵抗は、自転車の速度が増加すると、パワーは速度の倍に等しいため、必要なパワーも三次の関係で増加するという事実により、速度に対してより高いパワーを必要とします。力: P = F * v (図 1.)。 ライダーが横たわった姿勢をとる自転車はリグラッド (リカンベントとも呼ばれます) と呼ばれ、非常に低い空気力学的抵抗を達成するために使用される空気力学的フェアリングを備えた自転車はストリームライナーと呼ばれます。 必要なパワーとバイクの速度のプロット
硬くて平らな表面上で、体重 70 kg の人が時速 30 km で移動するには、約 5 ワットのエネルギーが必要です。 同じ人が自転車に乗って、同じ路面にいて同じパワーを消費すると、平均速度 15 km/h で移動できるため、エネルギー消費量 (kcal/(kg*km)) は約 XNUMX 分の XNUMX になります。 次の番号が一般的に使用されます。 1.62 kJ /（km * kg）サイクリングの場合、 3.78 kJ /（km * kg）ウォーキング/ランニング、 16.96 kJ /（km * kg）水泳の場合。 レクリエーションサイクリストは通常、3 時間以上で 210 W/kg を生成できます (たとえば、70 kg のライダーの場合は約 5 W)、トップアマチュアは 6 W/kg、エリートアスリートは同様の時間で 2000 W/kg に達します。 エリートのスプリント トラック サイクリストは、一時的に約 25 ワット、つまり 1600 W/kg 以上のピーク パワー レベルに達することができます。 エリート ロード サイクリストは、1700 時間のロード レースの終わりにフィニッシュ ラインを瞬時に駆け抜けるために、XNUMX W から XNUMX W のピーク パワーを一時的に発揮できます。 中程度の速度で移動している場合でも、エネルギーのほとんどは速度の XNUMX 乗で増加する空気抵抗を克服するために費やされます。 したがって、空気抵抗に打ち勝つために必要な力は速度の XNUMX 乗に比例して増加します。 典型的なサイクリング速度 自転車の一般的な速度は時速 15 ～ 30 km です。 高速レーシング バイクに乗ると、平均的なライダーは平坦な路面を短時間であれば 50 km/h で走行できます。 平穏な天候で外部からの支援なしで（つまり、車両の前を車やバイクが走行していない状態で）平坦な路面を移動し、筋肉の力で動く車両で公式に記録された最高速度は、133,284 km/h でした。 この記録は、2009 年にヴァルナでサム ウィッティンガムによって樹立されました。 1989 年のレース アクロス アメリカでは、筋肉動力の車両のグループがわずか 6 日間でアメリカを横断しました。 ライダーが通常の直立姿勢で自転車に乗って、他のすべての条件が同じ場合に公式に記録された最高速度は、82,52 メートル以上の距離で 200 km/h でした。 この記録は、1986 年にバンクーバーで開催された第 7 回筋肉動力車両に関する国際科学シンポジウムで、ジム グローバー氏がマルトン AMXNUMX 自転車に乗って樹立したものです。 重量対パワー 最新の素材とコンポーネントを使用してレーシングバイクの重量を軽減することを目的とした、大規模な競技会が開催されました。 さらに、最近のホイールには抵抗を軽減するために低摩擦ベアリングなどの機能が搭載されていますが、実施されたテストでは、これらのコンポーネントは平坦な道路を走行する際のバイクのパフォーマンスにほとんど影響を与えませんでした。 たとえば、自転車の重量を 0,45 kg 減らすことは、平坦な道路で 40 km のタイムトライアルを行う場合、鉛筆サイズの空力表面積を持つ突出部分を取り除くのと同じ効果があります。 さらに、国際自転車連合は、安全に使用できないほど薄い自転車の製造を阻止するために、レースに参加できる自転車の最低重量に制限を設けています。 このため、最新の自転車モデルを開発する際には、空気力学的形状のパイプ、車輪の平らなスポークを使用し、ライダーの胴体と手の位置が空気力学的に最小限になるようなハンドルバーを使用することにより、空気抵抗を軽減することにあらゆる努力が払われました。引っ張る。 