Was macht Laufen so viel weniger energieeffizient als Radfahren?

Ein Wort: Trägheit. Wenn Sie ein Fahrrad auf einer ebenen Steigung fahren, müssen Sie es nur anschieben, um in Gang zu kommen, dann können Sie eine ganze Weile rollen, bevor Reibung und Luftwiderstand Sie ausbremsen. Mit anderen Worten, die relativ reibungsfreien Räder sorgen dafür, dass die kinetische Energie des Fahrrads nicht schnell abgebaut wird. Aber der menschliche Körper hat keine Räder, also muss man beim Laufen einen guten Tritt geben, um in Gang zu kommen, und dann einen weiteren Tritt, um den nächsten Schritt zu machen, und so weiter. Wenn es um Hügel geht, ist der Unterschied noch deutlicher, da wir bergab genauso laufen wie auf der Ebene, indem wir uns ständig vorwärts drängen; während Sie mit dem Fahrrad die Steigung nutzen und einfach hinunterrollen können.

Ich vermute, dass das Anheben und Absenken Ihres Massenschwerpunkts nicht so ineffizient ist, wie die anderen Antworten vermuten lassen. Dies liegt daran, dass Ihre Beine federn, sodass Sie zumindest zu einem gewissen Grad nur Energie zwischen dem Gravitationspotential und der Federkraft in Ihren Beinen hin und her umwandeln. Der Mensch ist möglicherweise der effizienteste Langstreckenläufer im Tierreich. Es gibt eine Denkschule, die besagt, dass wir Zweibeiner sind, weil wir uns zu Ausdauerjägern entwickelt haben, die unsere Beute jagen, bis sie vor Erschöpfung zusammenbricht, anstatt zu versuchen, ihr über kurze Distanzen davonzulaufen. Ob das stimmt oder nicht, wir würden wahrscheinlich nicht so auf und ab hüpfen, wenn es keinen guten Grund dafür gäbe.

Sie fragen sich vielleicht, warum, wenn die Verwendung von Rädern so viel effizienter ist, wir das nicht stattdessen entwickelt haben? Ich weiß es nicht, aber es scheint, dass kein Tier in der Lage war, sich auf Rädern fortzubewegen.

Viele von uns sind schon einmal Fahrrad gefahren. und tatsächlich hat diese Art der Fortbewegung in letzter Zeit durch die Energieknappheit deutlich an Popularität gewonnen. Jeden Morgen sieht man an meiner eigenen Universität, Duke, Menschen auf Maschinen mit Massen von$10$zu$20$Kilogramm und mühte sich ab, einen der Campuseingänge auf der Spitze eines langen, steilen Hügels zu erreichen. Wie in vielen anderen Aspekten der Fortbewegung von Tieren gibt es hier ein Paradoxon. Warum sollte man sich gerade beim Bergauffahren mit so schweren Geräten belasten? Stellen Sie einem Fahrer diese Frage, und die Antwort lautet normalerweise: "Es ist einfacher als zu Fuß" oder "Es ist schneller als zu Fuß." Aber warum sollte es sein?

Eine Reihe falscher Erklärungen werden angeboten: "Ein Fahrrad hat eine Gangschaltung." Durch das Schalten der Gänge kann der Fahrer die Geschwindigkeit variieren, mit der sich die Füße bewegen. aber selbst wenn die Fußgeschwindigkeiten eines Radfahrers und eines Fußgängers übereinstimmen, fährt der Radfahrer mit einer bestimmten Energiemenge immer noch weiter und in kürzerer Zeit als der Fußgänger. "Ihr Gewicht wird vom Sitz getragen." Aber wenn Sie im Stehen in die Pedale treten, ist Radfahren immer noch schneller und weniger kraftaufwändig als zu Fuß. "Dein Schwerpunkt geht nicht auf und ab." Aber es tut, wenn Sie im Stehen treten. Warum ist Radfahren dann einfacher als Gehen oder Laufen?

