Efficacité du pédalage à vélo

Sam T

Efficacité du pédalage à vélo


Considérez un vélo à plusieurs vitesses. Supposons que vous soyez dans une position de départ avec quelqu’un tenant votre vélo en position verticale (donc lorsque vous démarrez, il n’y a pas de problème avec l’attache, etc.). Il est bien connu (et facilement testable) que si vous commencez à vitesse réduite, vous accélérez plus vite qu’à vitesse élevée. (Évidemment, si vous commencez avec le rapport le plus bas et que vous avez un VTT d’escalade, vous devrez changer de rapport, ce qui peut vous ralentir, etc. – pour ignorer cela, supposez que vous êtes sur un vélo de route et que vous utilisez un rapport pas trop bas, etc. .)

Maintenant, si le vélo (et votre corps) est (sont) parfaitement efficace, alors appliquer la même quantité de force sur une distance donnée donne le même travail. Cependant, cela pourrait être fait à un rythme (puissance) différent. (Le corps humain produit-il à une certaine puissance ou est-ce le travail effectué?) Cependant, ce résultat n’est clairement pas réalisé, il doit donc y avoir des inefficacités. Voici quelques exemples auxquels je peux penser (principalement le premier puis les deux suivants):

  1. Couple. Ai-je raison de penser que changer de vitesse est très similaire à la situation, par exemple, de défaire un écrou et un boulon avec une clé et de changer la longueur de la clé. (Pensez également à ouvrir une porte en poussant à différents endroits (horizontalement) sur la porte.)

  2. Le corps est beaucoup plus efficace en utilisant la cadence optimale qu’une très mauvaise cadence. Par exemple, pousser très fort et lentement est inefficace: l’effort supplémentaire ne se traduit pas par une puissance supplémentaire; de même, si la cadence est trop élevée, vous ne pouvez pas déplacer vos jambes vers le haut puis vers le bas assez rapidement pour donner la vitesse requise.

  3. Une tension très élevée sur la chaîne est inefficace (« consomme » beaucoup de puissance).

  4. Une rotation très rapide / lente des jambes peut entraîner une perte d’équilibre, donc des efforts peuvent être consacrés à essayer de maintenir cela.

Y a-t-il quelque chose qui me manque, ou s’agit-il simplement des principales choses?

Toute idée serait appréciée! 🙂 – Merci!

Le photon

« appliquer la même quantité de force donnera la même accélération » — Je ne suis pas sûr que ce soit le cas ici, car des rapports de vitesse différents signifient que la même force appliquée à la pédale entraîne une force différente appliquée par le vélo à la sol.

Sam T

C’est ce dont je n’étais pas sûr. Mais la différence n’est pas la force, si elle est complètement efficace, sûrement? Il peut y avoir une différence de couple. Considérez par exemple si vous poussez une porte très près du cadre: pousser très fort ne fait pas grand-chose, tandis que pousser pas très fort sur le bord le déplace facilement.

Sam T

L’énergie est conservée, donc étant donné la production d’une certaine quantité d’énergie, la même quantité de travail doit être effectuée. Mais le travail est une force multipliée par la distance – peu importe la vitesse à laquelle il est fait (puissance). Ainsi, peut-être, la même quantité de travail est effectuée, juste sur une plus longue période de temps?

Sam T

Ah je viens de réaliser une autre chose clé que j’ai ajoutée (maintenant numéro 1) dans la liste.

Hot Licks

Cette question pourrait être mieux répondue dans bicycles.stackexchange.com

Réponses


 Hot Licks

La question est assez complexe, mais il y a plusieurs choses assez simples à observer:

Tout d’abord, le vélo standard, en tant que machine, est assez efficace. Très peu d’énergie est perdue dans la « chaîne cinématique », la grande majorité de l’énergie « perdue » (apport d’énergie mécanique à la manivelle qui n’est pas convertie en impulsion) est dépensée sous forme de frottement de l’air ou de frottement entre le pneu et la chaussée.

