Forces

Any object which is free of external forces, or on which the sum of external forces is zero, will either be at rest or will be moving with a constant velocity.
A bicycle seems to disobey this principle because when we stop pushing the pedals we will slow down and ultimately come to rest. This simply means that there are a number of external forces that we need to overcome in order to maintain a constant velocity. These forces are caused by the resistance of the air, by the resistance to rolling, and to the change in gravitational energy on an inclined road.

The force on the pedals is transmitted to the contact between the tire and the ground by means of the chain ring, the chain and the cog.
The reaction of the ground generates the driving power. To say it the way of Newton, the rider pushes the ground backwards, the ground pushes the bike forwards!

In normal conditions the length of the cranks is much smaller than the radius of the wheel, and the chain ring is bigger than the cogs, thus the driving force is much smaller than the force applied to the pedals.

In physics a force is expressed in units Newton (N). Sometimes the kilogram-force ( kgf) is used as a practical indication of force. This is the force that is caused by gravity on a mass of 1 kilogram. The kgf equates to 9.8 Newton.
The force of the foot on the pedal is decomposed into a radial force which is parallel to the crank and is directed towards the centre of the bottom bracket, and a tangential force which is perpendicular to the crank. The radial force is completely useless and a good rider will rotate the pedals elegantly which means that this radial force is minimized. When the rider has a bad technique or when he is tired he will have an ugly and less efficient pedalling cycle.

The relation between the tangential force on the pedals Ft and the driving force F is given by;
 

                                                        

Here R  is the radius of the driving wheel, L is the length of the crank, nv is the number of teeth on the chain wheel and na is number of teeth on the chosen cog.
When using the big gear e.g. 54 x 11 the driving force may be 10 times smaller than the pedalling force, yet we are
riding at high speed!
However when climbing and using a mini gear of 30 x 25 the force ratio is only 2.43

Luckily we do not need high drive force in order to go fast on a flat road. A standard person (not too fat nor too slender) may need only 17 N  (i.e. 1.7 kgf) to be riding at 32 km/h. With a gear ratio 52 x 16 this corresponds to a mean pedal force of 10.9 kgf which is approximately only 16 % of the weight of an adult person..

Work and Energy

Work is done only when the force causes a displacement i.e. Work = Force x Displacement
The displacement has to be measured in the direction of the force which means that when a displacement is perpendicular to the force, no work is done!
Sometimes even a very strong force does not deliver any work. No matter how hard you push against a wall, as long as the wall does not move you are not "working". For this reason bicycles should be as stiff as possible, the forces applied to the pedals are to be used to move the bicycles forward, not to deform the frame.
Energy is simply another word for work, work is transformed into energy and energy is transformed into work. We can distinghuish 3 main forms of energy, Kinetic energy, potential energy and radiative energy such as heat and light. Let us illiustrate the work-energy duality with help of a cyclist riding at constant speed on a flat road. The work he does is used to displace the air, so the air gains some kinetic energy,


Energie is eigenlijk hetzelfde als arbeid, arbeid wordt omgezet in energie en energie wordt omgezet in arbeid.
Voor de fietser zijn drie vormen van energie belangrijk n.l. de bewegings- of kinetische energie, de potentiële energie, en de warmte-energie.  De wisselwerking tussen deze vormen van energie en arbeid wordt mooi aangetoond door een renner op de velodroom. Onderstel dat deze op het vlakke deel rijdt aan een bepaalde snelheid, dus met een bepaalde kinetische energie. Bij het naderen van de verhoogde bocht gaat hij veel harder duwen en kruipt helemaal omhoog in de bocht. Hiervoor levert hij extra arbeid, zonder te versnellen en dus zonder verandering in kinetische energie. De extra arbeid wordt omgezet in potentiële energie. Bij het uitgaan van de bocht duikt hij naar beneden; de opgespaarde potentiële energie wordt nu omgezet in kinetische energie.
De warmte-energie is meestal een groot probleem omdat alle vormen van wrijving omgezet worden in nutteloze warmte, en bovendien produceert de menselijke motor veel meer warmte dan nuttige arbeid.

