Warum ist es so viel schwerer, mit dem Fahrrad einen Hügel hinaufzufahren, als es zu schieben?

Titel sagt alles. Aus physikalischer Sicht ist die Schwerkraft eine konservative Kraft, und daher sollte der Arbeitsaufwand gleich sein, und doch ist eine Option viel ermüdender als die andere. Es ist besonders seltsam, wenn wir die Reibung betrachten, da die Rollreibung geringer ist als die Haftreibung, was bedeuten sollte, dass das Radfahren den Hügel hinauf (etwas) weniger Arbeit macht. Ich verstehe, dass Radfahren aufgrund der Reibung einfacher ist als ein Fahrrad zu schieben, wenn das Gelände eben ist.

Hier sind einige Hypothesen, über die ich nachgedacht habe:

  1. Wenn eine Person auf einer schiefen Ebene steht, ist sie wahrscheinlich stationär (aufgrund von Reibung). Aber ein Fahrrad rollt nach unten. Dies stellt eine zusätzliche Kraft dar, die ein Radfahrer überwinden muss.
  2. Irgendwas mit dem menschlichen Körper, dh wenn wir den Radfahrer durch eine Maschine ersetzen, dann macht die ja in beide Richtungen gleich viel Arbeit.
  3. Etwas, das mit dem menschlichen Körper zu tun hat, in dem Sinne, dass, wenn wir einen Radfahrer auf olympischem Niveau hätten, er keine Probleme haben würde, den Hügel hinaufzuradeln. Mit anderen Worten, ich fühle mich nur noch müder, weil ich unfit bin.
  4. Müdigkeit korreliert mit Leistung (Physik „Leistung“ – geleistete Arbeit / benötigte Zeit). Man kann mit dem Fahrrad nicht langsam den Hügel hinauffahren, da das Fahrrad nicht aufrecht stehen bleibt; umgekehrt, wenn man das Fahrrad schneller fährt als die Geschwindigkeit zu schieben, gibt es einen Unterschied in der Leistung.

Ich finde Nr. 1 nicht überzeugend, da es die Kraft des "Rückwärtsrollens" zusammen mit der Schwerkraft doppelt zu zählen scheint. Nr. 4 klingt vernünftig, aber auf ebenem Boden sind die Dinge umgekehrt, was widersprüchlich ist. Die anderen beiden sind plausibel. Weiß jemand, ob einer (oder beide / keiner) richtig ist?

Die Frage fragt, warum X wahr ist, wobei X entweder falsch oder nicht klar definiert ist. Es ist wichtig, in welchem ​​Gang Sie sich befinden. In einem Gang, der niedrig genug ist, ist X falsch.

Antworten (4)

Die Gänge des Fahrrads sind so eingestellt, dass eine große Kraft über einen kürzeren Weg am Pedal eine kleinere Kraft über einen längeren Weg am Rad ergibt. Dies ist das Gegenteil zu den meisten Maschinen, z. eine Spindelwinde oder Winde, bei der Sie eine geringere Kraft über eine längere Distanz aufbringen, um eine viel schwerere Last zu bewegen.

Normalerweise, wenn Sie auf der gewünschten Ebene fahren, ist die Kraft, die am Rad benötigt wird, um Luftwiderstand und Reibung zu überwinden, gering im Vergleich zu der Kraft, mit der Sie leicht auf das Pedal treten können. Aber wenn man bergauf geht, erreicht man den Punkt, an dem man viel Kraft auf das Pedal ausüben muss, um sich schnell genug zu bewegen, um aufrecht zu bleiben.

Einige Extrem-Mountainbikes haben niedrige Übersetzungsverhältnisse <1, sodass weniger Kraft auf das Pedal als auf das Lenkrad ausgeübt wird – Sie müssen sich drehen, um sich im Kriechtempo fortzubewegen.

Aber sollte die geleistete Arbeit nicht unabhängig von der Ausrüstung sein? Dies scheint zu implizieren, dass Müdigkeit mit der ausgeübten Kraft korreliert, nicht mit der geleisteten Gesamtarbeit.
Ja, Arbeit ist konstant, aber Kraft und Kraft sind es nicht. Sie müssen das Fahrrad mit einer bestimmten Geschwindigkeit bergauf heben = eine bestimmte Kraft (Arbeit/Zeit). Wenn dies mehr Energie (Kraft * Weg) ist, als Sie beim Treten aufbringen können, wird es unmöglich.
Beachten Sie auch, dass der Energieverbrauch des Körpers nicht für alle Geschwindigkeiten/Leistungen konstant sein muss. Ich würde mir vorstellen, dass der Körper bei bestimmten Leistungs-"Einstellungen" effizienter ist.
Sie können herunterschalten, um mehr Drehmoment zu erhalten, aber irgendwann wird die Vorwärtsgeschwindigkeit so stark reduziert, dass das Ausbalancieren des Fahrrads den zusätzlichen Aufwand erfordert, oszillierende Lenkbewegungen verwenden zu müssen, um aufrecht zu bleiben.

