¿La relación de transmisión afecta la potencia?

Permítanme comenzar diciendo que este puede no ser el SE correcto. Consideré preguntar en Physics SE, pero pensé que podría intentarlo aquí primero. Si está mal, no estoy en contra de que se migre.

A partir de los principios básicos de la Física, la potencia se calcula como Trabajo/tiempo. Así que considere un sistema de ciclista y bicicleta subiendo una colina. El trabajo realizado es la diferencia de potencial de abajo hacia arriba, y obviamente el tiempo será el tiempo de ascenso.

Ahora, mi pregunta es:

Dado el mismo ciclista, el mismo peso de la bicicleta y el mismo tiempo de ascenso, ¿tu marcha afecta la potencia? Suponga también que la subida es eficiente, sin patinaje de neumáticos, pedaleo normal, etc.

Desde una perspectiva física, espero que la respuesta sea no. Misma diferencia de potenciales, mismo tiempo, misma potencia. Sin embargo, desde la perspectiva del ciclista, sé que se siente como si se estuviera usando mucha más potencia para escalar con una relación más dura.

Espero que la respuesta sea que la disparidad proviene de la idealización del sistema. Si consideramos la bicicleta como un sistema cerrado, esperamos que toda la energía puesta en la bicicleta la lleve colina arriba, pero no es así. Además, creo que la ineficiencia del cuerpo humano será relevante. Sin embargo, todavía no puedo resolver la pregunta.

También estaba perdido para las etiquetas aquí.
Desafortunadamente, no tenemos una ruta de migración de aquí a Física. Sin embargo, esta pregunta realmente se puede hacer aquí o en Física, pero creo que obtendrá una mejor respuesta allí. (Me fascinaría ver la respuesta). Si también lo publica allí, publique un enlace aquí también. La colaboración entre sitios probablemente producirá la mejor respuesta a esta pregunta.
Por ahora lo dejo aquí, si no obtengo la respuesta que busco, intentaré engañarlo por allá.
Sospecho que te refieres a eficiencia en lugar de poder, de lo contrario, la pregunta no tiene sentido. Estás levantando el mismo peso sobre la misma distancia en el mismo tiempo, por lo que la potencia es la misma. Desde el punto de vista de la competición, probablemente quieras ser más rápido (más potencia) con el mismo esfuerzo o usar menos energía para la misma subida. Así que estás mirando la eficiencia.
Solo para la moto, no, no afecta a la potencia. La bicicleta es un sistema bastante simple y lineal, es más o menos poder en == poder nuestro. Sin embargo, el cuerpo humano que alimenta la cosa no es ni remotamente lineal.
La eficiencia del cuerpo es irrelevante? ¿Un motor tiene curva de potencia?
¿La longitud de la escalada juega un papel importante en la determinación? En una subida corta, un ciclista podría "forzar" una marcha grande. En una subida más larga, la fatiga muscular y la acumulación de lactato entrarían en juego.
Teniendo en cuenta todo el sistema, si el engranaje no hiciera ninguna diferencia en la potencia, entonces no nos molestaríamos con los engranajes. No es una respuesta científica lo siento.

Respuestas (7)

Sospecho que te refieres a eficiencia en lugar de potencia.

En mi opinión, la principal compensación es entre mayores pérdidas biomecánicas a altas revoluciones (básicamente, fricción muscular) y disminución del flujo sanguíneo con mayores fuerzas a bajas revoluciones. El equilibrio depende tanto del jinete como de la duración.

En el IHPVA Journal of Human Power, número 45 (pdf, índice aquí ) hay un artículo llamado Maximum Human Power en el que se habla de Tyler Hamilton ganando la escalada del monte Washington en 51 minutos:

"Sin embargo, montó gran parte de la subida en el piñón de 23 dientes e hizo varias subidas en el 21". Si tuviera ruedas de 700 mm, como parece probable, su cadencia media habría sido de 63 RPM.

Vale la pena leer el artículo completo, y puede ser útil buscar en el índice artículos similares.

