Conducir con viento en contra más rápido que mi velocidad máxima, ¿cómo es posible?

Recientemente hemos tenido algunos vientos bastante fuertes aquí: hoy el pronóstico del tiempo decía 20 mph con ráfagas de 30 mph, pero hace unas semanas las ráfagas supuestamente superaban las 40 mph. La dirección del pronóstico estaba a unos pocos grados de mi cara en ambos casos. El día que hubo ráfagas de 40 mph (desde una línea de base de 30 mph), simplemente caminar contra el viento requirió un esfuerzo considerable la mayoría de las veces.

Incluso teniendo en cuenta que el viento se canaliza a lo largo de la carretera, etc., tal vez podamos reducir un poco esa velocidad del viento, pero aun así, estaba avanzando contra el viento. Sé cómo se siente andar a 30 mph en llano y 40 mph cuesta abajo (en aire quieto).

A estas velocidades, la resistencia a la rodadura debería ser irrelevante en comparación con la resistencia del aire, ¿no (especialmente cuando estoy en barras planas)?

¿Cómo es posible avanzar lo suficiente en un viento en contra igual a su velocidad máxima de conducción para que aún pueda mantenerse erguido? Supongamos una velocidad de avance de 5 mph en un viento de 30 mph (y terreno plano).

Por cierto, he visto Tácticas para andar con viento fuerte , interesante, pero se trata de "¿cómo andar?". en lugar de la teoría.
La ecuación para el arrastre de bicicletas se entiende bien, aunque no siempre se conoce bien. En particular, el componente de resistencia aerodinámica de la resistencia total incluye la velocidad del aire, como bien sabe, pero también depende de la densidad del aire. La razón por la que puedes circular con un fuerte viento en contra es porque el aire no es muy denso. Sería mucho más difícil moverse contra una corriente de agua de 5 mph que una corriente de aire de 30 mph.
También está su sección transversal en la dirección del viento. Y eso cambia dependiendo de tu posición de conducción. Pero tu posición de conducción también cambia la potencia de salida que obtienes.
¿Cuál es la pregunta? ¿Por qué no serías capaz de cabalgar contra un viento igual a tu velocidad máxima en aire en calma?
@R.Chung, ciertamente lo harías (estoy familiarizado con el kayak)
@Frisbee, la velocidad neta del viento se convierte en la suma de la velocidad de avance y la velocidad real del viento. Si este último es el más rápido absoluto que puede conducir (o incluso un poco más) y el primero es mayor que cero, está manejando con más resistencia aerodinámica que en el aire en calma.
@Batman, sí, lo consideré. No creo que pueda lograr una posición más aerodinámica luchando contra un viento fuerte que girando en el aire en calma. Tal vez me equivoque lo suficiente como para marcar la diferencia.
Todavía no estoy siguiendo cuál es la pregunta aquí? ¿Está diciendo que tiene evidencia empírica de que puede viajar con viento que excede la velocidad de avance más allá de lo que se puede explicar con la resistencia a la rodadura? Un pronóstico meteorológico de la velocidad del viento no es un dato empírico sólido.
@Frisbee, tienes razón, no lo es. Así que mi evidencia no es concluyente. Pero tenemos: pronóstico >> Puedo viajar en aire quieto; el aire en mi cara se siente como andar cuesta abajo a 40 (y la diferencia es enorme entre eso y 30); caminar era difícil (la escala de Beaufort dice "inconveniente" a 32-38 mph).
Ah, creo que estoy empezando a entender. Su pregunta es: "si puedo viajar a una velocidad máxima de X con viento en calma, ¿por qué puedo seguir avanzando cuando me enfrento a un viento en contra de X?"
En general, por encima de aproximadamente 10 mph, su resistencia a la rodadura es insignificante en comparación con la resistencia del aire, por lo que si no puede hacer 30 mph en plano con aire quieto, tendrá dificultades para moverse con un viento de frente de 30 mph, si es realmente de frente. Y a veces un viento cruzado es aún peor. La razón principal por la que incluso puedes mantenerte erguido con ese viento es que estás dispuesto a esforzarte tanto, mientras que no lo estás cuando se trata de hacer 30 mph, al menos no por mucho tiempo.
Un viento cruzado es ciertamente peor a menos que tengas el camino para ti solo. Esa fue mi opinión sobre la resistencia del tiempo también.
Modifiqué el título para que quede más claro, espero que esté bien.
@DanielRHicks estás ejerciendo fuerza en el suelo, no en el aire. Conducir con un viento en contra de 40 mph no es lo mismo que conducir contra una cinta transportadora de 40 mph.
@JamesRyan - Estás ejerciendo fuerza sobre los pedales. (Montar una cinta transportadora de 40 mph es fácil, ya que solo tiene que lidiar con la fricción de rodadura).
@DanielRHicks la ciencia dice que estás equivocado. Trate de entender por qué o no, pero no tiene sentido discutir con la realidad.
Admito que casi me has convencido.

