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TRANSPORTE PESSOAL: TERRESTRE, ÁGUA, AÉREO
Sobre a eficiência da moto. transporte pessoal
Diretório / Transporte pessoal: terrestre, aquático, aéreo A eficiência de uma bicicleta, tanto biológica quanto mecanicamente, é muito alta. Os pesquisadores calcularam que, em termos de quantidade de energia que uma pessoa deve gastar para cobrir uma determinada distância, uma bicicleta é o veículo automotor mais eficiente. Do ponto de vista mecânico, até 99% da energia é transferida dos pedais para as rodas, embora o uso de um mecanismo de câmbio possa reduzir esse valor em 10-15%. Em termos da relação entre a carga útil que uma bicicleta pode carregar e o peso total, a bicicleta também é o meio mais eficiente de transporte de mercadorias. Eficiência energética Uma pessoa andando de bicicleta em velocidades baixas a médias (16-24 km/h) usa a mesma quantidade de energia necessária para caminhar, portanto, a bicicleta é o transporte público disponível com maior eficiência energética. O arrasto aerodinâmico, que aumenta aproximadamente com o quadrado da velocidade, requer mais potência em relação à velocidade devido ao fato de que à medida que a velocidade da bicicleta aumenta, a potência necessária aumenta de forma cúbica, pois a potência é igual à velocidade vezes a força: P = F * v (Fig. 1.). Uma bicicleta na qual o ciclista está em uma posição reclinada é chamada de ligerad (alternativamente chamada de rickambent), e se a bicicleta tiver uma carenagem aerodinâmica usada para obter um arrasto aerodinâmico muito baixo, ela será chamada de aerodinâmico. Gráfico de potência necessária versus velocidade da bicicleta
Em uma superfície dura e plana, uma pessoa de 70 kg precisa de cerca de 30 watts de energia para se mover a uma velocidade de 5 km/h. A mesma pessoa em uma bicicleta, estando na mesma superfície e usando a mesma potência, pode se deslocar a uma velocidade média de 15 km/h, de modo que o consumo de energia em kcal/(kg*km) será cerca de três vezes menor. Os seguintes números são comumente usados: 1.62 kJ / (km * kg) para ciclismo, 3.78 kJ / (km * kg) para caminhada / corrida, 16.96 kJ / (km * kg) para nadar. Ciclistas amadores podem normalmente desenvolver 3W/kg por mais de uma hora (por exemplo, cerca de 210W para um ciclista de 70kg), os melhores amadores desenvolvem 5W/kg e atletas de elite podem atingir 6W/kg em períodos semelhantes. Ciclistas de pista de corrida de elite são capazes de atingir níveis de potência de pico de cerca de 2000 watts, ou mais de 25 watts/kg; os ciclistas de estrada de elite podem reduzir a potência de pico de 1600 watts a 1700 watts para uma explosão instantânea até a linha de chegada no final de uma corrida de estrada de cinco horas. Mesmo ao se mover em velocidades moderadas, a maior parte da energia é gasta para superar o arrasto aerodinâmico, que aumenta com o quadrado da velocidade. Assim, a potência necessária para superar a resistência do ar aumenta com o cubo da velocidade. Velocidades típicas de ciclismo As velocidades típicas para bicicletas variam de 15 a 30 km/h. Em uma bicicleta de corrida rápida, o piloto médio pode pedalar a 50 km/h em terreno plano por curtos períodos de tempo. A velocidade mais alta oficialmente registrada para um veículo movido a energia muscular durante a condução em uma superfície plana em clima calmo e sem assistência externa (ou seja, nenhum carro ou motocicleta estava circulando na frente do veículo) foi de 133,284 km / h. Este recorde foi estabelecido por Sam Whittingham em 2009 em Varna. Em 1989, enquanto corria pela América, um grupo de veículos movidos a músculos cruzou os Estados Unidos em apenas 6 dias. A velocidade mais alta oficialmente registrada ao andar de bicicleta com um piloto normal na posição vertical, todas as outras coisas sendo iguais, foi de 82,52 km / h em uma distância de mais de 200 metros. Este recorde foi estabelecido em 1986 por Jim Glover em uma bicicleta "Multon AM7" no terceiro simpósio científico internacional para veículos movidos a músculos em Vancouver. Peso versus potência Uma grande competição foi realizada para reduzir o peso das bicicletas de corrida por meio do uso de materiais e componentes modernos. Além disso, as rodas modernas têm