¿Qué hace que correr sea mucho menos eficiente energéticamente que andar en bicicleta?

Una palabra: inercia. Cuando conduce una bicicleta en una pendiente nivelada, solo necesita darle un empujón para ponerse en marcha, luego puede deslizarse por un buen rato antes de que la fricción y la resistencia del aire lo frenen. En otras palabras, las ruedas relativamente sin fricción significan que la energía cinética de la bicicleta no se disipa rápidamente. Pero el cuerpo humano no tiene ruedas, así que mientras corres tienes que dar una buena patada para ponerte en marcha, y luego otra patada para seguir con el siguiente paso, y así sucesivamente. Cuando hay colinas de por medio la diferencia es aún más pronunciada, ya que corremos cuesta abajo de la misma manera que lo hacemos en el llano, empujándonos continuamente hacia adelante; mientras que en una bicicleta puedes aprovechar la pendiente y simplemente descender por ella.

Sospecho que subir y bajar su centro de masa no es tan ineficiente como han sugerido las otras respuestas. Esto se debe a que tus piernas son elásticas, por lo que al menos hasta cierto punto solo estás convirtiendo energía de un lado a otro entre el potencial gravitacional y la fuerza de resorte en tus piernas. Los humanos somos posiblemente los corredores de larga distancia más eficientes del reino animal. Hay una escuela de pensamiento que dice que la razón por la que somos bípedos es que evolucionamos como cazadores de resistencia, persiguiendo a nuestra presa hasta que colapsó por agotamiento en lugar de tratar de dejarla atrás en distancias cortas. Si eso es cierto o no, probablemente no haríamos todo ese rebote si no hubiera una buena razón para ello.

Podría preguntarse por qué, si usar ruedas es mucho más eficiente, ¿no lo desarrollamos en su lugar? No lo sé, pero parece que ningún animal ha podido desarrollar la locomoción sobre ruedas.

Muchos de nosotros hemos montado en bicicleta alguna vez en nuestras vidas. y, de hecho, este modo de transporte se ha vuelto notablemente más popular recientemente como resultado de la escasez de energía. Cada mañana en mi propia universidad, Duke, se puede ver gente montando máquinas con masas de$10$a$20$kilogramos y luchando por llegar a una de las entradas del campus en la cima de una colina larga y empinada. Como en muchos otros aspectos de la locomoción animal, aquí hay una paradoja. ¿Por qué la gente debería cargarse con aparatos tan pesados, particularmente cuando va cuesta arriba? Hágale esta pregunta a un ciclista y la respuesta suele ser: "Es más fácil que caminar" o "Es más rápido que caminar". Pero, ¿por qué debería serlo?

Se ofrecen varias explicaciones incorrectas: "Una bicicleta tiene engranajes". El cambio de marchas permite al ciclista variar la velocidad a la que se mueven los pies; pero incluso si las velocidades de los pies de un ciclista y un peatón coinciden, el ciclista aún va más lejos y en menos tiempo con una cantidad dada de energía que el peatón. "Tu peso es soportado por el asiento". Pero si pedaleas de pie, andar en bicicleta sigue siendo más rápido y menos costoso en energía que andar a pie. "Tu centro de gravedad no sube y baja". Pero lo hace si pedaleas de pie. ¿Por qué, entonces, es más fácil andar en bicicleta que caminar o correr?

[…]*

Ahora podemos apreciar por qué los ciclistas están dispuestos a impulsar el peso extra de una bicicleta, incluso cuando van cuesta arriba. El coste del transporte en bicicleta es bajo porque los músculos activos no se estiran al pedalear y la eficiencia muscular media es de aproximadamente$.25$, casi su valor máximo. Las ruedas estabilizan el centro de masa del ciclista. Incluso si el ciclista acelera el centro de masa verticalmente pedaleando mientras está de pie, no es necesario estirar los músculos activos. Cuando el centro de masa cae, las manivelas, las ruedas dentadas, la cadena y la rueda trasera constituyen un sistema de palancas que traspone el movimiento vertical a uno horizontal mediante el suministro de una fuerza perpendicular. Por lo tanto, los humanos pueden usar maquinaria externa para moverse a lo largo de una superficie nivelada con las mismas eficiencias musculares que los animales que nadan y vuelan logran naturalmente.