Respuestas (5)

Puedes hacerlo, porque tu bicicleta está conectada al suelo.

El trabajo realizado al mover un objeto es proporcional a la distancia y la fuerza de resistencia (que consiste en la resistencia del aire y la resistencia a la rodadura de las bicicletas). La resistencia del aire depende de la velocidad del aire (velocidad respecto al suelo + velocidad del viento), pero la distancia depende únicamente de la velocidad respecto al suelo. Ir más lento reduce la energía gastada, incluso cuando la velocidad del aire sigue siendo alta.

Como ejemplo extremo, considere simplemente estar parado en el viento. No estás haciendo ningún trabajo en absoluto, pero la velocidad del aire sigue siendo alta. Cuando vaya contra el viento, pronto se encontrará haciendo más trabajo. ¡Y cuando vas a favor del viento, estás haciendo un trabajo negativo!

Para los objetos que no están conectados a tierra, las cosas se vuelven diferentes. Un globo con un viento de 40 MPH se desplazaría a 40 Mph a favor del viento en coordenadas terrestres y tendría que usar la misma potencia para permanecer en el lugar en coordenadas terrestres que usaría para moverse 40 Mph en aire en calma.

Un ejemplo numérico puede ayudar. Conocemos la ecuación de potencia de las bicicletas. Para una bicicleta en terreno llano, a una velocidad constante para que no haya aceleración ni desaceleración, en condiciones de viento en calma, para los coeficientes de resistencia aerodinámicos y de balanceo típicos de una bicicleta con manillar plano (Crr ~ 0,005 y CdA ~ 0,4 m^2) , y una masa total de 85 kg, la potencia requerida para ir a 30 mph (13,33 m/s) es:

0,005 * 85 * 9,8 * 15,56 + 0,5 * 1,2 * 0,4 * 13,33 ^3 = 625 vatios.

Sin embargo, ¿cuál sería la potencia requerida para viajar a 5 mph (2,22 m/s) con un viento en contra de 30 mph? En ese caso, la velocidad aerodinámica será 13,33+2,22 = 15,56 m/s, pero la velocidad respecto al suelo será solo 2,22 m/s.

0,005 * 85 * 9,8 * 2,22 + 0,5 * 1,2 * 0,4 * (15,56^2) * 2,22 = 140 vatios.