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Wir können jetzt verstehen, warum Fahrradfahrer bereit sind, das zusätzliche Gewicht eines Fahrrads anzutreiben, auch wenn es bergauf geht. Die Transportkosten auf einem Fahrrad sind gering, da aktive Muskeln beim Treten nicht gedehnt werden und die mittlere Muskeleffizienz ungefähr ist$.25$, fast seinen Maximalwert. Die Laufräder stabilisieren den Schwerpunkt des Fahrers. Auch wenn der Fahrer den Schwerpunkt vertikal beschleunigt, indem er im Stehen in die Pedale tritt, müssen aktive Muskeln nicht gedehnt werden. Wenn der Schwerpunkt fällt, bilden die Kurbeln, Kettenräder, die Kette und das Hinterrad ein Hebelsystem, das die vertikale Bewegung in eine horizontale umsetzt, indem es eine senkrechte Kraft aufbringt. Daher können Menschen externe Maschinen verwenden, um sich auf einer ebenen Fläche mit der gleichen Muskeleffizienz zu bewegen, die schwimmende und fliegende Tiere auf natürliche Weise erreichen.

Die Energiekosten der Fortbewegung: Gehen und Laufen sind äußerst ineffiziente Formen der Fortbewegung. Wesentlich mehr Effizienz erzielen Vögel, Fische – und Fahrradfahrer. VA Tucker, Amerikanischer Wissenschaftler, Bd. 63, Nr. 4 (Juli-August 1975), S. 413-419

*Natürlich habe ich in den meisten Artikeln "[...]" eingefügt. Es ist eine ziemlich gute, unterhaltsame Lektüre. Es gibt sogar eine Art galiläisches Experiment, bei dem Tauben und Ratten aus der Höhe fallen gelassen werden.

• Fahrräder nutzen Trägheit/Schwung besser aus. Wie Nathaniel sagte, ein Stoß und Sie können eine ganze Weile im Leerlauf fahren. Beim Laufen ist das einfach nicht möglich.

• Beim Laufen wird Energie verschwendet, die sich auf und ab bewegt. Neben der Vorwärtsbewegung erfordert das Laufen einen erheblichen Aufwärtsschub, um Ihren Körper in die Luft zu bringen, sodass Sie Zeit haben, Ihren anderen Fuß nach vorne zu bringen. Sie federn dann ab und springen wieder nach vorne und nach oben. Während Radfahren beim Treten eine Auf-und-Ab-Komponente hat, wird die Energie, die Sie beim Treten aufwenden, viel effizienter in Vorwärtsbewegung umgewandelt, da das Fahrrad den Boden nicht verlässt.

• Radfahren kann Gewicht in Vortrieb umwandeln. Während die meisten ernsthaften Radfahrer Ihnen sagen werden, dass es beim Treten darum geht, sich zu drehen und nicht zu treten, kann Ihnen jeder 10-Jährige sagen, dass Sie mit dem Hintern in der Luft und der Gewichtsverlagerung von links nach rechts ziemlich schnell in Fahrt kommen.

• Beim Treten mit Zehenclips wird die gesamte Beinbewegung genutzt. Wenn Ihre Füße mit den Pedalen verriegelt sind, wird nicht nur der nach unten drückende Teil des Pedalhubs verwendet; Heben Sie Ihren Fuß, ziehen Sie ihn nach vorne, drücken Sie nach unten und drücken Sie nach hinten, all dies hält die Spannung an dieser Kette aufrecht und verleiht dem Schlag Kraft. Beim Laufen ist aus Sicht der Vorwärtsbewegung die Hälfte des Fußzyklus verschwendete Energie.

• Radfahren gibt Ihnen einen mechanischen Vorteil. Selbst bei einem Ein-Gang-Fahrrad wird die Bewegung Ihres Fußes verstärkt, wenn sie auf das Rad übertragen wird. Bei einem Fahrrad mit mehreren Geschwindigkeiten ist die Übersetzung des höchsten Gangs in der Tat ziemlich hoch. Dies ermöglicht zwei Dinge; Erstens wird Ihre Anstrengung verstärkt und zweitens verlangsamt sich Ihr Tempo, wodurch weniger Energie verschwendet wird, wenn Sie das Gewicht Ihrer Beine bewegen.

• Laufen erfordert intensive Muskelkontraktionen mit einem niedrigen Arbeitszyklus, während Radfahren lange, sanfte Kontraktionen verwendet. Wenn Sie beim Laufen arbeiten, können Sie leicht an den Punkt kommen, an dem es keine aerobe Herausforderung mehr ist, aber immer noch hart: Sie müssen kaum atmen, aber die Beine kämpfen mit Milchsäureansammlungen.

