¿Por qué es mucho más difícil andar en bicicleta cuesta arriba que empujarla?

El título lo dice todo. Desde el punto de vista de la física, la gravedad es una fuerza conservativa, por lo que la cantidad de trabajo realizado debería ser la misma y, sin embargo, una opción es mucho más agotadora que la otra. Es especialmente extraño si consideramos la fricción, ya que la fricción rodante es menor que la fricción estática, lo que debería implicar que andar en bicicleta cuesta arriba hace (ligeramente) menos trabajo. Entiendo que es por el rozamiento que si el terreno es llano, andar en bicicleta es más fácil que empujar una bicicleta.

Aquí hay algunas hipótesis en las que he pensado:

  1. Si una persona está de pie sobre un plano inclinado, probablemente esté inmóvil (debido a la fricción). Pero una bicicleta rodará hacia abajo. Esto constituye una fuerza extra que un ciclista tiene que vencer.
  2. Algo relacionado con el cuerpo humano, es decir, si reemplazamos al ciclista con una máquina, entonces hará la misma cantidad de trabajo en ambos sentidos.
  3. Algo que tiene que ver con el cuerpo humano, en el sentido de que si tuviéramos un ciclista de nivel olímpico, no tendría problemas para subir la colina. En otras palabras, solo me siento más cansado porque no estoy en forma.
  4. El cansancio se correlaciona con el poder (físico "poder" - trabajo realizado / tiempo empleado). Uno no puede andar en bicicleta lentamente cuesta arriba, ya que la bicicleta no se mantendrá erguida; por el contrario, si uno monta la bicicleta más rápido que empujando la velocidad, hay una diferencia en el poder.

Encuentro que el n. ° 1 no es convincente, ya que parece estar contando dos veces la fuerza de "rodar hacia atrás" junto con la gravedad. #4 suena razonable pero en terreno llano las cosas se invierten, lo cual es contradictorio. Los otros dos son plausibles. ¿Alguien sabe si alguno (o ambos / ninguno) son correctos?

La pregunta pregunta por qué X es verdadero, donde X es falso o no está claramente definido. Importa en qué marcha estás. En una marcha lo suficientemente baja, X es falso.

Respuestas (4)

Los engranajes de la bicicleta están configurados de modo que una gran fuerza sobre una distancia más corta en el pedal da una fuerza más pequeña sobre una distancia más larga en la rueda. Esto es lo contrario a la mayoría de las máquinas, por ejemplo. un gato de tornillo o un cabrestante en el que aplica una fuerza menor en una distancia más larga para mover una carga mucho más pesada.

Normalmente, cuando estás navegando al nivel que quieres, la fuerza necesaria en el volante para superar la resistencia y la fricción es baja en comparación con la fuerza con la que puedes empujar fácilmente el pedal. Pero al ir cuesta arriba llegas al punto en el que para moverte lo suficientemente rápido como para mantenerte erguido tienes que poner mucha fuerza en el pedal.

Algunas bicicletas de montaña extremas tienen relaciones de transmisión bajas <1, por lo que hay menos fuerza en el pedal que en la rueda: tienes que girar para moverte a paso de tortuga.

Sin embargo, ¿no debería el trabajo realizado ser independiente del engranaje? Esto parece implicar que el cansancio se correlaciona con la fuerza ejercida, no con el trabajo total realizado.
Sí, el trabajo es constante, pero el poder y la fuerza no lo son. Necesita levantar la bicicleta cuesta arriba a cierta velocidad = cierta potencia (trabajo/tiempo). Si esto es más energía (fuerza * distancia) de la que puede aplicar en el pedal, se vuelve imposible.
Además, tenga en cuenta que el gasto de energía de los cuerpos no necesita ser constante para todas las velocidades/potencias. Me imagino que el cuerpo es más eficiente en ciertos "ajustes" de potencia.
Puede reducir la marcha para obtener más torque, pero en algún momento la velocidad de avance se reduce tanto que equilibrar la bicicleta requiere el esfuerzo adicional de tener que usar movimientos de dirección oscilantes para permanecer en posición vertical.