Te equivocas con respecto a un detalle básico. La energía gastada en este caso es potencia multiplicada por tiempo, no fuerza multiplicada por distancia. La cantidad de energía requerida para avanzar apenas con un viento de 30 mph es solo un poco menor que la energía requerida para ir a 30 mph con aire en calma.
La potencia es igual al trabajo dividido por el tiempo. La potencia multiplicada por el tiempo es igual al trabajo.
Ver también: physicsclassroom.com/class/energy/lesson-1/power , "Otra fórmula para el poder"
Buena edición. Estaba pensando en hacer una trama simple sin unidades ni resistencia a la rodadura, pero las unidades del mundo real siempre son mejores.
@DanielRHicks La energía gastada en este caso es potencia multiplicada por tiempo, no fuerza multiplicada por distancia. No, son lo mismo (vea el siguiente comentario...) La energía es Joules - kg * m^2/s^2. Entonces, la potencia en vatios es J/s. Fácil. Pero ¿qué es la fuerza? Newtons. Un Newton es uno kg * m/s^2 - kilogramo tiempo metros por segundo al cuadrado. Entonces, ¿qué es un Newton-metro (una fuerza por una distancia)? Un kg * m^2/s^2. También conocido como Joule - energía. Ver en.wikipedia.org/wiki/Joule
Para ser precisos, la energía sería la integral de la potencia en el tiempo, o la integral del producto escalar de los vectores de fuerza y ​​velocidad en el tiempo, ya que la potencia puede variar, y la fuerza y ​​la dirección del movimiento también pueden variar.
La potencia que produce un ciclista es el par en la biela multiplicado por la cadencia. No sé ustedes, pero cuando conduzco con viento en contra, reduzco la marcha, de modo que un giro de la manivela no me lleva tan lejos como en el aire en calma.
Sí, la entrada de energía al sistema a través de las manivelas es la misma que la energía consumida por la resistencia al viento, la resistencia a la rodadura y los cambios en la energía cinética y potencial. Yo, Chung y Henle estamos tratando de explicar cómo se calcula.
Está bien, eso podría ser correcto. Modifique para que pueda eliminar mi voto negativo.
Ciertamente me gusta este enfoque: si consideramos a un ciclista que puede mantener el equilibrio con los frenos puestos (o incluso un triciclo), no se debe gastar energía a velocidad de avance cero. ¿Tiene una cita para la fórmula con {V_aire^2}{V_tierra} en ella? Miré la semana pasada y no pude encontrar nada de eso.
No es una referencia exacta, pero llega a ella cuando conecta W = Fs, F = kV_air ^ 2 (k es una constante que depende del área de la sección transversal y la forma) y P = W / t.
@ChrisH La referencia que está buscando es la Ecuación (2) en este documento .
¿Podemos modificar o eliminar el párrafo 3, trabajas parado para no caerte con el viento y no diría que haces un trabajo negativo a favor del viento, pero obviamente obtienes más por tu esfuerzo gracias al viento en tu dirección? La redacción no encaja con los otros ejemplos de sonido. Además, si puede incluir la ecuación para los cálculos en la respuesta, sería genial.
No, no podemos hacer esa modificación porque estaría mal. En física, la palabra "trabajo" tiene un significado muy específico que no corresponde completamente a su comprensión cotidiana.
Ok gracias por dejar eso claro sin ser condescendiente
Para ser más claros, los músculos internamente hacen un trabajo para que la persona no se caiga, pero ese trabajo no se hace contra el viento. Un maniquí rígido con forma de persona parado en el viento no funcionaría.

Puede hacer esto debido al engranaje de la bicicleta. Cuando conduce a una velocidad de avance más lenta, si cambia a una marcha más baja para mantener las mismas RPM del pedal, entonces la misma fuerza en los pedales produce un mayor empuje en el neumático. Incluso si no cambia de marcha, es más fácil producir una mayor fuerza en los pedales a RPM más bajas.

La fuerza de un ciclista generalmente se mide por la potencia que puede producir. Potencia = Fuerza X Velocidad. En este caso, la velocidad se mide con respecto al suelo, ya que la transmisión de la bicicleta funciona empujando el suelo (a través del neumático trasero). Por lo tanto, si viajar a 30 MPH con aire en calma en un terreno plano, sin tener en cuenta la resistencia a la rodadura, requiere 600 W de potencia, entonces conducir 5 MPH con un viento en contra de 25 MPH (la misma fuerza de arrastre) requerirá (5/30) * 600 = 100 W.

