Cuando me enfrento a una serie de subidas y bajadas mientras ando en bicicleta, trato de pedalear como un loco cerca de los fondos para ganar la mayor velocidad posible. Hago esto debido a una noción vaga y mal formada de que estoy aprovechando algo como el efecto Oberth o que estoy reduciendo la resistencia a la gravedad .
Si estuviera haciendo lo primero, pedalearía más fuerte durante un período centrado en el punto más bajo entre colinas, pero si estuviera haciendo lo segundo, pedalearía más fuerte cuando la sección cuesta arriba tuviera la máxima pendiente.
Quizás ninguno sea correcto, pero uno es la mejor analogía.
Pregunta: ¿Subir y bajar en bicicleta una serie de colinas es una buena analogía del mundo real para comprender el efecto Oberth y/o el arrastre de la gravedad? ¿Cuál es una mejor coincidencia análoga desde una perspectiva matemática?
No, Oberth no puede andar en bicicleta.
La razón por la que quieres "pedalear como un loco" en el breve descenso antes de subir, intuitivamente, es porque tu fisiología está limitada por la potencia máxima , por lo que no quieres desperdiciar eso aflojando el descenso.
El efecto Oberth no está motivado por una restricción de energía, sino por una restricción de combustible . Si quisiera andar en bicicleta de una manera que simulara el efecto Oberth, ayunaría unos días antes, comería un plato de pasta y luego mediría eso durante un siglo (jerga ciclista para cien millas) sin bonking (ciclista porque soy un ni-cad empobrecido). Lo cual no funciona porque el metabolismo en reposo de un ciclista como fracción de la potencia máxima (100 W frente a 1000 W) es mucho mayor que el de una nave espacial (¿300 W frente a 30000 W?). A medida que avanzan los mamíferos, incluso la fracción legendariamente pequeña del perezoso es enorme en comparación con algo que puede flotar en paneles solares mientras el combustible se queda en sus tanques.
No tengo números concretos para 300 frente a 30000, pero esa es la ruta hacia una respuesta matemática. El J-2 de la tercera etapa de Saturno V produjo 7800 hp (página 4 de este resumen ), 5850 kW; en ese momento, el uso de energía inactiva de la pila debe haber estado más cerca de una milésima que la décima parte de un ciclista.
Para simular diferentes estrategias de ciclismo, se podría escribir un programa corto (en estos días, probablemente en Python) para medir cifras de mérito como m/s o m/J. Modele un tramo de camino montañoso como una suma de sinusoides. Elija la masa, la potencia sostenida y la potencia de carrera del ciclista. Estime la velocidad de arrastre del ciclista (¿siempre cero, como una nave espacial?). Simule el viaje en un paso de tiempo de un segundo más o menos. Varíe cuándo esprintar: cuando la velocidad supera un umbral, o durante los diez segundos antes de que el ángulo de la colina supere un umbral, o incluso cuando la velocidad cae por debajo de un umbral (bajarse del sillín), lo que sería lo opuesto al efecto Oberth . Para ser justos, organice de alguna manera que todas las estrategias se ejecuten durante aproximadamente la misma duración total.
Si solo le importan los m/J, como una nave espacial con restricciones de combustible en lugar de un ciclista de carreras, entonces también se debe permitir la inercia en la línea de base metabólica de 100 W. Entonces, la estrategia óptima es simplemente deslizarse cada vez que la velocidad exceda un umbral bastante bajo, y probablemente nunca correr a toda velocidad.
La razón por la que su esquema de ciclismo se siente más fácil es porque la potencia que pone en los pedales se aplica durante más tiempo y, por lo tanto, es más baja. No hay relación con el efecto Oberth porque la energía total gastada es constante.
Compara los dos casos:
La cantidad total de energía es aproximadamente la misma. Hay 3 componentes que contribuyen a la energía total gastada:
En resumen, es probable que el gasto total de energía sea mayor con su enfoque debido a la mayor resistencia del aire. Sin embargo, puede parecer más fácil porque la potencia máxima que necesita aplicar es menor.
Si bien la eficiencia real de esta estrategia es cuestionable e involucra biomecánica, fricción y muchos otros factores que complican la situación, el modelo más reducido puede compararse con el efecto Oberth.
Lo que estás "sintiendo" es la fuerza que estás aplicando. "Difícil" es cuando se necesita mucha fuerza para mover los pedales, "fácil" es cuando no lo hace. Se puede aproximar a su cuerpo a ser capaz de aplicar una cierta fuerza, y cuando es "fácil" pedalear, puede pedalear más fuerte para alcanzar su nivel estándar de fuerza.