La otra cara de la moneda es que los mejores velocistas a menudo superan las 150 rpm en el sprint final. En ese momento, están intercambiando eficiencia biomecánica por potencia máxima. Solía ​​​​alcanzar un máximo de más de 900 W durante 10 segundos (> 8 W/kg) a alrededor de 130 rpm, pero mi hora de rendimiento de alrededor de 350 W usó una cadencia de aproximadamente 80-90 rpm.

La verdadera respuesta es específica para usted. Dependerá de la forma de su cuerpo, tipo de músculo, estado físico y factores más transitorios. También es una pregunta que se responde mejor experimentando, y debe ser parte de su programa de entrenamiento si está compitiendo. Si no es así, te sugiero que busques una escalada en la que practiques regularmente y que lleves un diario de entrenamiento .

También ha habido mucha discusión sobre la hidratación para las subidas largas. ¿Es mejor hidratarse y empezar con más peso, o correr un poco deshidratado para pesar menos? IIRC la conclusión fue que la hidratación era mejor, pero no puedo encontrar la referencia.

Bebería ~ 300-500 metros antes del comienzo de la subida cuando todavía está plano, y tengo tiempo para beber, guardar la botella y eructar antes de la subida. También me levanto las mangas largas, mucho mejor para refrescarme. Vas a llevar la botella hacia arriba, solo es cuestión de si el agua está en ti o en la botella. Y muchas subidas carecen de una fuente de agua en la cima.

Dado el mismo ciclista, el mismo peso de la bicicleta y el mismo tiempo de ascenso, ¿tu marcha afecta la potencia? Suponga también que la subida es eficiente, sin patinaje de neumáticos, pedaleo normal, etc.

Bueno, eso depende de qué "potencia" estés midiendo :-).

Obviamente, la potencia ejercida por la bicicleta en su conjunto es la misma: si se mueve a la misma velocidad, es la misma potencia.

Sin embargo, el poder que tu cuerpo ejerce bien puede ser diferente, por una variedad de razones:

  • Los músculos probablemente tienen un nivel de velocidad y fuerza en el que son más eficientes, por lo que la energía/potencia química que su cuerpo debe ejercer para producir el movimiento muscular será diferente.
  • Los diversos procesos de pérdida de energía debido a la flexión, la fricción, etc. probablemente serán diferentes según el engranaje. Por ejemplo, en marchas más bajas habrá un movimiento más rápido de la cadena (por lo tanto, más fricción), por otro lado, la tensión de la cadena será menor, lo que probablemente reduce la fricción. Además, en marchas más bajas, la flexión del cuadro en respuesta a las fuerzas de la cadena probablemente será menor.

Mi impresión es (aunque no tengo fuentes que me respalden) que, en general, el sistema humano es más eficiente desde el punto de vista energético (es decir, la mejor relación entre la potencia del pedal y el esfuerzo) a cadencias de alrededor de 90-100 RPM, por lo que eso es lo que debe hacer un ciclista. luchar por.

Curiosamente, la mejor cadencia para la máxima potencia es aparentemente mucho más baja, es por eso que los ciclistas profesionales usarán marchas altas y cadencias bajas para los sprints; sin embargo, esto es mucho más agotador que las cadencias más altas, por lo que es ineficiente en largas distancias.

Tengo algunas confusiones aquí. Primero, la bicicleta no ejerce fuerza, la única fuerza que ejerce es la fricción. Sus dos puntos son exactamente las cosas que tenía en mente, pero tenía problemas para expresarlas. Gracias. Pero realmente no entiendo tus últimos dos párrafos en absoluto. ¿Qué quiere decir aquí con eficiencia energética frente a potencia máxima? ¿Y por qué esta diferencia se deriva del tamaño del engranaje? Lo siento por mi confusión.
En cuanto a la potencia: lo que quise decir es que depende de dónde midas la potencia. Si mides la potencia al volante, siempre será la misma para la misma velocidad y terreno. Sin embargo, el poder que tiene que ejercer el humano puede ser diferente.
En cuanto a máx. frente a eficiente: lo más eficiente sería como un automóvil: la velocidad/cadencia que le permite viajar la distancia más larga antes de quedarse sin combustible. Al igual que un automóvil, esa no es necesariamente la velocidad/cadencia que le brinda la máxima potencia. Y una cadencia más alta generalmente significa marchas más bajas.