Gidday y bienvenido a SE Bicycles: esa es una buena primera respuesta.
@frisbee Es una buena primera respuesta porque no es una frase inútil. Y ha alentado cierta discusión. La respuesta se rompe un poco porque el viento no está conectado al suelo, por lo que hay una "resistencia" del aire distinta de cero incluso cuando la velocidad de avance de la bicicleta es cero. Entonces, si va hacia el otro lado, ¿está trabajando cuando no pedalea, depende de si su marco de referencia es el suelo o si el viento es un "segundo ciclista" en su bicicleta?
@frizbee La velocidad en fuerza * velocidad es el componente de velocidad paralelo a la fuerza y ​​​​en relación con lo que está empujando. Para una bicicleta que viaja en línea recta sobre una superficie fija, esto es equivalente a la velocidad de avance. Obviamente, para una bicicleta en un entrenador no es porque la bicicleta ya no esté empujando contra el suelo.
Tenemos tres sistemas interconectados aquí. Los pedales convierten el movimiento arriba/abajo en movimiento giratorio. Los engranajes nos permiten intercambiar par por velocidad. La rueda motriz convierte el movimiento giratorio en movimiento lineal y ejerce una fuerza sobre el suelo que lo impulsa hacia adelante. El sistema importante aquí es la rueda motriz. Si la velocidad de avance es más baja, la parte exterior de la rueda motriz se mueve más lentamente, lo que significa que se necesita menos energía para aplicar una fuerza determinada.
@Frisbee: al escalar hay otra fuerza resistiva en juego: la gravedad. Es por eso que escalar es más difícil que andar en terreno llano.
@ojs Sí, escalar es otra fuerza resistiva. ¿Es menos potencia debido a la menor velocidad de avance como se afirma en esta respuesta?
Sí. Para elegir algunos números de ejemplo aleatorios, el 10 % de ascenso de una persona y una bicicleta de 80 kg juntos produce una fuerza de resistencia del 10 % * 80 kg * 9,81 m/s^2 = 78,48 kgm/s^2, que es lo mismo unidad como N. La potencia es igual a la velocidad por la fuerza. Ahora, escalar esta colina a 2 m/s usa 78,49 N * 2 m/s = 156,96 W. Subir la misma colina a 5 m/s usa 78,49 N * 5 m/s = 392 watts. Como puede ver, una velocidad de avance más baja usa menos energía.
No, la respuesta no afirma que "la misma cantidad de potencia de las piernas en el viento es de alguna manera menos potencia", la potencia de las piernas es igual a la potencia utilizada contra el viento, la resistencia a la rodadura, etc. Conducir a 5 mph con un viento de frente de 25 mph es menos trabajo que andar a 30 mph en aire quieto debido a la diferente velocidad de avance.
¿Es su problema la diferencia en la potencia perdida por la resistencia del aire? Peter Green ya trató de explicarlo, pero lo estoy expresando en términos más simples. Efectivamente, hay potencia perdida que no proviene del ciclista. Proviene del viento, que es impulsado por las diferencias de temperatura causadas principalmente por el sol. En un túnel de viento, la física entre el suelo, la bicicleta y el aire sigue siendo la misma, pero la potencia proviene del ventilador.

En parte se debe a la forma en que se mide la velocidad del viento. El estándar para la velocidad del viento es medirlo a 10 metros sobre el nivel del suelo. Más cerca del suelo, se activa un efecto llamado efecto límite y la velocidad del viento es más lenta (de hecho, la velocidad del viento en el suelo es efectivamente cero).

Según este sitio , la velocidad del viento en una llanura cubierta de hierba se puede calcular como V=Vref((H/Href)^0.142). Para un Vref de 30 mph a un Href de 10 m (disculpe las unidades mixtas, se eliminan porque la ecuación no tiene dimensiones), la velocidad del viento a 1 m del suelo sería solo de 21 mph.

Sin embargo, el enlace también sugiere un valor de exponente de 0,333 en las afueras de un pueblo, o de 0,5 en una ciudad, correspondiente a velocidades de viento de 1 m de altura de 14 mph o 9,5 mph respectivamente.