• Beim Laufen wird viel mehr Energie für Ausgleichsbewegungen verschwendet: Die Läuferin muss ihren Oberkörper und ihre Arme bewegen, um die Trittbewegung der Beine auszugleichen. Die Beinbewegung ist beim Laufen nicht symmetrisch: Der Vorwärtsstoß des sich erholenden Beins ist schneller als die Rückwärtsbewegung des Antriebsbeins, und daher muss der Arm auf der gleichen Seite wie das sich erholende Bein nach hinten schwingen, um seine Bewegung auszugleichen. Die Kompensation auf einem Fahrrad beschränkt sich meist auf ein seitliches Schaukeln während einer harten Anstrengung.

• Der Läufer fliegt grundsätzlich durch die Luft, kommt aber regelmäßig herunter und berührt den Boden mit einem Fuß und übt dann eine Kraft aus, um wieder in die Luft zu kommen. Dies geschieht jedoch nicht durch eine effiziente, elastische Sprungkraft. Die Landeenergie wird dissipiert, anstatt gespeichert und wiederverwendet. Tatsächlich muss der Läufer Energie aufwenden, um die Landung zu absorbieren, und dann mehr Energie aufwenden, um wieder in die Luft zu kommen. Der Läufer verschwendet somit beträchtliche Energie, um in der Luft zu bleiben.

• Abhängig von der Art des Fußauftritts kann der Läufer kontraproduktiv Energie aufwenden, die seine Vorwärtsbewegung verzögert (bremst), und muss dann mehr Energie aufwenden, um den Schwung wiederzugewinnen.

Viele der Antworten hier beziehen sich auf die Bewegung Ihres Schwerpunkts usw. Ich denke, es ist viel einfacher als das.

Wenn Sie Fahrrad fahren, wird Ihre vertikale Bewegung auf den Pedalen in eine horizontale Bewegung der Räder übersetzt, gekoppelt mit Trägheit kann eine kleine Menge Energie viel bewirken.

Während Sie beim Laufen Energie darauf verwenden, sich horizontal zu bewegen, um an Plätze zu gelangen, sowie vertikal, um die Reibung mit dem Boden zu verringern. Die gesamte vertikale Bewegung kämpft jedoch gegen die Schwerkraft und ist verschwendet, da Ihre vertikale Bewegung Sie Ihrem Ziel nicht näher bringt

Bei dieser Antwort wird davon ausgegangen, dass die Entfernung über eine ebene Fläche erfolgt. Sobald Sie einen dreidimensionalen Aspekt darauf werfen, stellt sich das System auf den Kopf.

Für horizontale Bewegungen eignet sich das Fahrrad am besten, da seine Räder im Gegensatz zu Füßen so konstruiert sind, dass sie die Reibung reduzieren.

Sobald Sie jedoch an eine Steigung kommen, führt der Mangel an Reibung dazu, dass das Fahrrad rückwärts rollt, wenn dem System keine konstante Energie zugeführt wird, während die erhöhte Reibung, die man durch das Laufen hat, es jedem ermöglicht, anzuhalten und zu bleiben.

Sobald Sie aus dem Stand eine Steigung erreichen, ist Laufen wesentlich effizienter als Radfahren.

Dies ist am einfachsten zu verstehen, wenn man sich zunächst die Extremfälle steiler Steigungen und Gefälle vor Augen führt.

Eigentlich stimmt es nicht in allen Fällen, dass Laufen weniger effizient ist als Radfahren. In der Arbeit von Minetti et al. ("Energiekosten des Gehens und Laufens bei extremen Steigungen und Gefällen", DOI 10.1152/japplphysiol.01177.2001.) wurde festgestellt, dass, wenn Elite-Bergläufer auf einem Laufband bergauf laufen, bei Steigungen von mehr als etwa 0,20 die Effizienz zunimmt 0,25, was der Effizienz konzentrischer Muskelkontraktionen entspricht. ("Konzentrisch" bedeutet, dass die Bewegungsrichtung in die gleiche Richtung wie die Kontraktion des Muskels geht, wie bei einem Klimmzug.) Dies ist eine Obergrenze für die Effizienz jeder menschlich angetriebenen Methode, bergauf zu gehen. Da trainierte Läufer dies erreichen, sind sie auf diesen Pisten nicht weniger effizient als Radfahrer.