Tal vez sea la diferencia entre, ¿cómo lo llamas, trabajo 'isotónico' versus ' isométrico '?

Lo que quiero decir es que, por ejemplo, a un ser humano le cuesta mucho esfuerzo (fuerza, potencia o trabajo) tratar de mover un objeto inamovible: empujarlo contra una pared o algo así.

En una marcha demasiado alta, empuja y empuja y no va a ninguna parte (mucha potencia para no ir a ninguna parte => 0% de eficiencia).

En una marcha demasiado baja es demasiado fácil: giras sin resistencia; su velocidad de giro está limitada a ~120 RPM más o menos, es decir, no puede aumentar infinitamente; por lo tanto (fuerza baja y RPM limitadas) está limitado en la cantidad de energía que emite (es menos que su potencia máxima teórica).

Posiblemente haya una ' cadencia ' eficiente (quizás 90 RPM) que quizás desee usar en todos los terrenos (arriba, abajo, nivelado), y lo correcto (la forma correcta de usar sus cambios) es ajustar continuamente el engranaje para el terreno para: a) mantener una cadencia constante y eficiente (por ejemplo, 90 RPM); b) mantener una salida de fuerza/potencia lo suficientemente alta en esa cadencia (por ejemplo, si parece demasiado fácil, cambie a una marcha más alta, o si es demasiado difícil, cambie a una marcha más baja, para mantener la cadencia).

Los artículos que están vinculados en la sección de Referencias del artículo de Wikipedia sobre cadencia hablan más: sobre rendimiento, cadencia óptima, marcha, etc.
Hay un efecto similar con los motores de los automóviles y sus engranajes: cuando las RPM son demasiado bajas o demasiado altas, el par motor es bajo; puede graficar el par frente a RPM, encontrar un rango de RPM en el que el motor tenga el mayor par (y supongo que la 'potencia de salida' es igual a 'par multiplicado por RPM'). Es similar pero no igual porque los músculos humanos no son lo mismo que los motores de combustión interna: por ejemplo, un ICE no puede hacer trabajo isométrico, y el trabajo de los músculos aparentemente depende de factores como fibras de contracción rápida versus fibras de contracción lenta, acumulación de ácido láctico , etc.
Gracias por esta respuesta, leeré los artículos y me pondré en contacto contigo.

Por supuesto, la relación de transmisión afecta la potencia "potencial" que puede producir. Considere un esfuerzo muscular máximo para subir una colina empinada. Despreciando la fricción de la cadena y otros efectos secundarios, subirá la colina más rápido con la mayor potencia que sus músculos puedan producir. Tenga en cuenta que potencia = kx torsión x cadencia (donde k es simplemente una constante que determina las unidades de potencia (vatios, caballos de fuerza, etc.). Supongamos que está conduciendo en una velocidad demasiado alta para que no pueda avanzar en el colina (su cadencia es 0). A 0 cadencia, su torque es el máximo posible y su potencia es 0. A medida que aumenta su cadencia (al reducir su relación de transmisión), su torque disminuye. Sin embargo, el producto de torque y la cadencia (que es proporcional a la potencia) aumenta. A medida que aumente su cadencia al reducir su relación de transmisión, eventualmente alcanzará la cadencia energéticamente óptima (EOC). En el EOC, la potencia que sus músculos pueden producir es máxima. El aumento de la cadencia por encima del EOC reduce su potencia potencial máxima.

Conclusión: elija la relación de transmisión que le permita girar lo más cerca posible del EOC. Subirás la colina empinada más rápido con esta cadencia.

Nota: La curva de potencia frente a cadencia parece una parábola invertida. Es un resultado directo del trabajo realizado por Archibald Vivian Hill, quien ganó un Premio Nobel por su trabajo en este y muchos otros temas de biofísica. También tenga en cuenta que la resistencia máxima probablemente ocurra a una cadencia menor que la EOC.