Por lo tanto, la respuesta a por qué aún puede pedalear hacia adelante con un viento en contra de 30 mph cuando normalmente estaría en equilibrio pedaleando hacia adelante a 30 mph es que, en el caso del viento en contra, la velocidad real del viento medida en su posición de conducción será solo alrededor de 20 mph o menos .

Eso es realmente interesante. Me pregunto cómo se relaciona con las observaciones en la escala de Beaufort relacionadas con caminar contra el viento. ¡Estoy empezando a pensar que quiero un sensor de velocidad aerodinámica en la bicicleta!
Gidday y bienvenido a SE Bicycles: esa es una buena e interesante primera respuesta.
"la velocidad del viento en el suelo es efectivamente cero", razón por la cual las hojas y la basura en el suelo nunca se mueven cuando hace viento. Oh espera.
Lol, sabía que alguien se daría cuenta de eso. En realidad, es exactamente por eso que las hojas y la basura en el suelo tienden a levantarse casi directamente hacia arriba, siendo levantadas por las diferencias de presión de Bernouilli, y luego comienzan a moverse con el viento. Pero fue más un aparte, y solo realmente relevante a distancias microscópicas.

Tengo un título en ingeniería química y estudiamos esto no solo en el flujo de tuberías, sino también en un lecho catalítico fluidizado y cuándo se perderá el catalizador por la chimenea. En mis estudios de ingeniería química, nunca hemos tratado la velocidad de las partículas frente a la velocidad del viento de manera diferente.

De acuerdo con la invariancia de Galileo , debe obtener la misma resistencia del viento en cualquier marco de referencia. Es solo relativo. Piensa en esto, estamos girando y rotando alrededor del sol.

La resistencia al viento es la red. 30 mph con aire en calma es exactamente lo mismo que 5 mph con viento de frente de 25 mph.

Los engranajes lo hacen posible, pero esa no es la pregunta planteada. La pregunta es con respecto a la resistencia del viento solo:

30 mph (velocidad) + 0 mph (viento) = 5 mph (velocidad) + 25 mph (viento de frente)

La respuesta es sí, son iguales. La prueba es la invariancia galileana.

Pon 30,0 y 5,25 en esta calculadora . Ambos conjuntos de números dan la misma velocidad relativa (30) y los mismos VATIOS.

Ciclismo FLO - Cómo afecta la velocidad al arrastre

Al calcular la resistencia, la velocidad no es simplemente la velocidad a la que viaja en su bicicleta. La velocidad es la combinación de la velocidad a la que viajas en tu bicicleta y la velocidad del viento. Esta combinación de velocidades se conoce como velocidad relativa.
viento de cabezaEn este ejemplo, el ciclista viaja a 15 mph y el viento viaja en la dirección opuesta a 5 mph. Por lo tanto, la velocidad relativa es igual a...
Velocidad del ciclista - Viento
de frente (15 mph) - (-5 mph) = 20 mph

Fuerzas de arrastre en fórmulas

La potencia requerida para vencer la resistencia total es:
P = Ftotal v donde v : velocidad en m/s
La fórmula para la resistencia del aire se aplica estrictamente solo sin viento. Con cualquier viento, la suma vectorial del viento debido al movimiento de la bicicleta más el viento real debe tomarse en lugar de v;

Arrastrar (física)

se refiere a las fuerzas que actúan de manera opuesta al movimiento relativo de cualquier objeto que se mueve con respecto a un fluido circundante

v es la velocidad del objeto en relación con el fluido

Coeficiente de arrastre

u, es la velocidad de flujo del objeto en relación con el fluido

proporcional al cuadrado de la velocidad de flujo relativa entre el objeto y el fluido

Fuerza de arrastre

v es la velocidad del cuerpo relativa al fluido

Fuerza de arrastre y coeficiente de arrastre

U es la velocidad relativa del fluido con respecto a la partícula

Si dejas caer una piedra, la velocidad terminal de la gravedad debe ser exactamente la misma que la velocidad del viento de un ventilador que se necesita para mantenerla en el aire.