Le corps humain, d’autre part, est souvent une machine incroyablement inefficace. Non seulement il y a de simples préoccupations d ‘ »efficacité énergétique » – combien de calories de nourriture, disons, il faut pour produire un erg de « travail » – mais il y a aussi des problèmes majeurs de « durabilité » et d’ « endurance », à la fois dans le court terme et le long terme.

Le corps humain moyen a tendance à avoir un « point idéal » pour le vélo où la cadence est (selon l’individu et les circonstances) quelque part entre peut-être 60 et 90 tr / min. Faire du vélo dans la plage «douce» pour l’individu produit une grande quantité d’énergie (mais peut-être pas l’énergie «maximale») et, plus important encore, minimise la fatigue et optimise l’endurance (telle que mesurée, par exemple, dans l’énergie totale produite dans un cycle donné 24). -heure, y compris le repos, manger, dormir, etc.).

En termes de rapport de vitesse, en plus de déterminer la cadence sur un sol relativement plat, cela affecte aussi bien sûr l’escalade. Un individu est limité quant au couple total qu’il peut placer sur les manivelles du vélo, et donc quel degré d’inclinaison il peut grimper à un rapport de vitesse donné. L’abaissement du rapport de transmission réduit (évidemment) le couple nécessaire pour faire tourner les manivelles et permet ainsi de monter une pente plus raide. Ici, le « sweet spot » (pour une montée relativement courte) est en dessous du sol « sweet spot », mais il y en a toujours un.

Lorsque l’on considère la cadence à la fois sur un terrain plat et en montée, il faut tenir compte du fait que les muscles sont plus efficaces lorsqu’ils sont en mode « aérobie » – brûler du « carburant » en utilisant l’oxygène fourni par les poumons via la circulation sanguine. Le mode aérobie est peut-être deux fois plus efficace que le mode anaérobie (bien que ne me citez pas sur ce nombre), et, d’une importance majeure, il produit beaucoup moins de sous-produits métaboliques qui peuvent s’accumuler dans le corps et éventuellement devenir toxiques. Bien qu’il existe plusieurs facteurs qui déterminent si l’exercice est aérobie ou anaérobie, un facteur majeur est, en fait, la cadence, les cadences inférieures étant plus susceptibles d’être anaérobies.

Sam T

Excellente réponse, merci. Je suis d’accord que le vélo est très efficace. Slip-streaming / rédaction est tellement bon! = P Bien que cela ne montre pas nécessairement que la chaîne d’entraînement est efficace (mais elle l’est!).

Sam T

Merci également pour la compréhension biologique / nutritionnelle. Avec mes collègues cyclistes maigres, j’aime tourner à 90-100 tr / min, tandis que certains cyclistes de plus descendent à 60 ou moins. Je trouve que diminuer la cadence (donc faire plus d’efforts plus lentement) signifie que je ne peux pas durer aussi longtemps. J’ai entendu dire que cela provoque une accumulation d’acide lactique dans les jambes. (Je crois que) cela est très difficile à éliminer et ne va vraiment avec le repos; en tant que tel, une fois qu’il sera essentiellement là jusqu’à la fin de la course, il faut donc faire attention lors de la « doublure rouge ». Cela vous semble-t-il correct? 🙂

Hot Licks

@SmileySam – C’est à peu près juste. Il y a eu incroyablement peu de travaux scientifiques pour étudier la cadence optimale (sans compter, peut-être, le travail des équipes TdF qui gardent leurs affaires très secrètes). Il y a une vingtaine d’années, l’un des magazines de cyclisme a rapporté des expériences qui ont montré qu’une cadence supérieure à 80 (pour la demi-douzaine de cyclistes de l’étude) n’était pas aussi optimale que inférieure (même si les cyclistes pensaient que la cadence plus élevée était meilleure). Mais, encore une fois, il y a peu de « science » surprenante.

Sam T

Je sais que les spécialistes font beaucoup de choses – ont même leur propre soufflerie. Mais comme vous l’avez dit, très secret. Je pense que cela dépend aussi énormément de votre build. Comme je l’ai dit ci-dessus, j’aime une cadence élevée – je fais du vélo avec quelqu’un qui atteint jusqu’à 120 tr / min et qui est aussi maigre, sinon plus, que moi – mais d’autres aimeront plus bas s’ils ont de plus grandes jambes.