Bienvenido a bicicletas.stackexchange. Tu respuesta se aplica solo instantáneamente. Para escaladas de duración no trivial, la potencia está limitada por procesos metabólicos (en su mayoría, aeróbicos). Es decir, lo que ha escrito es cierto para la potencia instantánea máxima, pero al escalar cualquier colina no trivial, su potencia de salida será decididamente submáxima. Todavía hay valores límite en el engranaje que limitarán la producción de energía, pero mientras esté razonablemente lejos de esos límites, su limitación es metabólica, no limitada por la fuerza ni por la velocidad de las contracciones musculares.
Hoy y bienvenidos a SE Bicycles. Buena primera respuesta: ¿tiene más información o enlaces sobre EOC?
@R.Chung, tiene razón, pero creo que se podría usar una especie de EOC aeróbicamente estable.
Esta es básicamente la respuesta correcta. Si no fuera cierto que la relación de transmisión afecta la potencia disponible en el volante, los automóviles no tendrían necesidad de transmisiones de varias velocidades.
@ChrisH Uno podría pensar que sí, pero empíricamente no. Muchos ciclistas pueden producir > ​​1 kW durante unos segundos en un rango estrecho de cadencia, pero pueden escalar una colina no trivial a, digamos, 200 - 250 vatios. El análisis empírico de sus opciones de cadencia muestra que, a un nivel más bajo de rendimiento, pueden producir, y generalmente lo hacen, una potencia fija en un amplio rango de cadencia y par de arranque.

A mi entender, no debería. La explicación más simple es que la salida de potencia es igual a la potencia multiplicada por la eficiencia (la eficiencia es la pérdida de energía debido a la fricción, la resistencia del aire, la resistencia a la rodadura, el calor, etc.). Cambiar de marcha no cambia la potencia (esa parte depende de ti), ni cambia la eficiencia mecánica. Por lo tanto, la potencia de salida no cambia.

Para profundizar un poco más, la potencia es el trabajo total realizado durante el tiempo total ( P_avg = ΔW/Δt). En este caso, lo estamos considerando en duraciones idénticas, por lo que Δtes constante. En un contexto de rotación, Wes el par (fuerza de rotación) ejercido por la velocidad angular (velocidad de rotación), o W = τθ. Un engranaje solo cambiará la relación entre el par y la velocidad angular mientras mantiene una salida de trabajo constante. En otras palabras, pasar a una marcha más alta puede requerir el doble de torque, pero los pedales girarán la mitad de rápido. Una marcha más baja podría permitirle girar el doble de rápido, pero usará la mitad del torque. Como la salida de trabajo es la misma, la salida de potencia es la misma.

¿Cómo afecta esto a la velocidad de las ruedas? Bueno, lo mismo W = τθafecta a tus ruedas también, pero al revés (tus ruedas lo ven al revés: imagina que estuvieras pedaleando en tu piñón, y las ruedas estuvieran unidas al eje de pedalier). Una marcha más baja pondrá más torque en las ruedas (permitiendo una alta aceleración), pero tendrá una velocidad angular correspondientemente baja (velocidad de rotación). Una marcha más alta no pondrá mucho torque en las ruedas (por eso es tan difícil acelerar), pero las hará girar como locas. Entonces, idealmente, estar en la marcha más alta posible le daría la mayor velocidad.

Sin embargo, ahí es donde el cuerpo humano entra en juego. Tenemos dos sistemas complementarios para generar potencia: el sistema cardiovascular, que produce menos potencia pero por duraciones muy largas, y el sistema muscular, que sobresale en la producción de alta potencia, pero solo por un corto período de tiempo. Idealmente, cuando no está corriendo, desea que ambos sistemas produzcan tanta potencia como puedan sostener. La suma de esa potencia (menos las pérdidas de eficiencia) será su potencia de salida total, y el cambio de elevación, la resistencia a la rodadura y su aerodinámica determinarán qué proporción de esa potencia se utilizará en última instancia para el par en comparación con la distancia (y, por lo tanto, su relación de transmisión) .

Espero que ayude.

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Hay varios factores involucrados aquí, por lo que cualquier respuesta no es simple. En primer lugar, como señaló Leon, las ruedas reciben potencia cero cuando el engranaje es tan duro que no se puede mover. Y obtienes una potencia mínimamente pequeña en las ruedas cuando la relación de transmisión es tan fácil que estás girando a 200 RPM.