これらの変更はパフォーマンスに大きな影響を与え、コースを完了するまでにかかる時間が短縮される可能性があります。 重量が軽いと、丘陵地帯で上り坂を走行するときに大幅な時間を節約できます。 糸車の運動エネルギー 自転車の運動エネルギーと「回転質量」を見て、非回転質量と比較した回転エネルギーの影響を調べてみましょう。 並進運動中の物体の運動エネルギーは、次の式で決定されます。 E = 0.5mv2 ここで、E はジュール単位のエネルギー、m はキログラム単位の質量、v は速度、m/秒です。 回転質量 (車輪など) の場合、回転の運動エネルギーは次のように定義されます。 E=0.5Iω2 ここで、I は慣性モーメント、ω は角速度 (ラジアン/秒) です。 すべての質量が外縁に位置するホイール (自転車のホイールにはこの近似を使用します) の場合、慣性モーメントは次のようになります。 I = 0.5mr2 ここで、rはメートル単位の半径です。 角速度は、タイヤの前進速度と半径に関係します。 滑りがない場合、角速度は次の式で求められます。 ω=v/ T 回転質量が道路に沿って移動するとき、総運動エネルギーは並進運動と回転運動の運動エネルギーの合計に等しくなります。 E = 0.5mv2 +0.5Iω2 前の式にIとωを代入すると、次のようになります。 E=0.5mv2 +0.5mr2 * v2 / r2 項r2はキャンセルされ、その結果、次の式が得られます。 E=0.5mv2 +0.5mv2 = MV2 言い換えれば、車輪の回転質量の運動エネルギーは、自転車の静止質量のエネルギーの 2 倍になります。 「ホイール重量が XNUMX ポンド減ると、フレーム重量が XNUMX ポンド減ることに等しい」という古い格言にはある程度の真実があります。 もちろん、これはすべて、薄いフープが自転車の車輪にどれだけ近いかによって決まります。 実際には、すべての質量をホイール リムに集中させることはできません。 比較のために、もう一方の極端な例は、質量がディスク全体に均等に分散されているホイールです。 この場合、I = 0.5mr2、したがって、結果として得られる運動エネルギーの合計は E = 0.5mv に等しくなります。2 +0.25mv2 = 0.75mv2。 ホイールの重量を 1,5 kg 減らすと、自転車のフレームの重量を XNUMX kg 減らすことに相当します。 実際の自転車のホイールのほとんどは、これら XNUMX つの極端な中間のどこかにあります。 この方程式から得られるもう 650 つの興味深い結論は、移動中に滑らない自転車の車輪の場合、運動エネルギーは半径に依存しないということです。 言い換えれば、1 mm ホイールの利点は軽量であることであり、よく言われるように直径が小さいためではありません。 自転車の他の回転質量の運動エネルギーは、車輪の運動エネルギーに比べて非常に小さいです。 たとえば、車輪の速度の約 5/1 でペダルをこぐと、車輪の運動エネルギーは車輪のエネルギーの約 25/XNUMX (単位重量あたり) になります。 重心がより小さい半径に沿って移動するため、エネルギーはさらに減少します。 キロカロリーに変換する 回転するホイールは、リムとタイヤの質量にさらにスポークの質量の 2/3 を加えたもので、すべてリム/タイヤの中心にあると考えることができます。 82kgのサイクリストが8kgのバイク（総重量90kg）に乗って時速40kmで走行する場合、運動エネルギーはサイクリストの5625ジュールと回転するホイールの94ジュールになります（1,5kgはリム、タイヤ、スポークの総重量です）。 。 ジュールをキロカロリーに変換すると (これを行うには、ジュールに 0,0002389 を掛ける必要があります)、1,4 Kcal になります (これらは食品のカロリーです)。 この1,4kcalは、停止状態から加速するのに必要なエネルギー、あるいはブレーキをかけて完全に停止するときに熱として放散されるエネルギーです。 この1,4キロカロリーは、1kgの水を1,4℃加熱するのに十分な量です。 アルミニウムの熱容量は水の熱容量の 21% であるため、このエネルギー量は急停止中に 800 グラムのアルミニウム合金製ホイールを 8 ℃ 加熱するのに十分です。 