El costo energético de moverse: caminar y correr son formas de locomoción extremadamente ineficientes. Las aves, los peces y los ciclistas logran una eficiencia mucho mayor. VA Tucker, científico estadounidense, vol. 63, núm. 4 (julio-agosto de 1975), págs. 413-419

*Por supuesto, la mayor parte del artículo es donde pongo "[...]". Es una lectura bastante buena y divertida. Incluso hay una especie de experimento galileano en el que se arrojan palomas y ratas desde las alturas.

• Las bicicletas hacen un mejor uso de la inercia/impulso. Como dijo Nathaniel, un empujón y puedes deslizarte por un buen rato. Eso simplemente no es posible mientras se ejecuta.

• Correr desperdicia energía moviéndose hacia arriba y hacia abajo. Además de avanzar, correr requiere un empuje considerable hacia arriba para que tu cuerpo se eleve, lo que te da tiempo para llevar el otro pie hacia adelante. Luego te amortiguas y saltas hacia adelante y hacia arriba nuevamente. Si bien andar en bicicleta tiene un componente de arriba y abajo en el pedaleo, debido a que la bicicleta no se levanta del suelo, la energía que usa al pedalear se convierte de manera mucho más eficiente en movimiento hacia adelante.

• Andar en bicicleta puede traducir el peso en propulsión. Si bien la mayoría de los ciclistas serios le dirán que pedalear se trata de girar, no de pisar, cualquier niño de 10 años puede decirle que ir con el trasero en el aire y transferir su peso de izquierda a derecha lo pone en marcha bastante rápido.

• Pedalear con clips en los dedos hace uso de todo el movimiento de la pierna. Cuando sus pies están bloqueados en los pedales, no se utiliza solo la parte de empujar hacia abajo del golpe del pedal; levantar el pie, empujarlo hacia adelante, empujar hacia abajo y empujar hacia atrás, mantiene la tensión en esa cadena y, por lo tanto, agrega potencia al golpe. Cuando corres, la mitad del ciclo de tu pie es energía desperdiciada desde una perspectiva de movimiento hacia adelante.

• Andar en bicicleta te da una ventaja mecánica. Incluso con una bicicleta de una sola marcha, el movimiento de su pie se magnifica cuando se traslada a la rueda. En una bicicleta de varias velocidades, la relación entre la marcha superior es bastante alta. Esto permite dos cosas; primero, su esfuerzo se magnifica, y segundo, su ritmo se ralentiza, lo que reduce la cantidad de energía desperdiciada moviendo el peso de sus piernas.

• Correr requiere contracciones musculares intensas con un ciclo de trabajo bajo, mientras que andar en bicicleta requiere contracciones largas y suaves. Si te esfuerzas en correr, puedes llegar fácilmente al punto en el que ya no es un desafío aeróbico, pero sigue siendo difícil: apenas tienes que respirar, pero las piernas luchan con la acumulación de ácido láctico.

• Correr gasta mucha más energía en movimientos compensatorios: el corredor tiene que mover el torso y los brazos para compensar el movimiento de patadas de las piernas. El movimiento de la pierna no es simétrico al correr: la patada hacia adelante de la pierna que se recupera es más rápida que el movimiento hacia atrás de la pierna de avance, por lo que el brazo del mismo lado que la pierna que se recupera tiene que balancearse hacia atrás para compensar su movimiento. La compensación en una bicicleta se limita principalmente a un balanceo de lado a lado durante un esfuerzo intenso.

• El corredor básicamente vuela por el aire, pero periódicamente baja y toca el suelo con un pie, y luego ejerce una fuerza para volver a subir en el aire. Sin embargo, esto no se logra mediante un rebote elástico eficiente. La energía de aterrizaje se disipa, en lugar de almacenarse y reutilizarse. De hecho, el corredor debe ejercer energía para absorber el aterrizaje y luego ejercer más energía para volver al aire. El corredor desperdicia así una energía considerable para mantenerse en el aire.

• Dependiendo de la naturaleza de la pisada, el corredor puede estar ejerciendo energía de manera contraproducente que retarda (frena) su movimiento hacia adelante, y luego tiene que ejercer más energía para recuperar el impulso.

Muchas de las respuestas aquí se relacionan con el movimiento de su centro de gravedad, etc. Creo que es mucho más simple que eso.

