Krachten

Wanneer op een voorwerp geen enkele kracht inwerkt, zal dit hetzij stil staan, hetzij rechtuit en met constante snelheid bewegen. Bij het fietsen lijkt dit niet zo te zijn aangezien we moeten blijven trappen om geen snelheid te verliezen. Dit betekent alleen dat er afremmende krachten zijn die we moeten overwinnen door er een stuwkracht tegenover te plaatsen. Deze afremmende krachten worden veroorzaakt door de wrijving met de lucht, de luchtweerstand, door de vervormingen van de banden en het wegdek, de rolweerstand, en door veranderingen in hoogte, de zwaartekracht- of klimweerstand.
De kracht op de pedalen wordt d.m.v. het kettingblad, de ketting, de tandwieltjes en het achterwiel overgebracht naar het contact met de grond. De reactie van de grond zorgt dan voor de stuwkracht. Om het met Newton te zeggen, de fietser duwt de grond achteruit, de grond duwt de fietser vooruit!


In normale omstandigheden waarbij de lengte van de trapstang of crank  (L = 0.175 m) kleiner is dan de straal van het achterwiel (R = 0.345 m),, en het kettingblad groter is dan de tandwieltjes, is de stuwkracht veel kleiner dan de kracht op de pedalen. De Newton (N) is de eenheid van kracht in de fysica. Voor praktische redenen gebruiken we soms de intuïtieve kilogram-kracht (kgf). Dit is de zwaartekracht die we voelen met een massa van 1 kg op onze hand. Eén kilogram-kracht (kgf) is gelijk aan 9.81 N.
De kracht die door de voet op de pedaal wordt gezet kan ontbonden worden in een radiaalkracht, die evenwijdig is met de trapstang en dus naar het centrum van het kettingblad wijst, en in een tangentiële kracht die loodrecht op de trapstang staat. De radiaalkracht heeft geen enkel nuttig effect en moet dus vermeden worden; wanneer een renner soepel draait is er weinig radiaalkracht. Wanneer hij stampt of "vierkant" draait gebruikt hij veel nutteloze radiaalkracht.

Het verband tussen de tangentiële kracht op de trappers, Ft en de stuwkracht F, wordt gegeven als;

                                                        

waarbij R  de straal is van het achterwiel, L   de lengte van de trapstang, nv het aantal tandjes op het kettingblad, en na het aantal tandjes op de achternaaf.
Wanneer iemand  rijdt met een "groot mes" 54 x 11 is de stuwkracht bijna 10 x kleiner dan de trapkracht!
Bij het bergop rijden schakelen we naar een een kleiner verzet b.v. 36 x 25 waardoor de stuwkracht nog slechts 2.83 keer kleiner is dan de trapkracht.

Gelukkig hebben we geen grote stuwkracht nodig om snel te rijden. Om aan 36 km/h te rijden op vlakke weg hebben we slechts ongeveer 17 Newton stuwkracht nodig (d.i. ongeveer 1.7 kgf). Met een 52 x 16 betekent dit een gemiddelde trapkracht van 10.9 kgf, of slechts ongeveer 15 % van het gewicht van een volwassen fietser.

Arbeid en Energie

Arbeid wordt alleen geleverd indien de kracht een resultaat oplevert, m.a.w. Arbeid = Kracht x verplaatsing,
Hierbij wordt verstaan de verplaatsing in de richting van de kracht. Soms kunnen we enorm veel kracht gebruiken, en toch geen arbeid leveren. Tegen een muur duwen kan je erg moe maken, maar de muur verplaatst zich geen vin en dus heb je geen enkele arbeid verricht!  Idem voor een gewichtheffer indien hij het gewicht niet van de grond krijgt.
Vooral voor een fietser is het belangrijk het verschil te kennen tussen kracht en arbeid. De slimme fietser zal meer arbeid leveren met minder kracht.
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 voor het volbrengen van de vitale functies, dus 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 (PKV) is het vermogen dat de fietser theoretisch oneindig lang kan volhouden. Dit komt overeen met 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 arbeid 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 bij constante snelheid levert wordt gebruikt om de 3 weerstanden te overwinnen, m.a.w. de rolweerstand, de luchtweerstand en de klim- of zwaartekrachtsweerstand. Indien hij wil versnellen moet hij nog extra kracht en vermogen leveren, m.a.w.

                                            P = Prol + Plucht + Pklim+ Pversnellen