平坦な路面で停止している場合、リムはあまり熱くなりません。 自転車に乗る人のエネルギー消費量を計算するには、効率を 24% と仮定します。その結果、自転車とライダーを時速 5,8 km まで加速するには 40 kcal が必要となり、これは、時速 0,5 km で走行するのに必要なエネルギーの約 40% に相当します。時速15kmで0,4時間。 このエネルギー消費は 40 秒間に発生し、0,3 秒あたり約 XNUMX kcal の割合で発生しますが、時速 XNUMX km での安定した運転には XNUMX 秒あたり XNUMX kcal が必要です。 ライトホイールの利点 運動エネルギーに対する軽いバイク、特に軽いホイールの利点は、運動エネルギーがバイクの速度が変化したときにのみ効果を発揮し始めることです。そのため、軽いホイールが利点となるケースは XNUMX つあります。スプリント時と交渉時です。小回りがきく。基準内。 250 m の距離をスプリントし、時速 36 ～ 47 km で移動する場合、自転車とアスリートの重量が 90 kg、さらにホイール重量 (リム、タイヤ、スポーク) が 1,75 kg になると、運動エネルギーが増加します。 6360 ジュール (6,4 kcal) で消費されます。 リム、タイヤ、スポークの総重量を 500 g 減らすと、この運動エネルギーは 35 J (1 kcal = 1,163 ワット時) 減少します。 この軽量化が速度や走行距離に及ぼす影響を計算するのは非常に難しく、アスリートが生み出すパワーとスプリント距離の長さについての知識が必要です。 計算によると、ホイールの重量を 500 グラム減らすと、スプリンターの時間は 0,16 秒短縮され、移動距離は 188 cm 増加します。ホイールが空力的に作られた場合、その増加は最高速度で 0,05 km/h になります。速度が 40 km/h の場合、ホイールの空力形状から得られる利点と比較すると、軽量化による利点は無視できます。 比較のために、最高の空気力学的自転車ホイールは 0,6 km/h で約 40 km/h のゲインが得られるため、スプリントでは重量 500 g 以下の空気力学ホイールのセットを使用する価値があります。 クリテリウム（集団サーキットレース）では、ドライバーがコーナーごとに急加速することがよくあります。 サイクリストが（速度を落とすために惰性走行するのではなく）各ターンの前にブレーキをかけなければならない場合、各加速中に追加される運動エネルギーはブレーキ中に熱として失われます。 平地で時速40km、周回1km、4周10コーナーのクリテリウムレースでは、各コーナーでの速度低下は80km/hとなります。 レース時間は 6.5 時間、ライダーの体重は 1.75 kg、バイクは 160 kg、リム、ディスク、スポークの重量は 387 kg、このレースでは 1100 ターンを乗り越える必要があります。 同じ距離を一定速度で走行するのに必要な500kcalに、さらに4,4kcalが必要となります。 ホイール重量を500g減らすと、全身のエネルギー消費量が0,3kcal削減されます。 ホイールに 0,03g の重量を追加した結果、空気抵抗が 40% 減少した場合 (時速 XNUMX km で走行すると速度が XNUMX km/h 増加することになります)、追加の重量を補うために消費されたカロリーは相殺されます。空力抵抗の低減による。 軽量ホイールが大きな利点となるもう 0,5 つの場所は、上り坂を走行するときです。 「これらのホイールにより、速度が 1 ～ 450 km/h 増加した」などの表現も聞くことができます。パワーの計算式から、0,1 グラムの軽量化により、速度が 4 km/h 増加することがわかります。傾斜が 1,8°の上り坂を走行する場合、体重が 0,4 kg 減ったとしても、体重の軽いアスリートの場合、速度は XNUMX km/h しか増加しません。 では、ホイールの軽量化によって大きなメリットが得られるのはなぜでしょうか? 節約はなく「プラシーボ効果」であると示唆する人もいます。 また、上り坂を走行する際のペダルストロークごとの速度の変化が、得られる利点を説明することも示唆されました。 