Zusätzliche Kraft wird bergauf zur Gewichtszunahme benötigt

Wie viel bedeutet Gewicht beim Bergauffahren?

Nehmen wir an, ich gehe einen Berg mit 1000 m Höhe hinauf und es ist ziemlich steil: 10%. Nehmen wir auch an, ich kann 250 Watt halten. Kann ich bestimmen, wie viel langsamer (mit der Zeit) ich sein werde, wenn ich dem Fahrrad 1 kg Gewicht hinzufüge? Wie viele Sekunden werde ich verlieren?

Bitte zeigen Sie mir die Formel und Berechnung und können Sie das gesamte Thema näher erläutern.

Vorausgesetzt, Sie machen einen stehenden Start und kommen auf der Spitze des Hügels zum Stillstand. Die einfache Anforderung ist, dass Sie Energie benötigen, um Ihre von unten nach oben zu bewegen. Der größte Teil der benötigten Energie besteht darin, die potenzielle Energie der Nutzlast (Sie und das Fahrrad) zu erhöhen. Im Wesentlichen erzeugen Sie kinetische Energie (Bewegen des Fahrrads), indem Sie chemische Energie in Ihrem Körper umwandeln. Es kommt zu Verlusten aufgrund von Hitze, Reibung mit der Fahrbahnoberfläche und Luftwiderstand.

Ignorieren Sie sie im Moment (sie sind nicht vernachlässigbar, erschweren aber die Berechnung).

Potentielle Energie (PE) = m * g * h

Wo:

m = Masse

g = Gravitationsbeschleunigung

h = Höhe

PE ist proportional zu m, so dass eine Zunahme der Masse um 10% das PE um 10% erhöht. Das heißt, Sie benötigen 10% mehr kinetische Energie, um auf den gleichen Hügel zu gelangen.

Kraft ist geleistete Arbeit (Energie) geteilt durch die Zeit:

P = W / t

Wo:

P = Leistung in Watt

W = geleistete Arbeit oder Energie in Joule

t = Zeit für die Arbeit.

Wenn Ihre Leistung konstant ist, können wir die Gleichung neu ordnen, um zu erhalten

P = (m · g · h) / t

wird:

t = (m · g · h) / P.

Bei konstanter Kraft, Schwerkraft und Hügelhöhe erhöht sich Ihre Zeit proportional zur Zunahme der Masse, die durch die obige Gleichung gegeben ist.

Wenn es keinen Wind gibt, wird der Luftwiderstand umso weniger relevant, je langsamer Sie fahren. Die Reibung nimmt aufgrund der Gewichtszunahme zu. Die Steilheit des Hügels ist bei dieser Berechnung theoretisch irrelevant. Sie gewinnen die gleiche Menge an Energie für das Gravitationspotential, wenn Sie dieselbe Masse auf derselben Höhe haben. Es sollte also theoretisch keine Rolle spielen, ob der Hügel 10% oder doppelt so lang und 5% ist.

Wenn Sie jedoch die Energie erzeugen, die Sie benötigen, um sie aus chemischer Energie zu erzeugen, können Sie nur so viel auf einmal erzeugen. Ihre Muskeln werden ineffizient und daher benötigen Sie auf steileren Hügeln möglicherweise mehr Energie als weniger steile. Auf einem steileren Hügel wird der Windwiderstand möglicherweise weniger relevant, aber das Verhältnis von Leistung (wie viel Energie Sie im Laufe der Zeit abgeben können) zu Gewicht wird zum wichtigsten Faktor.

Ich möchte im letzten Absatz darauf hinweisen, dass die Energie, die Sie benötigen, um in Ihren Körper zu gelangen und damit Ihr Körper sich in Vorwärtsbewegung umwandelt, nicht die gleiche kinetische Energie ist, die erforderlich ist, um Sie auf die Spitze des Hügels zu bringen . Wenn jedoch alle Dinge gleich sind, hat eine Änderung der Masse den gleichen Einfluss auf die Zeit, wie ich in den Gleichungen angegeben habe.

Wenn ich auf einer Fahrt 1 kg Gewicht zum Fahrrad hinzufüge, wie viel langsamer (mit der Zeit) werde ich sein?