Desde este punto de vista, no eres diferente de un motor de cohete, que también aplica cierta fuerza a la nave espacial.
El efecto Oberth, en esencia, se trata de aplicar una fuerza en la misma dirección en la que viaja, a la velocidad más alta posible para maximizar la ganancia de energía.
De la misma manera, la base de la colina es donde tu velocidad es más alta, y una fuerza aplicada agregaría la mayor cantidad de energía.
Esta no es necesariamente una observación útil, ya que las fuerzas que te ralentizan también están perdiendo una mayor cantidad de energía a velocidades más altas.
¿Subir y bajar en bicicleta una serie de colinas es una buena analogía del mundo real para comprender el efecto Oberth y/o el arrastre de la gravedad?
No me parece. Si comprende el efecto Oberth, podría señalar la similitud. Pero en realidad está explicando un escenario simple con uno más complicado. "gravedad", como se explica por "biomecánica", "fricción" y "gravedad" .
Las analogías son útiles cuando pueden reemplazar una idea difícil con una idea más fácil.
Si
y y
y aplicas las siguientes restricciones
Oberth jugaría un papel. Misma fuerza aplicada, mismo intervalo de aplicación, misma aceleración, produciría una mayor porque la distancia recorrida durante la aplicación de la fuerza sería más larga, porque .
¿Qué tal esa fuerza? En la parte inferior de la colina a gran velocidad, un ciclista está en marcha alta. Suponiendo aproximadamente la misma fuerza sobre el pedal del pie del ciclista, esto no se traduce en la misma fuerza motriz en el buje cuando se usan marchas más bajas. La fuerza en estas relaciones se refiere a la fuerza de reacción del eje de la rueda giratoria que empuja hacia adelante contra el cuadro de la bicicleta en el cubo, no a la fuerza que se está pedaleando sobre la manivela del pedal, que es transformada por el engranaje.
A menos que el ciclista esté en una velocidad única, no se puede considerar la fuerza aplicada a los pedales, sino solo la fuerza aplicada en el cubo de la rueda.
¿Qué pasa con esas pérdidas que ignoramos anteriormente?
Si la física newtoniana se aplica a las bicicletas (lo hace), Oberth tiene un efecto, pero es pequeño en comparación con la incapacidad de un ciclista para producir la misma fuerza independientemente de la velocidad (una de las razones para impulsar su bicicleta). Las pérdidas por la resistencia al aire nunca son "constantes o insignificantes", al menos en mi experiencia ciclista. Viajar fuera de una atmósfera y con cero fricción del contacto con el suelo hace que el efecto Oberth sea significativo para las fuerzas aplicadas en esas condiciones. Aquí en el suelo, no tanto.
No. El efecto Oberth es puramente una cuestión espacial.
O, más precisamente, es un efecto de impulsarse lanzando masa de reacción hacia atrás.
Creo que esto se explica mejor usando un pequeño experimento mental. Considere a una persona en una patineta. La persona pesa 70 kg y sostiene un peso de 1 kg en la mano. La persona lanza el peso hacia atrás a una velocidad de para aumentar su propia velocidad por . La persona hace un trabajo de
Ahora calculemos la energía del peso y la energía del patinador antes del lanzamiento, así como la energía del peso y la energía del patinador después del lanzamiento. Finalmente, calcule el de todo el sistema y el del patinador. Hago esto para tres casos diferentes:
El patinador está en reposo antes de lanzar.
El patinador se mueve a antes de lanzar.
El patinador se mueve a antes de lanzar.
Ya ves, a pesar de que el trabajo realizado por el patinador es siempre la misma, la ganancia de energía cinética del patinador depende mucho de su velocidad. La diferencia proviene de la cantidad de energía cinética que se elimina del peso cuando se lanza hacia atrás. Esta energía termina como energía cinética del patinador.
El efecto Oberth es que cuanto más rápido va un cohete, más energía cinética se redistribuye entre el cohete y el combustible, lo que se suma al cambio de energía cinética del cohete.
Las bicicletas obviamente funcionan de manera muy diferente: su masa de reacción es efectivamente infinita y siempre inmóvil en el marco de referencia de la tierra (ya que la masa de reacción es la tierra misma). Como tal, un motorista no puede extraer energía de su masa de reacción para aprovechar el efecto Oberth. En cambio, el que un ciclista gana al gastar una cantidad fija de energía disminuye a medida que aumenta su velocidad.
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stu smith