rolamentos de baixo atrito e outros recursos para reduzir o arrasto, mas em nossos testes esses componentes tiveram pouco ou nenhum efeito no desempenho da bicicleta em uma estrada plana. Por exemplo, reduzir o peso de uma bicicleta em 0,45 kg terá o mesmo efeito em um contra-relógio de 40 km em uma estrada plana do que remover qualquer saliência que tenha uma área de aerofólio do tamanho de um lápis. Além disso, a União Ciclística Internacional estabelece um limite para o peso mínimo de uma bicicleta que será permitido correr, para evitar que as bicicletas sejam tão finas que não sejam seguras de usar. Por esta razão, no desenvolvimento dos modelos mais recentes de bicicletas, todos os esforços foram direcionados para reduzir o arrasto aerodinâmico, usando tubos aerodinâmicos, raios planos nas rodas e usando guidões de tal forma que a posição do tronco do ciclista e suas mãos teriam arrasto aerodinâmico mínimo. Essas mudanças podem afetar significativamente o desempenho, reduzindo o tempo para completar a distância. Menos peso resulta em grande economia de tempo ao subir em terrenos acidentados. Energia cinética de uma roda de fiar Considere a energia cinética e as "massas rotativas" de uma bicicleta para estudar o impacto da energia rotacional versus massas não rotativas. A energia cinética de um objeto em movimento de translação é determinada pela fórmula E=0.5mv2 Onde E - energia em joules, m - massa em quilogramas, v - velocidade, m / s. Para massas em rotação (por exemplo, para uma roda), a energia cinética de rotação é definida como E=0.5Iω2 Onde I é o momento de inércia, ω é a velocidade angular em radianos por segundo. Para uma roda com toda a sua massa localizada na borda externa (usamos essa aproximação para uma roda de bicicleta), o momento de inércia é I = 0.5 mr2 Onde r é o raio em metros. A velocidade angular está relacionada à velocidade de avanço e ao raio do pneu. Se não houver deslizamento, a velocidade angular será determinada pela fórmula: ω=v/T quando massas rotativas se movem ao longo da estrada, a energia cinética total é igual à soma da energia cinética dos movimentos de translação e rotação: E=0.5mv2 + 0.5Iω2 Substituindo I e ω na expressão anterior, obtemos E=0.5mv2 +0.5 mr2 *v2/r2 O termo r2 se cancela e, como resultado, obtemos a expressão E=0.5mv2 +0.5mV2 = mv2 Em outras palavras, a energia cinética das massas rotativas das rodas é o dobro da energia das massas estacionárias da bicicleta. Há alguma verdade no velho ditado: "Uma libra fora das rodas equivale a 2 libras fora do quadro". Tudo isso depende, é claro, de quão precisamente o aro fino é um modelo aproximado de uma roda de bicicleta. Na realidade, toda a massa não pode ser concentrada no aro da roda. Para efeito de comparação, o outro extremo seria uma roda cuja massa é distribuída uniformemente por todo o disco. Neste caso I = 0.5mr2, e, portanto, a energia cinética total resultante torna-se igual a E = 0.5mv2 +0.25mV2 = 0.75mV2. Reduzir o peso da roda em um quilograma equivale a reduzir o peso do quadro da bicicleta em 1,5 kg. Os parâmetros da maioria das rodas de bicicletas reais estarão em algum lugar no meio entre esses dois extremos. Outra conclusão interessante dessa equação é que, para rodas de bicicleta que não escorregam durante o movimento, a energia cinética é independente de seu raio. Em outras palavras, a vantagem das rodas de 650 mm é seu baixo peso, não seu diâmetro menor, como frequentemente se afirma. A energia cinética para as outras massas rotativas na bicicleta é muito pequena em comparação com a energia cinética das rodas. Por exemplo, se você pedalar a cerca de 1/5 da velocidade das rodas, sua energia cinética será cerca de 1/25 (por unidade de peso) da energia das rodas. Como seu centro de massa se move ao longo de um raio menor, sua energia é ainda mais reduzida. Converter para quilocalorias Supondo que uma roda giratória possa ser pensada como a soma das massas do aro e do pneu, mais outros 2/3 da massa dos raios, tudo isso está centrado no aro/pneus. Para um ciclista de 82 kg em uma bicicleta de 8 kg (peso total de 90 kg) a 40 km/h, a energia cinética é de 5625 joules para o ciclista mais 94 joules para as rodas giratórias (1,5 kg é o peso total dos aros, pneus e raios). Convertendo