Cuando vas en bicicleta, tu movimiento vertical sobre los pedales se traduce en un movimiento horizontal de las ruedas, junto con la inercia, una pequeña cantidad de energía puede recorrer un largo camino.

Mientras que mientras corres, estás poniendo energía en moverte horizontalmente, para llegar a lugares, así como verticalmente para reducir la fricción con el suelo. Sin embargo, todo el movimiento vertical lucha contra la gravedad y se desperdicia a medida que su movimiento vertical no lo acerca a su destino.

Esta respuesta asume que la distancia es sobre una superficie plana. Tan pronto como le lanzas un aspecto tridimensional, el sistema se pone de cabeza.

Para el movimiento horizontal, la bicicleta es la mejor ya que sus ruedas están diseñadas para reducir la fricción, a diferencia de los pies.

Sin embargo, tan pronto como llegue a una pendiente, la falta de fricción hará que la bicicleta ruede hacia atrás a menos que se ponga energía constante en el sistema, mientras que la mayor fricción que se tiene al correr permite que cualquiera se detenga y se quede quieto.

Tan pronto como llegue a una pendiente desde parado, correr es mucho más eficiente que andar en bicicleta.

Esto es más fácil de entender si comienza considerando los casos extremos de pendientes pronunciadas cuesta arriba y cuesta abajo.

En realidad no es cierto en todos los casos que correr sea menos eficiente que andar en bicicleta. En el trabajo de Minetti et al. ("Coste energético de caminar y correr en pendientes extremas cuesta arriba y cuesta abajo", DOI 10.1152/japplphysiol.01177.2001.), se descubrió que cuando los corredores de montaña de élite corren cuesta arriba en una cinta rodante, en pendientes superiores a aproximadamente 0,20, la eficiencia se vuelve aproximadamente 0,25, que es la eficiencia de las contracciones musculares concéntricas. ("Concéntrico" significa que la dirección del movimiento es en la misma dirección que la contracción del músculo, como cuando haces un pull-up). Este es un límite superior en la eficiencia de cualquier modo humano de subir cuestas, por lo que dado que los corredores entrenados lo logran, no son menos eficientes que los ciclistas en estas laderas.

En un descenso empinado, un ciclista puede deslizarse mientras los músculos de las piernas gastan cero energía. Correr cuesta abajo consume energía. De hecho, la eficiencia del corredor es negativa, porque la energía potencial gravitatoria del cuerpo de la persona disminuye, mientras que las reservas de energía del cuerpo se agotan. Minetti midió la eficiencia cuesta abajo en pendientes más empinadas que$-0.20$ser - estar$-1.20$, y esta es aproximadamente la eficiencia de los músculos en la contracción excéntrica (como dejarse caer después de una dominada).

Entonces, si podemos entender por qué bajar de un pull-up gasta energía, automáticamente también tenemos una explicación fisiológica de la eficiencia imperfecta de correr cuesta abajo en las pendientes más empinadas, y luego, por interpolación, tenemos una explicación de por qué correr cuesta menos. eficiente que andar en bicicleta en pendientes ordinarias o en llano.

La razón por la que el tejido muscular gasta energía en las contracciones excéntricas es que existen procesos en el cuerpo que disipan el calor cuando un músculo está bajo tensión. Por ejemplo, el cuerpo tiene que quemar combustible para mantener la tensión muscular y también hay fricción interna en el músculo cuando se mueve.

Además de los procesos descritos anteriormente, también existen otros mecanismos de disipación de energía, incluida la disipación de energía en vibración y sonido en la pisada de un corredor.

Para ampliar la respuesta de Nick, cuando corres, saltas un poco para elevar tu centro de masa, lo que te cuesta energía igual a

Ahora, cuando bajas tu centro de masa, la energía se disipa ya que la aceleración vertical ganada al bajar no aumenta tu velocidad horizontal.

Esta es definitivamente una de las causas.

Además, uno puede pensar en el poder disipado, lo que podría darnos más información. Por ejemplo tenemos la siguiente identidad:

Además, supongamos que las pérdidas de potencia en ambos casos son similares y que la potencia de entrada es la misma en ambos casos (después de todo, usamos músculos similares en ambos casos).

Ahora tenemos una velocidad muy diferente en ambos casos, y probablemente también podríamos estar de acuerdo en que se produce mucha más fuerza si corremos, ya que podemos acelerar hasta nuestra velocidad máxima muy rápidamente. Hasta aquí todo concuerda con las fórmulas.