Unter der Annahme, dass Sie und Ihr Fahrrad 100 kg (in runden Zahlen) wiegen, führt ein zusätzliches Gewicht von 1 kg zu einer Gewichtszunahme von 1%, dh einer Erhöhung der potenziellen Energie, die mit dem Bergsteigen verbunden ist , um 1% .

Wenn Ihre Leistung konstant ist, bedeutet dies eine Verlängerung der Zeit um 1%.

Ein Teil Ihrer Leistung wird jedoch den Wind- und Rollwiderstand überwinden, nicht die potenzielle Energie. Wenn nur die Hälfte Ihrer Leistung in potenzielle Energie fließt (was vom Gewicht abhängt) und die Hälfte konstant ist (unabhängig vom Gewicht), würde dies meiner Meinung nach eine Verlängerung der Zeit um 0,5% bedeuten.

Macht das Sinn, ich denke nicht, ohne zu sagen, wie viel Watt ich ausbeute, sagen wir, ich mache 250W

Was ich oben geschrieben habe, bleibt von Ihrer Gesamtmacht unberührt. Die Änderung ist eher relativ als absolut: dh 1%, egal von was 1%.

Ein Teil der Handbewegung in meiner Aussage ist "Wenn Ihre Leistung konstant ist": Dies gilt, wenn Sie die Feinsteuerung Ihrer Gänge haben (so dass Sie, wie Sie wissen, um 1% nach unten schalten können, um die Einstellungen anzupassen auf die 1% ige Zunahme des Gewichts und damit des Aufwands).

Die Änderung ist eigentlich nicht linear: Wenn es sich beispielsweise um eine Gewichtszunahme von 1000 kg handelt, dh 1000% statt 1%, müssten Sie so weit runterfahren, dass Sie so langsam fahren, dass Sie nicht bleiben können aufrecht auf einem zweirädrigen Fahrrad. Für relativ kleine Gewichtszunahmen erwarte ich jedoch, dass der Unterschied in der Anstrengung (und daher auch über das oben beschriebene Handwinken der Unterschied in der Dauer) ungefähr linear ist.

Ein Joule ist ein Newtonmeter und auch eine Wattsekunde. Die Schwerkraft beträgt etwa 9,81 Newton / Kilogramm.

Das Anheben von 1 Pfund 1000 Fuß würde das Anheben von 0,4536 kg 304,8 Metern bedeuten. Das wären also 9,81 * 0,4536 * 304,8 = 1356 Joule oder 1356 Wattsekunden.

Ihre maximale anhaltende Energieabgabe liegt wahrscheinlich im allgemeinen Bereich von 300 Watt (und "Cruisen" wäre ungefähr halb so hoch), sodass Sie Ihre gesamte Energie für etwa 4,5 Sekunden verbrauchen müssten, um dieses eine Pfund 1000 Fuß zu erhöhen. (Oder, um es in die richtige Perspektive zu bringen, ungefähr 19 Minuten, um ein 250-Pfund-Fahrrad + Fahrer 1000 Fuß zu heben.)

Für Ihre angenommenen 250 Watt wären dies 5,4 Sekunden für ein Pfund oder 22,6 Minuten für 250 Pfund. Dies würde eine Geschwindigkeit auf einer Entfernung von 10.000 Fuß von ungefähr 5 Meilen pro Stunde erzeugen. (Beachten Sie, dass ein Abfall unter 200 Watt eine Geschwindigkeit erzeugt, die zu langsam ist, um aufrecht zu bleiben, insbesondere angesichts der Tatsache, dass je langsamer Sie fahren, desto mehr Energie Sie aufwenden müssen, um aufrecht zu bleiben.)