Als 65-jähriger Radfahrer, der oben auf einem steilen Hügel lebt, kenne ich dieses Problem gut. Wenn Sie ein Fahrrad zu Fuß einen Hügel hinaufschieben, bewegen Sie sich sehr langsam bergauf, und die dafür erforderliche Kraft ist geringer als die, die erforderlich ist, um mit dem Fahrrad denselben Hügel hinaufzufahren (dh schnell genug zu fahren, um das Fahrrad aufrecht zu halten). .

Auf ebenem Boden sind die Dinge umgekehrt, aber aus einem anderen Grund. Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, Ihr Fahrrad beim Laufen zu schieben und so schnell wie möglich zu fahren, während Sie damit fahren. Selbst bei maximaler Anstrengung schafft man das einfach nicht, weil man die Beine nicht schnell genug hin und her bewegen, das eigene Gewicht tragen und gleichzeitig das Rad schieben kann. Da Sie mit dem Fahrrad die Gänge wechseln können, während Sie zunehmend schneller fahren, müssen Sie Ihre Beine nicht mit einer physikalisch unmöglichen Geschwindigkeit hin und her peitschen, um auf dem Fahrrad schnell zu fahren – Sie wählen einfach einen höheren Gang. Darüber hinaus müssen Sie Ihr eigenes Gewicht während des Radfahrens nicht unterstützen und können während der Fahrt eine Pause einlegen, indem Sie kurz ausrollen.

Ich bin mir nicht sicher, ob ich Ihre Erklärung für die umgekehrte Situation auf ebenem Boden verstehe. Die Person auf dem Fahrrad könnte in einem gemächlichen Tempo fahren, das langsamer sein sollte als die maximale Geschwindigkeit, mit der die laufende Person fahren kann. Aber die laufende Person wird viel schneller ermüden. Alternativ könnte der Radfahrer schneller fahren (= höhere KE = höhere geleistete Arbeit), und er würde sich wieder weniger müde fühlen (?).
Mein Punkt ist, dass es weniger Arbeit erfordert, mit dem Fahrrad auf ebenem Boden zu fahren, als mit der gleichen Geschwindigkeit auf ebenem Boden zu laufen.

Reibung ist definiert als

F = μ ∗ Ν

Wo μ ist der Reibungskoeffizient, entweder statisch oder kinetisch, und N ist die Normalkraft .

Wenn man bergauf geht, tragen die Beinmuskeln das Körpergewicht hauptsächlich effizient, der Fuß hat einen minimalen Kontakt und das Körpergewicht wird bergauf verlagert. Beim Schieben eines Fahrrads werden die Handmuskeln verwendet, um eine Kraft zu übertragen, wobei die Räder des Fahrrads den minimalen Kontakt mit der Straßenoberfläche herstellen, Rollwiderstand

Ich nehme an (da ich nicht einmal Fahrrad fahre, geschweige denn auf einem Fahrrad schalte), dass der Verbrauch von mehr Energie (härter) auf mehr Reibung zurückzuführen ist. Dh die Summe der Reibungskräfte „Gewicht auf den Füßen“ + „rollendes Fahrrad“ ist kleiner als die Reibung auf „Körper + Fahrradgewicht“ auf dem rollenden Fahrrad. Der Grund: Durch das Gewicht wird der Radkontakt auf dem Asphalt abgeflacht, wodurch die „Roll“-Reibung größer wird, sodass insgesamt mehr Arbeit geleistet werden muss.

Auch bergauf halte ich ein Fahrrad für effizienter als zu Fuß. Der Rollwiderstand ist sehr gering im Vergleich zu der Energieverschwendung beim Gehen, indem Sie Ihren Körper bei jedem Schritt auf und ab heben.
@MartinBeckett Nun, im Extremfall würden die zusätzlichen 150 Pfund bei schlecht aufgepumpten Reifen einen großen Unterschied machen Denken Sie, indem Sie das Heben der Füße synchronisieren, geht man nur beim Tanzen auf und ab. siehe diesen Link.springer.com/article/10.1007/s11633-017-1088-5
Aber ich lasse meine Fahrradreifen immer voll aufgepumpt, aber modelliere meinen bergauf (und alpenaufwärts) Gang auf The Sound of Music ;-)

Deine Beine sind zum Laufen gemacht. Das müssen sie tun, oder eines Tages bekommen die Löwen einen Biss von dir.

Beim Bergaufradeln oder Treppensteigen sind etwas andere Muskelgruppen beteiligt als beim Gehen oder Laufen. Beim Radfahren erledigt Ihr Hüftstrecker (Gluteus maximus) die meiste Arbeit. Beim entspannten Gehen schwingt Ihr Hüftbeuger (Psoas) Ihren Oberschenkel nach vorne, aber der Gesäßmuskel ist träge. Der Kniestrecker (Quadrizeps) und der Kniebeuger (Hinterschenkel) sind bei all diesen Aktivitäten wichtig.

Warum ist es so viel schwerer, mit dem Fahrrad einen Hügel hinaufzufahren, als es zu schieben?
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