De fundamentele eenheid van arbeid en energie is de Joule (J), maar de calorie is een afgeleide populaire eenheid, vooral bij weight-watchers, diëtisten enz...
Eén calorie is de hoeveelheid energie die nodig is om 1 gram water 1 graad warmer te maken. Uit de fysica weten we dat 1 calorie gelijk is aan 4.182 Joule.
Een volwassen persoon verbruikt ongeveer 1600 kilocalorie per 24 uur, om gewoon en rustig in leven te blijven.
 

Vermogen

Het Vermogen is de hoeveelheid arbeid per seconde
Vermogen = Kracht x verplaatsing per seconde = Kracht x snelheid
De eenheid van vermogen is de Watt (W)

Wanneer een persoon van 70 kg een trap van 2.70 meter op loopt, levert hij een arbeid gelijk aan 70 x 9.81 x 2.70 = 1854 Joule. Doet hij dit in 5 seconden dan heeft hij een vermogen van 1854/5 = 370 W ontwikkeld gedurende 5 seconden.
Op rustige training draaien wielrenners tussen 200 en 300 W
Wanneer het er echt op aan komt, b.v. een zware klim of een tijdrit draaien toppers tussen 400 en 450 W, met eventueel korte pieken van 550 tot 600 W

Het is hier helemaal niet de bedoeling uit te wijden over de fysiologische aspecten van het leveren van de trainings- of de  wedstrijdarbeid, zoals het zuurstofverbruik (VO2), concentratie aan bloedlactaat, hartslag, omslagpunten etc...Dit zijn allemaal indicatoren over hoe goed de menselijke machine werkt. Hetgeen ons interesseert is hoeveel arbeid deze machine kan leveren aan een bepaalde intensiteit m.a.w. hoe lang we een bepaalde inspanning kunnen vol houden.
We kunnen de prestatie van een fietser beschrijven aan de hand van twee gegevens, namelijk het Kritisch Vermogen, en de totale anaërobe capaciteit. Zie ook de volgende pagina.

 
Het kritisch vermogen (KV) is het vermogen dat de fietser theoretisch oneindig lang kan volhouden. Dit is dus het maximaal aëroob vermogen, waarvoor de type 1 spieren verantwoordelijk zijn. Wij aanzien kritisch vermogen PKV en maximaal aëroob vermogen Pae als synoniemen.

Het specifiek vermogen  is het maximaal aëroob vermogen gedeeld door de lichaamsmassa. Dit specifiek vermogen is allesbepalend voor klimmers.

Het oppervlak-specifiek vermogen is het maximaal aëroob vermogen gedeeld door het frontaal oppervlak.

De anaërobe capaciteit (AEWC = AnaErobic Work Capacity) wordt uitgedrukt in kJ of kcal en is de totale hoeveelheid werk dat de renner op anaërobe manier kan leveren. Wanneer deze capaciteit wordt overschreden verzuren de spieren, gaat de renner door de muur, en valt stil.

Het oppervlak-specifiek vermogen en de juiste dosering van kritisch vermogen en AEWC is zeer belangrijk voor tijdrijders

Sommigen durven wel eens de begrippen Kracht en Vermogen (Power) door elkaar halen. Zo kunnen we horen dat  Vinokourov met groot verzet en veel "power" klimt, daar waar in werkelijkheid een renner met een "klein molentje" sneller gaat en dus meer vermogen met minder kracht ontwikkelt.

Het totale vermogen (P) dat een fietser levert wordt gebruikt om de 3 weerstanden te overwinnen, m.a.w. de rolweerstand, de luchtweerstand en de klim- of zwaartekrachtsweerstand.

                                            P = Prol + Plucht + Pklim