joules em quilocalorias (para isso é necessário multiplicar os joules por 0,0002389), obtemos 1,4 Kcal (são as calorias dos alimentos). Essas 1,4 kcal são a quantidade de energia necessária para acelerar a bicicleta desde a paralisação ou que é dissipada na forma de calor ao frear até a parada total. Essas 1,4 quilocalorias são suficientes para aquecer 1 kg de água em 1,4 graus Celsius. Como a capacidade calorífica do alumínio é 21% da da água, essa quantidade de energia é suficiente para aquecer em 800°C um aro de 8 gramas feito de liga de alumínio durante uma parada rápida. Os aros não esquentam muito quando parado em uma estrada plana. Para calcular o gasto energético de um ciclista, considera-se o fator de eficiência como 24%, resultando em 5,8 kcal necessárias para acelerar a bicicleta e o ciclista a uma velocidade de 40 km/h, que consome cerca de 0,5% da energia necessária para pedalar. a uma velocidade de 40 km / h por uma hora. Esse gasto de energia ocorrerá em 15 segundos, a uma taxa de aproximadamente 0,4 kcal por segundo, enquanto uma direção constante a 40 km/h requer 0,3 quilocalorias por segundo. Benefícios das rodas leves A vantagem das bicicletas leves, e principalmente das rodas leves, em relação à energia cinética é que a energia cinética só começa a fazer efeito quando a velocidade da bicicleta muda, por isso há dois casos em que as rodas leves são vantajosas: no sprint e na negociação curvas apertadas.no critério. Em um sprint de 250 m em uma velocidade de 36 a 47 km/h, com uma bicicleta e um atleta pesando 90 kg, mais 1,75 kg de peso da roda (aros, pneus, raios), a energia cinética aumenta em 6360 joules (6,4 500 kcal). Se reduzirmos o peso total dos aros, pneus e raios em 35 g, essa energia cinética diminuirá em 1 J (1,163 kcal = 500 watt-hora). O efeito dessa economia de peso na velocidade ou na distância percorrida é bastante difícil de calcular, você precisa saber a potência desenvolvida pelo atleta e o comprimento da distância do sprint. Os cálculos mostram que reduzir o peso das rodas em 0,16 gramas dará ao velocista um ganho de tempo de 188 segundos e um ganho na distância percorrida de 0,05 cm. Se as rodas forem aerodinâmicas, o ganho será de 40 km/ h a uma velocidade de 0,6 km/h, o benefício da redução de peso será insignificante em comparação com o benefício obtido com a forma aerodinâmica das rodas. Em comparação, as melhores rodas de bicicleta aerodinâmicas dão um ganho de cerca de 40 km/h a uma velocidade de 500 km/h, portanto, em um sprint, vale a pena usar um conjunto de rodas aerodinâmicas com peso de XNUMX g ou menos. Em um critério (corrida em circuito de grupo), o piloto geralmente começa a acelerar rapidamente após passar por cada curva. Se o ciclista precisar frear antes de passar por cada curva (em vez de desacelerar para desacelerar), a energia cinética adicionada a cada aceleração é perdida na forma de calor durante a frenagem. Ao competir criterium em terreno plano a 40 km/h, com uma volta de 1 km e cada volta com 4 voltas, a perda de velocidade em cada volta é de 10 km/h. A duração da corrida é de uma hora, o peso do piloto é de 80 kg, a bicicleta é de 6.5 kg, os aros, rodas e raios pesam 1.75 kg, nesta corrida você terá que superar 160 voltas. Isso exigirá 387 kcal adicionais às 1100 kcal necessárias para dirigir a uma velocidade constante na mesma distância. Reduzir o peso das rodas em 500 g reduzirá o consumo total de energia do corpo em 4,4 kcal. Se adicionar 500g extras de peso às rodas resultar em uma redução de 0,3% no arrasto aerodinâmico (que se traduz em um aumento de 0,03 km/h na velocidade ao dirigir a 40 km/h), então a queima de calorias para compensar o peso extra será compensado por uma redução no arrasto aerodinâmico. Outro lugar onde as rodas mais leves podem fazer uma grande diferença é nas subidas. Você pode até ouvir uma expressão como "essas rodas adicionaram 0,5-1 km / h de velocidade", etc. Da fórmula para calcular a potência, segue-se que 450 gramas de massa economizada darão um aumento de 0,1 km / h à velocidade ao dirigir em subidas com inclinação de 4°, e mesmo economizando 1,8 kg de peso dará um aumento de velocidade de apenas 0,4 km/h para um atleta leve. Então, qual é o efeito positivo significativo de