Hot Licks

(Mon conseil aux cyclistes inexpérimentés est de toujours maintenir une cadence au moins égale à votre rythme respiratoire et, idéalement, environ deux fois votre rythme respiratoire. hors course.)


 SprocketsAreNotGears

La puissance insérée dans un système mécanique équivaut à la puissance dissipée par le système plus le taux de gain d’énergie qui reste dans le système. En tant que formule, cela ressemblerait à:

Pjen=Pout+E˙jenternunel

Pjen

est la puissance que le cycliste introduit dans le système en bougeant ses jambes.

Pout

est l’énergie perdue du système. C’est ce que vous cherchez ici dans votre question.

E˙jenternunel

est le taux de gain d’énergie interne et, pour un vélo, traite principalement des taux de gain d’énergie potentielle cinétique et gravitationnelle. L’énergie élastique pourrait également être incluse dans le cadre métallique de la moto, mais je doute qu’elle ait trop d’impact au fil du temps.

Quelques sources de

Pout

que je peux penser:

Lorsque vous pédalez, vous combattez un couple de frottement dû au frottement des pièces mécaniques. Le travail effectué contre ce couple de friction entraîne une certaine perte de chaleur.

Lorsque vous vous déplacez, vous travaillez contre la résistance à l’air. Les particules d’air entrent en collision avec le vélo en mouvement et la collision de l’air transfère une partie de l’énergie du vélo. Plus le vélo est rapide, plus la résistance à l’air dissipe rapidement l’énergie. Cela se produit également à plus petite échelle lorsque les pédales tournent très vite: les pédales entrent en collision avec les particules d’air lors de leur rotation, et donc perdent de l’énergie.

Les pneus sur la route font un bon travail pour ne pas glisser, mais quand ils le font (ce qui, je suppose, doit se produire régulièrement, sinon constamment dans une certaine mesure), les pneus font un travail contre le frottement de la route. Il en résulte une dissipation thermique.

Et, en tant que conception intentionnelle du vélo, les freins contribuent merveilleusement à

Pout

, car, lorsque vous utilisez vos freins, vous voulez vraiment drainer autant d’énergie cinétique (stockée dans le cadre de

Ejenternunel

) que possible. Cela fonctionne en appliquant constamment une forte force de friction contre chaque roue, dissipant beaucoup d’énergie thermique.

C’est ce à quoi je pouvais penser pour l’instant, mais je suis sûr qu’il existe des moyens supplémentaires de perdre de l’énergie du système que j’ai manqué.

Sam T

Je dirais que le couple de frottement dû au frottement des pièces mécaniques est assez minime. J’ai un vélo de course assez haut de gamme (modèle ’05, mais était d’environ £ 1,8k à l’état neuf – je l’ai eu au début de l’été pour 600 £ = D!).

Sam T

Les pneus jouent un rôle. Mais j’utilise ~ 100 psi et des pneus très fins, donc ce n’est pas grave. (Vous pouvez voir que les deux ci-dessus ne sont pas un gros problème car, lorsque dans un bon projet, vous pouvez longer le plat pendant une longue période.) Mais, d’un point de vue purement physique *, les pneus n’ont pas besoin à glisser pour travailler contre les frottements. [* En tant que pur mathématicien, la « physique pure » n’est pas une expression que j’aime utiliser …;)!]

Sam T

Je suis à 100% d’accord pour dire que la résistance à l’air est une chose importante – la plus grande de loin. (J’adore rédiger quelqu’un en descente – ils pédalent fort et je suis juste en croisière!)

SprocketsAreNotGears

C’est un bon point. Dans la plupart des cas, le couple de frottement ne sera vraiment pas si important, mais j’ai pensé l’ajouter par souci d’exhaustivité. Il ne serait significatif que pour les vélos avec des mécanismes rouillés ou mal ajustés.

Hot Licks

@SmileySam – En fait, comme on le voit ici , la quantité d’énergie stockée dans les roues n’est pas aussi importante qu’elle est souvent revendiquée. Il n’augmente fondamentalement la masse apparente de la moto que par le poids des pneus et des jantes inclus une deuxième fois.

 

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