Jazda na rowerze a prawa fizyki

Zdjęcie ze strony: skoda-storyboard.com/en/lifestyle/sports/slavia-on-the-letape-iron-will-and-an-unplanned-marathon/

Zasady dynamiki Sir Izaaka Newtona opisują związek pomiędzy obiektem a siłami na niego oddziałującymi oraz reakcje obiektu na te siły. Obiekt pozostaje w ruchu tak długo, jak długo działa na niego przyłożona siła. Wielkość siły działającej na dany obiekt jest proporcjonalna do iloczynu jego masy i zmiany prędkości.

Nie zgubiliście się jeszcze?

Wszystkie te informacje mają znaczenie w odniesieniu do jazdy na rowerze. Są to bardzo istotne rzeczy, które trzeba wziąć pod uwagę, jeśli chcemy jechać szybko, utrzymując rower w pionie i pokonywać strome podjazdy i zjazdy.

Spróbujmy zastanowić się nad tym, co mają wspólnego prawa Newtona spisane 130 lat przed wynalezieniem roweru z jazdą na rowerze. Wydaje się, że Izaak Newton wykazał się doskonałą zdolnością przewidywania przyszłości. To właśnie prawa dynamiki Newtona decydują o tym, jak bardzo rower przyspiesza, gdy pedałujemy mocniej; o tym jak zwalnia, gdy jedziemy pod wiatr i jak zatrzymuje się, gdy łapiemy za hamulce.

PIERWSZE PRAWO DYNAMIKI

Pierwsze prawo dynamiki mówi, że poruszający się obiekt pozostaje w ruchu tak długo, jak działa na niego przyłożona siła. Istnieje eleganckie stwierdzenie, że przedmioty robią to, co robią, i nie przyspieszają, ani nie zwalniają same z siebie. Jest to pocieszające, ponieważ jazda na rowerze byłaby dość stresująca, gdyby istniała możliwość, że rower nagle przyśpieszy do 160 kilometrów na godzinę!

Na podstawie tego prawa trudniej osiągnąć daną prędkość jadąc na rowerze, niż ją potem utrzymać. To prawo stanowi również podstawę pierwszej zasady wyścigu na czas — aby jechać szybko należy zmniejszyć do minimum czas poświęcony na wolną jazdę. Brzmi to jak oczywista oczywistość, ale mamy tu do czynienia z dość subtelną obecnością fizyki, a zrozumienie tego i zmiana sposobu jazdy może naprawdę poprawić osiągane wyniki bez wydawania dodatkowych pieniędzy lub poprawiania kondycji fizycznej.

DRUGIE PRAWO DYNAMIKI

Druga zasada dynamiki mówi: siła działająca na obiekt = masa x zmiana jego prędkości. Być może w szkole spotkałeś się z następującym zapisem:

F=ma

Gdzie F oznacza siłę działającą na obiekt, m to masa obiektu, a to jego przyspieszenie lub zmiana prędkości. Ale jak to równanie ma się do jazdy na rowerze? Siła wypadkowa działająca na ciebie w dowolnym momencie to siła przekazywana przez pedały pomniejszona o siły oporu, takie jak: opór powietrza, opór toczenia, opór układu napędowego i wiele innych. Masa całkowita to suma twojej masy, masy roweru i masy twoich ubrań. Korzystając z tej wiedzy, przepiszmy nasze równanie, nieznacznie je zmieniając...

F (siła nóg) – F (opór) = (m (osoba+rower+ubrania)) a

Wynika z tego, że nasza zmiana prędkości zależy od tego, czy siła naszych nóg jest większa niż siły stawiające opór, ponieważ masa nigdy nie będzie mniejsza od zera. W rezultacie jeśli będziemy pedałować z mniejszą siłą, przyspieszenie będzie ujemne, co oznacza, że zaczniemy zwalniać. Siła oporu, z jaką spotyka się jadący rowerzysta, to w przybliżeniu w 80% opór powietrza.

Z naszych rozważań powinieneś zapamiętać przynajmniej jedną rzecz — opór powietrza jest dominującym elementem powodującym zmniejszenie prędkości, a na resztę składają się inne czynniki, takie jak opór toczenia. Wynika to z matematyki kryjącej się za zdecydowanym przesunięciem uwagi w kierunku aerodynamiki w kolarstwie w ostatnich latach.