Bei einer steilen Abfahrt kann ein Radfahrer rollen, während die Beinmuskulatur null Energie verbraucht. Bergab laufen verbraucht Energie. Tatsächlich ist die Effizienz des Läufers negativ, da die potenzielle Gravitationsenergie des Körpers der Person abnimmt, während die Energiereserven des Körpers erschöpft sind. Minetti maß die Abfahrtseffizienz bei steileren Steigungen als$-0.20$sein$-1.20$, und dies ist ungefähr die Effizienz von Muskeln bei exzentrischer Kontraktion (wie Sie sich von einem Klimmzug herunterlassen).

Wenn wir also verstehen können, warum das Absenken von einem Klimmzug Energie verbraucht, dann haben wir automatisch auch eine physiologische Erklärung für die unvollkommene Effizienz des Bergablaufens an den steilsten Steigungen, und dann haben wir durch Interpolation eine Erklärung dafür, warum das Laufen weniger ist effizienter als Radfahren auf gewöhnlichen Hängen oder in der Ebene.

Der Grund dafür, dass Muskelgewebe bei exzentrischen Kontraktionen Energie verbraucht, liegt darin, dass es Prozesse im Körper gibt, die Wärme abführen, wenn ein Muskel unter Spannung steht. Zum Beispiel muss der Körper Kraftstoff verbrennen, um die Muskelspannung aufrechtzuerhalten, und es gibt auch innere Reibung im Muskel, wenn sich der Muskel bewegt.

Zusätzlich zu den oben beschriebenen Prozessen gibt es auch andere energieauflösende Mechanismen, einschließlich der Aufspaltung von Energie in Schwingungen und Geräusche beim Aufsetzen des Fußes eines Läufers.

Um Nicks Antwort zu erweitern, springst du beim Laufen ein wenig, damit du deinen Schwerpunkt erhöhst, was dich gleich viel Energie kostet

Wenn Sie jetzt Ihren Schwerpunkt absenken, wird die Energie dissipiert, da die durch das Herunterfahren gewonnene vertikale Beschleunigung Ihre horizontale Geschwindigkeit nicht erhöht.

Das ist sicher eine der Ursachen.

Man kann auch an die dissipierte Leistung denken, was uns vielleicht mehr Einblick geben könnte. Zum Beispiel haben wir die folgende Identität:

Nehmen wir außerdem an, dass die Leistungsverluste in beiden Fällen ähnlich sind und dass die Eingangsleistung in beiden Fällen gleich ist (wir verwenden schließlich in beiden Fällen ähnliche Muskeln).

Jetzt haben wir in beiden Fällen eine sehr unterschiedliche Geschwindigkeit, und wir könnten wahrscheinlich auch zustimmen, dass beim Laufen viel mehr Kraft erzeugt wird, da wir sehr schnell auf unsere maximale Geschwindigkeit beschleunigen können. Soweit stimmt alles mit den Formeln überein.

Jetzt können wir uns leicht davon überzeugen, dass selbst wenn die Effizienz in beiden Fällen ähnlich ist, der Energieverlust beim Laufen größer wäre, weil wir es für die gleiche zurückgelegte Strecke länger machen.

Es liegt an der biologischen Ineffizienz, die mechanische Beschränkung eines Fußes in Bezug auf den Boden aufrechtzuerhalten, während sich der Rest des Körpers bewegt.

Nehmen wir an, ein Schlittschuhläufer auf Eis und ein anderer auf Rollschuhen verbrauchen ungefähr die gleiche Energiemenge, um beispielsweise 5 km/s zu erreichen. Beide besitzen einen anderen, aber im Vergleich zum Gehen effizienten Mechanismus, der diese Geschwindigkeit beibehält und gleichzeitig alle mechanischen Einschränkungen erfüllt. Für den auf Rollen muss der Kontaktpunkt zwischen dem Boden und einer Rolle stationär sein. Zum Gehen muss der den Boden berührende Fuß stationär sein, und der biologische Mechanismus dafür führt zu weitaus größeren biologischen Verlusten.