Dies ignoriert natürlich Wind- und Rollwiderstandsverluste und damit die Zeit, die erforderlich ist, um die Strecke auf ebenem Boden zurückzulegen. Der Rollwiderstand wäre ungefähr der gleiche wie auf ebenem Boden, aber der Windwiderstand wäre geringer, da Sie sich langsamer bewegen und der Windwiderstand im Allgemeinen der größere von beiden ist. Sie müssen also zu den oben genannten Zeiten vielleicht 1/2 oder 2/3 der Zeit hinzufügen, die Sie benötigen würden, um dieselbe Strecke auf ebenem Boden zurückzulegen. Bei einer Steigung von 10% wäre dies die Zeit, um 10.000 Fuß oder etwa 1,9 Meilen zurückzulegen. Bei 15 Meilen pro Stunde wären das noch etwa 7,5 Minuten, also fügen Sie vielleicht die Hälfte hinzu.

Ratten - Ich habe gerade festgestellt, dass die Frage in kg und Metern angegeben wurde ...

"Wenn ich auf einer Fahrt (von 10.000 Metern bei 10%) 1 kg Gewicht zum Fahrrad hinzufüge, wie viel langsamer (mit der Zeit) werde ich sein (unter der Annahme einer Leistung von 250 Watt)?":

Das wären 9,81 * 1 kg * 1000 Meter * = 9810 Wattsekunden. Bei 250 Watt ist dies eine zusätzliche Zeit von 38,84 Sekunden, da 1 kg hinzugefügt werden.

Und mir fällt ein ... dass man die gleichen Berechnungen rückwärts verwenden könnte, um die Leistung bei einem Gewicht, einer Durchschnittsgeschwindigkeit und einer durchschnittlichen Steigung grob zu berechnen. Dies wäre wahrscheinlich genauer als viele andere Leistungsschätzungsschemata.

Wie bereits in den anderen Antworten erwähnt, ist ein zusätzliches Kilogramm eher vernachlässigbar, wenn es nur um die zusätzliche potenzielle Energie geht, die Sie benötigen. Es gibt aber auch andere Faktoren, bei denen die Wirkung mehr oder weniger groß sein kann.

Erstens reagiert Ihr Körper nicht unbedingt linear auf höhere Belastungen. Solange Sie sich in einer Region befinden, in der Sie ohne merkliche Ermüdung bergauf fahren können, sind Sie bei gleicher Leistung nur etwas langsamer. Aber wenn der Aufstieg Sie auch ohne das zusätzliche Gewicht an Ihre Grenzen bringt, bringt Sie jedes zusätzliche Gramm etwas früher an Ihr Limit und macht es schwieriger, weiterzumachen.

Auch die Masse spielt jedes Mal eine wichtige Rolle, wenn Sie sie auf irgendeine Weise beschleunigen müssen. Einige Dinge, über die ich nachdenke, sind:

• Glätte der Steigung: Die Annäherung, die nur die potentielle Energie betrifft, funktioniert umso besser, je glatter die Steigung ist. Wenn Sie auf einem ständig geneigten, asphaltierten Hang hinauffahren, wo Sie davon ausgehen können, dass Sie mit nahezu konstanter Geschwindigkeit fahren, sollte es keinen großen Unterschied geben. Wenn Sie jedoch auf einem Weg Mountainbike fahren, auf dem Sie viel "Action" auf dem Fahrrad haben (Stufen hochklettern, Traktion auf lockerem Boden halten, zwischen steileren und flacheren Abschnitten wechseln), kann dies anders sein.

• "Ort" des zusätzlichen Gewichts: Es kann einen Unterschied machen, wo Sie das Gewicht hinzufügen. Der größte Effekt ist, wenn Sie zusätzliches Gewicht auf rotierende Teile (Räder, Antriebsstrang) haben. Aber auch ein schwereres Fahrrad selbst fühlt sich weniger reaktionsfreudig an, wodurch Ihre Muskeln schneller müde werden, wenn Sie während des Aufstiegs viel mit dem Fahrrad zu tun haben (daher hängt dies wiederum mit der Laufruhe zusammen). Wenn Sie stattdessen das zusätzliche Gewicht in Ihrem Rucksack hätten, hätte dies einen viel geringeren Effekt.

Fazit: Nur unter dem Gesichtspunkt der zusätzlichen potenziellen Energie macht dies möglicherweise keinen großen Unterschied. Wenn Sie jedoch das Fahrverhalten oder die Ermüdung in der Nähe Ihrer Grenzen betreffen, hat dies einen größeren Effekt.