TRZECIE PRAWO DYNAMIKI

Ostatnia zasada dynamiki mówi, że każda akcja spotyka się z reakcją o tej samej sile, ale skierowanej przeciwnie. To prawo wyjaśnia, dlaczego rower porusza się do przodu. Dzieje się tak, ponieważ opony kręcąc się do tyłu, odpychają się od powierzchni ziemi, co z kolei wywołuje reakcję ziemi równą co do wartości, ale skierowaną przeciwnie (do przodu). Oznacza to, że pedałując, tak naprawdę popychamy nieco ziemię do tyłu. Na szczęście dla nas ziemia jest nieco większa od naszego roweru, co oznacza, że wywołany w ten sposób ruch ziemi można pominąć. Jednakże jeśli wszyscy zbierzemy się razem i pojedziemy w tym samym kierunku w tym samym czasie… Oczywiście żartuję, ale zasada akcji i reakcji to element fizyki leżący u podstaw działania koła.

Takie zasady mają swoje konsekwencje w życiu codziennym. Ci z was, którzy mieszkają w New Forest w Hampshire, być może znają trasę P164. Jest to trasa rowerowa do jazdy na czas o długości 16 km i przewyższeniu wynoszącym 115 m, co sprawia, że utrzymanie właściwego tempa jest sprawą bardziej skomplikowaną niż podczas jazdy po płaskim, gdzie aby poruszać się najszybciej, wystarczy po prostu utrzymywać stałą prędkość. Na trasie w New Forest notorycznie wieje wiatr, który również może odgrywać rolę w ustalaniu tempa jazdy.

MOC ZNORMALIZOWANA

Przyjrzyjmy się teraz dwóm przejazdom, z których każdy odbywał się na tym samym rowerze szosowym z podobnym wyposażeniem. Różnica polega na tym, że jeden odbywał się w marcu, a drugi w sierpniu. Dlatego też sprawą oczywistą jest, że wyciągając wszelkie wnioski z tego porównania, należy zrobić zastrzeżenie, że jest to studium przypadku, nienaukowe i przeprowadzone za każdym razem w innych warunkach. Dodam jednak, że w żadnym z tych dni nie wiało szczególnie mocno – co w przypadku New Forest jest sprawą dziwną. Dla pierwszego z tych dwóch przejazdów odnotowano średnią moc 360 W, moc znormalizowaną 365 W i średnią prędkość 40,2 km/h. W przypadku drugiego średnia prędkość wyniosła 40,9 km/h, przy mocy znormalizowanej 367 W i średniej mocy 353 W. W jaki zatem sposób osiągnięto większą o 0,7 km/h prędkość przy mniejszej mocy?

Kluczem do zrozumienia jest tutaj moc znormalizowana. W pierwszym przypadku wysiłek włożony w jazdę miał mniej więcej stały charakter, podczas gdy w drugim przypadku wzniesienia były pokonywane z nieco większym wysiłkiem niż przy nieco mniejszym, chociaż niemałym wysiłku podczas jazdy na płaskim i na zjazdach. Zgadza się to z pierwszą zasadą Newtona dotyczącą wyścigu na czas. Aby jechać szybko, należy zminimalizować czas poświęcony na jazdę powoli. Jeśli wkładamy więcej wysiłku w jazdę przy niższych prędkościach, a podczas zjazdów nasz wysiłek jest nieco mniejszy, będziemy poruszać się szybciej. Ostatecznie będziemy jechać szybciej, angażując w jazdę tyle samo sił. Tę samą zasadę można zastosować w przypadku jazdy z wiatrem i pod wiatr, po gładkiej lub wyboistej drodze.

Dzięki fizyce można jechać szybciej, a zrozumienie podstaw mechaniki poruszania się i odrobina wiedzy o aerodynamice może być bardzo pomocna. Można też po prostu założyć płatne konto na „Best Bike Split” i robić to, co podpowiada licznik rowerowy. Zawsze mnie dziwiło, że musiało upłynąć tyle czasu, zanim zaczęto brać pod uwagę prawa fizyki i ich wpływ na kolarstwo. Teraz oczekuje się, że kolarze będą jeździć coraz szybciej podczas wyścigów i dlatego też jako rowerzyści musimy nadrobić zaległości. W przeciwnym razie wypadniemy z rywalizacji szybciej, niż ktokolwiek zdąży przytoczyć zasady dynamiki Newtona.