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.