Ahora podemos convencernos fácilmente de que, aunque la eficiencia sea similar en ambos casos, la pérdida de energía al correr sería mayor porque lo hacemos durante más tiempo para la misma distancia recorrida.

Se debe a la ineficacia biológica de mantener la restricción mecánica de un pie inmóvil con respecto al suelo, con el resto del cuerpo en movimiento.

Supongamos que un patinador sobre hielo y otro sobre ruedas utilizan aproximadamente la misma cantidad de energía para llegar a decir 5 km/s. Ambos poseen un mecanismo diferente, pero eficiente en comparación con caminar, que mantiene esa velocidad, mientras satisface cualquier restricción mecánica. Para el de rodillos, el punto de contacto entre el suelo y un rodillo debe ser estacionario. Para caminar, el pie en contacto con el suelo debe estar estacionario, y el mecanismo biológico para esto introduce pérdidas biológicas mucho mayores.

Sin embargo, existen modos de transporte biológico mucho más eficientes, como el salto , como en el caso de los canguros, que utiliza la mitad de la energía de un corredor de maratón. La energía cinética se convierte en energía potencial en los tendones mientras se mantiene la restricción mecánica, y la mayoría se vuelve a convertir en energía cinética al salir del suelo.

Una suposición rápida sería que, para correr, estás levantando tu centro de masa con cada paso, mientras que para andar en bicicleta, tu centro de masa tiene una altura constante. Por lo tanto, solo está trabajando contra la resistencia del aire/fricción en la mecánica de la bicicleta. Mientras corres también estás trabajando contra la gravedad.

La diferencia está en el mecanismo subyacente que transforma la energía química en energía cinética del vehículo o cuerpo. La respuesta es que el mecanismo de la bicicleta (por tener ruedas, etc.) es capaz de transformar mejor esta energía.

Un análogo clásico es la palanca o una polea. Uno puede usar una palanca o una polea para levantar un peso que sería muy difícil (o incluso imposible) de levantar con las manos desnudas.

Entonces, para mantener la misma velocidad promedio con una bicicleta, se necesita usar menos energía química (que correr) y, como resultado, producir menos calor.

" Dame un lugar para pararme y puedo mover la tierra "

                                            -- Arquímedes sobre el principio de la palanca (supuestamente)

Una respuesta relacionada sobre el principio de la palanca mecánica (y variaciones)

Como ya hay respuestas que lo explicaron muy bien, podemos tener una analogía para entenderlo mejor.

Considere que la rueda cuadrada somos nosotros y la rueda redonda es el ciclo. Ahora intentemos girar la rueda cuadrada. Cuando lo haga, una fuerza normal actuará desde el borde derecho de la rueda en lugar del centro para evitar que se caiga. (El par actuará en la dirección opuesta y evitará que gire). Entonces, la única opción posible es levantar esta rueda en el aire y pasar al siguiente paso.

Pero en el caso de una rueda redonda, la reacción normal siempre actúa en el punto más bajo de la rueda y el par debido a la fuerza normal siempre será cero. Por lo tanto, no hay fuerza que actúe sobre la rueda redonda para detener su rotación. Debido a esto, una vez que se empuja una rueda redonda, seguirá girando sin más fuerza. (Ya que no hay una fuerza opuesta actuando).

Ahora, si comparamos ambas ruedas, levantar una rueda y dejarla en cada paso siempre consumirá más energía o requerirá más trabajo.

Creo que las razones principales son:

1. Tenemos patas pesadas diseñadas más para escalar o caminar lento donde pueden balancearse como un péndulo.
2. Tenemos que arrancar y parar nuestras piernas usando nuestros músculos, mientras que la manivela de una bicicleta recicla el impulso como el cigüeñal de un motor recicla el de los pistones.
3. Nuestros músculos no reciclan la energía que se les devuelve. En otras palabras, no tenemos frenado regenerativo. De hecho, desperdiciamos un poco de energía deteniendo algo, empujándolo o sosteniéndolo sin moverlo, un poco como las pérdidas de resistencia (pérdidas de cobre) en un actuador de solenoide. Si bien los músculos son eficientes, no los usamos de manera eficiente cuando corremos.