ただし、速度変化中はエネルギーが保存されます。ペダリング段階では、自転車はわずかに加速しますが、運動エネルギーは蓄積されます。また、ペダルがストロークの最高点を通過する間の「デッド ゾーン」では、自転車は減速するため、運動エネルギーは蓄積されます。エネルギーが回復します。 したがって、回転質量を増加すると、自転車の速度変化の変動が多少減少する可能性がありますが、追加のエネルギーの必要性が増加するわけではありません。 バイクが軽いと登りやすくなりますが、「回転質量」の影響が問題になるのは高速加速時だけであり、それでも小さいです。 説明 一般に軽量コンポーネント、特に軽量ホイールの広く主張されている利点について考えられる技術的説明は次のとおりです。 1. 登りが激しいレースでは軽量の方が勝ちます。重いバイクでは下り坂や平地走行時のエネルギー損失を補うことができないためです。軽いバイクに乗っているライダーは惰性で走るだけです。 さらに、重いバイクと軽いバイクに乗った XNUMX 人の同じサイクリストがゴールラインまで登った後、同時に最下点に到達した場合、すべての利点は軽いバイクにあります。 これは、丘陵地帯のタイム トライアル (またはソロ ライディング) には当てはまりません。この場合、重くて空気力学的に優れたホイールの利点により、登りで失われた距離を簡単に補うことができます。 2. 軽量のバイクは加速が容易なため、スプリントで勝利します。 ただし、より重い空力ホイールは速度を上げる際に大きな利点をもたらし、スプリンターはレースの大部分でわずかに加速しますが、ほとんどの場合は空力抵抗を克服することにすべての労力を費やします。 多くのスプリント状況では、より重くて空気力学に優れたホイールが勝利に役立ちます。 3. 重量が軽いと、各コーナー後の加速が一定になるため、クリテリウムでは有利になります。 ライダーはほとんどの場合グループに所属しているため、重いですがより空気力学的なホイールはわずかな利点をもたらします。 軽量ホイールによるエネルギーの節約は最小限ですが、ペダルを踏むたびに脚の筋肉に余分な努力が必要になるため、その効果はさらに大きくなる可能性があります。 軽量化効果については、「非技術的」説明が 01 つあります。 まず、プラシーボ効果があります。 サイクリストは、自分がより良い（軽い）自転車に乗っていると感じるため、より強くペダルを踏み、その結果、より速く進みます。 50 番目の技術的ではない説明は、サイクリストの経験に対する希望の勝利です。自転車の重量が軽いため、速度はわずかに増加しますが、サイクリストは自分の方が速くなっていると思っています。 これは、実際のデータが不足していることが原因である場合があります。たとえば、自転車に乗っている人が古い自転車では坂を登るのに XNUMX 時間かかったのに、新しい自転車では XNUMX 時 XNUMX 分で登り終えた場合などです。 これら XNUMX つの登山中の自転車に対するサイクリストの適性、天候が暑かったか風が強かったか、風がどの方向に吹いていたか、ライダーの気分はどうかなどの要素は考慮されません。 もちろん、別の説明としては、減量の促進に伴うマーケティング上の利点が考えられます。 結局のところ、「筋肉のエネルギー消費量の増加」という議論が、素早い加速が必要な状況での軽量ホイールの利点を裏付ける唯一の議論です。 この議論は、サイクリストが各ストロークまたはペダルストロークですでに努力の限界に達している場合、余分な重量を補うために必要な少量の余分なパワーが重大な生理学的負荷を表すことになると主張するでしょう。 この記述が真実であるかどうかは明らかではありませんが、これがホイールの重量を軽減することによる（バイクの他の部分の重量の軽減と比較して）主張されている利点の唯一の説明です。 これらの加速では、ホイールが XNUMX キロ軽くなるか、バイクとアスリートの重量が XNUMX キロ軽くなるかは関係ありません。 軽量ホイールの驚異は (バイクの他の部分の重量の削減と比較して) 目に見えにくいものです。
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