Siendo un ciclista de 65 años que vive en la cima de una colina empinada, estoy muy familiarizado con este problema. Cuando empuja una bicicleta cuesta arriba a pie, se está moviendo cuesta arriba muy lentamente y la potencia requerida para hacer esto es menor que la requerida para andar en bicicleta (es decir, ir lo suficientemente rápido para mantener la bicicleta en posición vertical) en la misma colina. .

En terreno plano, las cosas se invierten, pero por una razón diferente. Imagina que estás tratando de empujar tu bicicleta a la carrera e ir tan rápido como puedas mientras la conduces. Incluso con el máximo esfuerzo, simplemente no puede hacer eso porque no puede mover las piernas hacia adelante y hacia atrás lo suficientemente rápido, cargar su propio peso y empujar la bicicleta, todo al mismo tiempo. Debido a que la bicicleta te permite cambiar de marcha a medida que vas progresivamente más rápido, no tienes que mover las piernas hacia adelante y hacia atrás a una velocidad físicamente imposible para ir rápido en la bicicleta; simplemente seleccionas una marcha más alta. Además, no tiene que soportar su propio peso mientras está en la bicicleta, y puede tomar un descanso mientras monta por inercia momentáneamente.

No estoy seguro de entender su explicación de la situación inversa en terreno llano. La persona en la bicicleta podría andar en bicicleta a un ritmo pausado, que debería ser más lento que la velocidad máxima a la que puede ir la persona que corre. Pero la persona que corre se cansará mucho más rápido. Alternativamente, el ciclista podría ir más rápido (= mayor KE = mayor trabajo realizado), y de nuevo se sentiría menos cansado (?).
Mi punto es que se necesita menos trabajo para viajar en una bicicleta en un terreno llano que para correr a la misma velocidad en un terreno llano.

La fricción se define como

F = m N

Dónde m es el coeficiente de fricción, ya sea estática o cinética, y N es la fuerza normal .

Cuando uno camina cuesta arriba, los músculos de las piernas soportan principalmente el peso corporal de manera eficiente, el pie hace un contacto mínimo y el peso corporal se transfiere cuesta arriba. Empujar una bicicleta utiliza los músculos de la mano para transferir una fuerza, las ruedas de la bicicleta hacen el mínimo contacto con la superficie de la carretera, la resistencia a la rodadura

Mi opinión es (ya que ni siquiera ando en bicicleta, y mucho menos cambio de marcha en una bicicleta) que el gasto de más energía (más difícil) se debe a una mayor fricción. Es decir, la suma de las fuerzas de fricción "peso en los pies" + "bicicleta rodante", es menor que la fricción en "cuerpo + pesos de la bicicleta" en la bicicleta rodante. La razón: el peso aplanará el contacto de la rueda con el asfalto, haciendo que la fricción de "rodamiento" sea mayor, por lo que en total se necesita hacer más trabajo.

Incluso cuesta arriba, creo que una bicicleta es más eficiente que caminar. La resistencia a la rodadura es muy pequeña en comparación con la energía desperdiciada al caminar levantando y bajando el cuerpo en cada paso.
@MartinBeckett bueno, en el extremo, para llantas mal infladas, las 150 libras adicionales harían una gran diferencia. Un andador eficiente mantiene el centro de masa del cuerpo a un nivel (o un ángulo fijo si está en una pendiente) piensa, al sincronizar la elevación de los pies, sólo en el baile uno sube y baja. consulte este enlace.springer.com/article/10.1007/s11633-017-1088-5
Pero siempre mantengo los neumáticos de mi bicicleta completamente inflados, pero modelo mi paso cuesta arriba (y alpino) en The Sound of Music ;-)

Tus piernas fueron hechas para correr. Eso es lo que tienen que hacer, o uno de estos días los leones te morderán.

Los conjuntos de músculos algo diferentes están involucrados en andar en bicicleta cuesta arriba o subir escaleras en comparación con caminar o correr. Al andar en bicicleta, el extensor de la cadera (glúteo mayor) hace la mayor parte del trabajo. Al caminar relajado, el flexor de la cadera (psoas) balancea el muslo hacia adelante, pero el glúteo es perezoso. El extensor de la rodilla (cuádriceps) y el flexor (isquiotibiales) son importantes en todas estas actividades.