Trabajar horas extra; humanos contra automóviles

Puede crear cualquier cantidad de torque con sus propias manos. Solo elige una palanca lo suficientemente larga. Arquímedes dijo la famosa frase: "Dame un lugar para pararme y con una palanca moveré el mundo entero". (fuente: Wikiquote ). Tenga en cuenta que Arquímedes no dijo nada sobre la velocidad a la que puede mover el mundo entero; simplemente dijo que, en principio, puede mover el mundo entero.

Sin embargo, la limitación aquí es la potencia, no el par. La velocidad a la que se mueven sus manos o pies es limitada, y una vez que esté operando cerca de su potencia máxima, es posible que no pueda ser tan fuerte como cuando no se mueve en absoluto.

Las palancas y los engranajes pueden cambiar la fuerza o el par (el equivalente rotacional de la fuerza), pero ninguno puede cambiar la potencia. El poder es algo fundamental que debe provenir de una fuente de energía.

Hay dos fórmulas útiles: la potencia es la velocidad de rotación (en radianes por segundo) multiplicada por el par o, alternativamente, la potencia es la velocidad lineal multiplicada por la fuerza. Las palancas funcionan modificando la velocidad y la fuerza en direcciones opuestas; el resultado final es que su producto es el mismo. Gears funciona de manera similar al modificar la velocidad de rotación y el par en direcciones opuestas; de nuevo, su producto sigue siendo el mismo.

Acerca de los niveles de torque: con una manivela de 170 mm, un ciclista fuerte de peso pesado que pesa 100 kg, empuja hacia arriba con la zapata trasera a 30 kg (y empuja hacia arriba con la zapata delantera a 30 kg adicionales) y tira hacia arriba desde el manubrio a 25 kg , puede llegar a 310 Nm: (100 kg + 30 kg + 30 kg + 25 kg) * 9,81 m/s^2 * 0,17 m = 308,52 Nm. Los engranajes pueden multiplicar esto: por ejemplo, el engranaje delantero de 22 dientes y el engranaje trasero de 32 dientes le dan 449 Nm. Por lo tanto, no solo puede crear un par de más de 390 Nm con las manos desnudas, sino que también puede hacerlo en una máquina práctica, una bicicleta, con los pies.

¡Pero de ninguna manera un ciclista puede producir 110 caballos de fuerza! Un ciclista está limitado a alrededor de 1 caballo de fuerza en ráfagas cortas y alrededor de un tercio a la mitad de un caballo de fuerza en duraciones más largas.

Entonces, ¿en qué se diferencia el motor de un automóvil de las palancas prácticas y las bicicletas impulsadas por las manos o los pies? ¡Es la tasa de rotación! Los motores de los automóviles giran tan rápido que de ninguna manera podría producir una rotación tan rápida con las manos o los pies. Sin embargo, los niveles de fuerza y ​​torque en los motores de los automóviles son similares a los que puede producir con sus manos y pies en aplicaciones prácticas.

El motor crea esos 390 Nm por rotación y, con el par máximo del volante (≈ 2000 RPM), gira unas 33 veces por segundo.

Teniendo en cuenta el trabajo a lo largo del tiempo, eso da como resultado unos 110 caballos de fuerza.

Estoy de acuerdo:

Power = Torque × Angular Speed
      = 390 Nm × ( 2,000 rev/min × 2π rad/rev × 1/60 min/s )
      = 81680 W
      = 110 hp

Pero si tiene una bicicleta con pedales, digamos a 0,5 m del centro para fines de cálculo, se podrían generar 390 Nm creando 780 newtons de fuerza a medio metro del centro. Eso es alrededor del equivalente de mi peso. ¿Cómo es entonces que el motor puede empujar un coche de 1,6 toneladas a 230 km/h, pero yo apenas puedo hacer una cuesta empinada?

Hay algunas partes de esto:

• Ningún ser humano puede autoalimentar los pedales de una bicicleta para girar 33 veces por segundo...

  ... y mucho menos 3 revoluciones por segundo, especialmente a ese nivel de par.

• 0,5 m es un poco exagerado...

  ... incluso por un centavo .

  Por lo tanto, necesitaría aún más fuerza para mantener cualquier nivel de torque.

• La masa no afecta la velocidad máxima...

  ... sólo aceleración.

  Esta es una consecuencia directa de la primera y segunda leyes de Newton. Los factores limitantes para un vehículo de carretera típico son la resistencia aerodinámica, la fricción de la carretera y las pérdidas del tren motriz.

Creo que tienes tus cálculos al revés. A 0,5 m del centro, necesitaría cortar el 390 en 1/2... hasta 195 Nm. En realidad, el pedal está a solo 0,2 m del centro, lo que lo reduce a aproximadamente 1/5 de los místicos 390 Nm, o 78 Nm en su ejemplo. Además, en realidad, si buscara en Google cuántos caballos de fuerza puede desarrollar un ser humano , encontraría la siguiente información:

Al considerar el equipo impulsado por humanos, un ser humano saludable puede producir alrededor de 1,2 hp brevemente (consulte los órdenes de magnitud) y mantener alrededor de 0,1 hp (74,57 W) indefinidamente; los atletas entrenados pueden manejar hasta aproximadamente 2,5 hp (1,85 kW) brevemente y 0,35 hp (260 W) durante un período de varias horas.

Teniendo en cuenta que incluso el más mínimo de los automóviles puede producir más de 60 hp , nos están superando con creces a los míseros humanos. Luego pones el engranaje en la ecuación (con qué automóviles es el gran ecualizador) comienzas a ver cómo un automóvil no solo puede ponerse en marcha, sino que puede mantenerse a velocidades más altas durante períodos sostenidos de tiempo, donde como humano tiene dificultades mover una bicicleta por la carretera durante un período apreciable de tiempo.

No estoy seguro de las cifras citadas ya: el ciclista Chris Boardman mantuvo 450 W durante una hora, vea aquí:

https://books.google.ch/books?id=j3x9AwAAQBAJ&pg=PA73&lpg=PA73&dq=chris+boardman+power&source=bl&ots=lVKLHbUAM9&sig=yT5fwNBGiB_nK48J2juyf6nT97s&hl=en&sa=X&ved=0ahUKEwjHhp7hlZvWAhWMCBoKHcjIB-UQ6AEIOjAD#v=onepage&q=chris%20boardman%20power&f= falso