Pero lo que es más importante, la potencia PROMEDIO durante un período de tiempo depende en gran medida de los detalles de cómo funcionan los músculos. Principalmente hay ejercicio AERÓBICO vs ANAERÓBICO. Con el ciclista promedio, con un nivel normal de azúcar en la sangre, cualquier conducción por encima de las 80 RPM será en gran parte aeróbica, y cualquier conducción (medio desafiante) por debajo de las 60 RPM tendrá una gran parte anaeróbica. El ejercicio aeróbico quema el azúcar en la sangre, pero el ejercicio anaeróbico quema el glucógeno almacenado en los músculos.

Durante períodos cortos de tiempo (cuán breves dependerán de la intensidad del ejercicio y de la cantidad de flujo sanguíneo que haya), los músculos en buen estado de salud pueden quemar glucógeno de manera tan eficiente como la glucosa en sangre, pero la cantidad de glucógeno almacenada en los músculos solo es suficiente para tal vez 15-30 minutos de ejercicio de alta intensidad (aunque con un entrenamiento dirigido específicamente a aumentar las reservas de glucógeno del cuerpo, esto puede aumentar a varias horas).

Por lo tanto, andar en una marcha "difícil" que produce bajas RPM agota más rápidamente el glucógeno muscular y conduce a una fatiga más rápida. Y obviamente, a medida que te fatigas, tu potencia de salida disminuye. (Y, por supuesto, andar con una marcha demasiado "fácil" da como resultado RPM excesivamente altas, y las RPM "óptimas" del ciclista promedio generalmente están por debajo de 100). se puede obtener involucrando los músculos de "contracción lenta" y algunos otros factores. (Tenga en cuenta que necesita el glucógeno para situaciones cortas y de alta demanda, como subir una colina corta y empinada sin cambiar a una marcha inferior. De hecho, puede lesionarse los músculos en algunas circunstancias si el glucógeno se agota por completo).

(Y también hay que tener en cuenta que, en individuos susceptibles, uno puede causar lesiones en la rodilla al usar constantemente un engranaje demasiado difícil).

No entiendo el vínculo entre "montar en una marcha difícil" y "agota más rápidamente el glucógeno muscular". ¿Porqué es eso? Seguramente sus músculos usarán glucógeno o glucosa dependiendo de lo que esté disponible, en lugar de estar determinado por el equipo en el que se encuentra. Sería útil si tuviera referencias para que yo pudiera leer sobre el mecanismo.
@Nuі - Cuando tus músculos se mueven lentamente, queman más glucógeno. Hay dos razones: en primer lugar, es probable que les exija más energía instantánea y, en segundo lugar, debido a la falta de movimiento, no hay tanto flujo de sangre en las piernas (los músculos tensos restringen el flujo de sangre).

No, las relaciones de engranaje y ganancia no afectan la potencia. Si bien tiene razón al suponer que el ciclista se sentiría diferente, si las otras tres variables son iguales, entonces la tasa de potencia será la misma. En este caso, en una relación de transmisión "más fácil", la cadencia requeriría un aumento significativo para mantener el mismo tiempo de ascenso (velocidad) y si el ciclista es idéntico, entonces la tasa de trabajo es idéntica. El aumento en la velocidad de pedaleo compensa la diferencia en el gasto de potencia en comparación con la marcha "más dura" a una cadencia más baja.

Estoy algo en desacuerdo. Si bien esto es absolutamente cierto en teoría, de manera realista tenemos una banda de cadencia/fuerza en la que emitimos una potencia óptima. A cadencias muy altas no aplicamos suficiente fuerza para igualar la misma potencia, y viceversa para alta potencia con baja cadencia.
@StephenTouset Esa banda de cadencia/fuerza no es constante, varía según las condiciones. Consulte aquí o aquí para obtener una discusión sobre la cadencia, la fuerza del pedal y la potencia "óptima".
@StephenTouset: Eso es lo que quise decir cuando dije que esto supone que las tres variables son iguales. Si cambia la fuerza del pedaleo, entonces la potencia variará, pero eso no es el engranaje, es una limitación del ciclista. Si su cadencia se vuelve tan alta que la mecánica de su cuerpo no puede sostenerla, su tasa de potencia disminuirá. Pero no será por el engranaje.
¿La relación de transmisión afecta la potencia?
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