reduzir o peso das rodas? Alguns sugerem que não há economia, mas há um "efeito placebo". Também foi sugerido que a mudança na velocidade a cada pedalada durante a subida explica a vantagem resultante. No entanto, a energia é conservada durante as mudanças de velocidade - durante a fase de pedalada a bicicleta acelera ligeiramente, enquanto a energia cinética é acumulada, e nas "zonas mortas" durante a pedalada do ponto mais alto da braçada, a bicicleta desacelera, de modo que energia cinética é restaurada. Assim, um aumento na massa rotativa pode reduzir um pouco a variação da velocidade da bicicleta, mas não aumenta a necessidade de energia adicional. As bicicletas mais leves sobem com mais facilidade, mas o efeito de "massa rotativa" só é um problema durante a aceleração rápida e, mesmo assim, é pequeno. Explicações Possíveis explicações técnicas para os benefícios amplamente divulgados de componentes leves em geral, e rodas leves em particular, são as seguintes: 1. O peso leve vence em corridas onde há subidas significativas porque as bicicletas mais pesadas não conseguem compensar a energia perdida em descidas ou planos: o ciclista na bicicleta mais leve apenas desce. Além disso, se dois ciclistas idênticos em uma bicicleta pesada e leve atingirem simultaneamente o ponto inferior após subirem até a linha de chegada, toda a vantagem passará para a bicicleta leve. Este não é o caso em contra-relógio montanhoso (ou em solo), onde a vantagem de rodas mais pesadas, porém mais aerodinâmicas, compensa facilmente a distância perdida nas subidas. 2. Motos leves ganham sprints porque são mais fáceis de acelerar. Mas observe que rodas aerodinâmicas mais pesadas proporcionam ganhos significativos de velocidade e, durante boa parte da corrida, o velocista acelera um pouco, mas gasta a maior parte de seu esforço para vencer o arrasto aerodinâmico. Em muitas situações de sprint, rodas mais pesadas, mas mais aerodinâmicas, podem ajudar a vencer. 3. O peso leve fornece uma vantagem de critério devido à aceleração constante após cada curva. As rodas mais pesadas, porém mais aerodinâmicas, oferecem uma pequena vantagem, já que os pilotos estão em grupo a maior parte do tempo. A economia de energia das rodas leves é mínima, mas pode ser mais significativa porque os músculos das pernas precisam fazer um esforço extra cada vez que você pedala. Existem duas explicações "não técnicas" para o efeito de peso leve. Primeiro, há o efeito placebo. Como o ciclista sente que está em uma bicicleta melhor (mais leve), ele pedala com mais força e, portanto, anda mais rápido. A segunda explicação, não técnica, é o triunfo da esperança sobre a experiência do ciclista - porque o peso mais leve da bicicleta não aumenta significativamente sua velocidade, mas o ciclista pensa que está indo mais rápido. Às vezes, isso se deve à falta de dados reais, como quando um ciclista levou duas horas para subir uma ladeira em sua bicicleta antiga, mas em sua bicicleta nova ele o fez em 01:50. Fatores como o ajuste do ciclista à bicicleta durante essas duas subidas, se o tempo estava quente ou ventoso, de que lado soprava o vento, como o ciclista estava se sentindo, etc., não são levados em consideração. Outra explicação, é claro, poderia ser os benefícios de marketing associados à promoção da ideia de perda de peso. Afinal, o argumento do "aumento do consumo de energia muscular" é o único que pode sustentar os alegados benefícios das rodas leves em situações em que é necessária uma aceleração rápida. Este argumento teria que afirmar que, se o ciclista já está no limite do esforço em cada solavanco ou cada pedalada, então a pequena quantidade de força extra necessária para compensar o peso extra seria uma carga fisiológica significativa. Não está claro se esta afirmação é verdadeira, mas é a única explicação para os alegados benefícios da redução do peso da roda (em comparação com a redução do peso do restante da bicicleta). Para essas acelerações, não faz diferença se as rodas ficaram mais leves em meio quilo ou o peso da bicicleta e o atleta ficou mais leve em um quilo. A maravilha das rodas leves (em comparação com a redução de peso em qualquer outra parte da moto) é difícil de ver.
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