Si el tercer V en potencia V³ es la velocidad del suelo y no la velocidad relativa, no encuentro ninguna referencia que lo indique. Supongamos que es cierto:
V s1 es la velocidad aún
V s2 es la velocidad en el viento
V w es la velocidad del viento
V s1 ^3 = (V s2 + V w ) * (V s2 + V w ) * V s2
V s1 ^3 = (V s2 ^2 + 2*V s2 *V w + V w ^2) * V s2
V s1 ^3 = V s2 ^3 + 2*V s2 ^2*Vw + V w ^2*V s2
si V s1 = 30 y V w = 25 entonces V s2 = 16
Capaz de viajar 16 mph en una cabeza 25 mph El viento no me parece correcto, pero ya no estoy tan seguro

La única diferencia posible es que el viento está ligeramente perturbado, por lo que habrá algo de turbulencia. Pero incluso a una velocidad pequeña, se encuentra en un flujo turbulento (número de Reynolds).

Debido a la naturaleza turbulenta y racheada del viento, se sentirá más rápido que la sensación de andar en aire en calma.

Suponga que 30 mph netas son 600 vatios

  • A 30 mph en 52 x 11
    cadencia de marcha de 80
    estoy entregando 600 vatios

  • A 5 mph en 26 x 33
    cadencia de marcha de 80
    estoy entregando 600 vatios

Creo que haces un buen comentario sobre la turbulencia. La invariancia de Galileo es más o menos lo que tenía en mente cuando hice la pregunta, aunque había olvidado el término. Tal vez sea una suma de mala estimación, siendo la resistencia a la rodadura un factor más grande de lo que pensé, y poder aplicar más esfuerzo por períodos breves que sostenidos.
Los comentarios no son para una discusión extensa; esta conversación se ha movido a chat .

Supongo que su pregunta es '¿Cómo es posible que todavía pueda conducir en posición vertical, aunque el viento en contra sea mayor que mi velocidad máxima de conducción?'

La respuesta es:

  • La ráfaga/viento no siempre tiene una dirección constante, y ciertamente no es un flujo (velocidad) constante. Entonces, la velocidad promedio del viento en contra es menor de lo que supondría. Esto es especialmente cierto cuando estás en un área urbana, cuando la dirección del viento cambia constantemente.
  • Incluso si hay un viento en contra constante de 30 mph (su velocidad máxima de conducción), su velocidad no bajará repentinamente a cero. Su velocidad disminuiría gradualmente, desde la velocidad de usted y su bicicleta justo antes de la ráfaga, hasta llegar a cero. La analogía con esta situación es cuando conduces a una velocidad constante de 30 mph y dejas de pedalear.

Entonces, para resumir, la velocidad promedio del viento no tiene suficiente arrastre (fuerza) para anular la velocidad de usted y su bicicleta, que se 'repone' constantemente con su pedaleo.

No puedo refutar nada de eso, aunque sé que había partes aún más fuertes que eran tan efectivas como mis frenos (en mojado). También peatones (observados más yo caminando justo antes de montar) y la escala de Beaufort como en mi comentario debajo de la Q.
Me he encontrado con ráfagas que me detenían mientras pedaleaba cuesta abajo un 10% en el norte de Escocia... (Berriedale para cualquiera que conozca la colina)
@BrianDrummond Deberías haber dado la vuelta en la parte inferior y haber subido la colina con viento de cola. ¡Imagina los segmentos de Strava!
@Criggie Buena idea, pero gracias a las curvas cerradas de Berriedale, ¡pierdes en ambas direcciones!
Cualquier colina en Escocia es así, o vas a 50 mph o 5 mph, debido al viento y la pendiente.
Conducir con viento en contra más rápido que mi velocidad máxima, ¿cómo es posible?
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