Es gibt jedoch weitaus effizientere biologische Transportmittel wie Hüpfen wie im Fall von Kängurus, die die Hälfte der Energie eines Marathonläufers verbrauchen. Kinetische Energie wird in den Sehnen in potentielle Energie umgewandelt, während die mechanische Beschränkung aufrechterhalten wird, wobei die meisten beim Verlassen des Bodens wieder in kinetische Energie umgewandelt werden.

Eine schnelle Vermutung wäre, dass Sie beim Laufen Ihren Schwerpunkt mit jedem Schritt anheben, während Ihr Schwerpunkt beim Radfahren eine konstante Höhe hat. Somit leistet man in der Fahrradmechanik nur Arbeit gegen Luftwiderstand/Reibung. Beim Laufen arbeitest du auch gegen die Schwerkraft.

Der Unterschied liegt in dem zugrunde liegenden Mechanismus, der die chemische Energie in kinetische Energie des Fahrzeugs oder Körpers umwandelt. Die Antwort ist, dass der Fahrradmechanismus (aufgrund von Rädern usw.) diese Energie besser umwandeln kann.

Ein klassisches Analogon ist der Hebel oder eine Riemenscheibe. Man kann einen Hebel oder eine Rolle verwenden, um ein Gewicht zu heben, das mit bloßen Händen nur sehr schwer (oder sogar unmöglich) zu heben wäre.

Um also mit einem Fahrrad die gleiche Durchschnittsgeschwindigkeit beizubehalten, muss man weniger chemische Energie verbrauchen (als beim Laufen) und infolgedessen weniger Wärme erzeugen.

" Gib mir einen Platz zum Stehen und ich kann die Erde bewegen "

                                            -- Archimedes über das Hebelprinzip (angeblich)

Eine verwandte Antwort zum Prinzip des mechanischen Hebels (und Variationen)

Da es bereits Antworten gibt, die es sehr gut erklärt haben, können wir eine Analogie haben, um es weiter zu verstehen.

Bedenken Sie, dass das quadratische Rad wir sind und das runde Rad der Zyklus. Versuchen wir nun, das quadratische Rad zu drehen. Wenn Sie dies tun, wirkt eine Normalkraft von der rechten Kante des Rads statt von der Mitte, um zu verhindern, dass es umkippt. (Das Drehmoment wirkt in die entgegengesetzte Richtung und stoppt die Drehung). Die einzig mögliche Option ist also, dieses Rad in die Luft zu heben und den nächsten Schritt zu machen.

Aber im Falle eines runden Rades wirkt die normale Reaktion immer am untersten Punkt des Rades und das Drehmoment wird wegen der Normalkraft immer Null sein. Es wirkt also keine Kraft auf das runde Rad, um seine Drehung zu stoppen. Aus diesem Grund dreht sich ein rundes Rad, sobald es angestoßen wird, ohne weitere Krafteinwirkung weiter. (Da keine entgegengesetzte Kraft wirkt).

Wenn wir nun beide Räder vergleichen, wird das Aufnehmen eines Rads und das Ablegen auf jeder Stufe immer mehr Energie verbrauchen oder mehr Arbeit erfordern.

Ich denke, die Hauptgründe sind:

1. Wir haben schwere Beine, die eher zum Klettern oder langsamen Gehen gedacht sind, wo sie wie ein Pendel schwingen können.
2. Wir müssen unsere Beine mithilfe unserer Muskeln starten und stoppen, während die Kurbel eines Fahrrads den Schwung recycelt, wie die Kurbelwelle eines Motors den der Kolben recycelt.
3. Unsere Muskeln recyceln die zugeführte Energie nicht. Mit anderen Worten, wir haben kein regeneratives Bremsen. Wir verschwenden tatsächlich ein bisschen Energie, wenn wir etwas anhalten, schieben oder hochhalten, ohne uns zu bewegen, ein bisschen wie die Widerstandsverluste (Kupferverluste) in einem Magnetantrieb. Während Muskeln effizient sind, nutzen wir sie beim Laufen nicht effizient.