Potenza extra necessaria in salita per aumento di peso

Quanto significa peso in salita?

Diciamo che sto salendo una montagna con 1000 m di altitudine ed è abbastanza ripida: 10%. Diciamo anche che posso mantenere 250 watt. Se aggiungo 1 kg di peso alla bici, posso determinare quanto più lentamente (nel tempo) sarò? Quanti secondi perderò?

Per favore, mostrami la formula e il calcolo di questo, e sentiti libero di approfondire l'intero argomento.

Presumendo che tu stia facendo una partenza in piedi e ti fermi completamente in cima alla collina. Il semplice requisito è che hai bisogno di energia per spostarti dal basso verso l'alto. La maggior parte dell'energia richiesta sarà per aumentare l'energia potenziale del carico utile (tu e la bici). Fondamentalmente creerai energia cinetica (muovendo la bici) convertendo l'energia chimica nel tuo corpo. Ci saranno perdite a causa del calore, dell'attrito con il fondo stradale e della resistenza dell'aria.

Ignorandoli per il momento (non sono trascurabili, ma complicano il calcolo).

Energia potenziale (PE) = m * g * h

Dove:

m = massa

g = accelerazione gravitazionale

h = altezza

PE è proporzionale a m, quindi un aumento del 10% della massa aumenterà il PE del 10%. Significa che avrai bisogno del 10% in più di energia cinetica per raggiungere la cima della stessa collina.

Il potere è lavoro svolto (energia) diviso per il tempo:

P = W / t

Dove:

P = Potenza in watt

W = lavoro svolto o energia in Joule

t = tempo di lavorare.

Se il tuo potere è costante, possiamo riorganizzare l'equazione per ottenere

P = (m * g * h) / t

diventa:

t = (m * g * h) / P

quindi con potenza, gravità e altezza della collina costanti il ​​tuo tempo aumenterà proporzionalmente all'aumento di massa, dato dall'equazione sopra.

Se non c'è resistenza all'aria del vento diventerà meno rilevante quanto più lentamente si sta andando. L'attrito aumenterà a causa dell'aumento di peso. La pendenza della collina è teoricamente irrilevante in questo calcolo. Stai guadagnando la stessa quantità di energia potenziale di gravitazione quando hai la stessa massa alla stessa altezza. Quindi, teoricamente, non dovrebbe importare se la collina è lunga il 10% o doppia e il 5%.

Tuttavia, poiché stai generando l'energia che ti serve per crearla dall'energia chimica, e c'è così tanto che puoi generare contemporaneamente. I tuoi muscoli diventeranno inefficienti e quindi su pendii più ripidi potresti aver bisogno di più energia di quelli meno ripidi. Quindi, su una collina più ripida, la resistenza al vento potrebbe diventare meno rilevante, ma il rapporto potenza / potenza (quanta energia si può produrre nel tempo) diventerà il fattore più rilevante.

Quello che sto cercando di sottolineare nell'ultimo paragrafo è che l'energia che devi inserire nel tuo corpo e che il tuo corpo si converta in movimento in avanti non è la stessa energia cinetica richiesta per portarti in cima alla collina . Tuttavia, a parità di condizioni, un cambiamento di massa avrà lo stesso effetto sul tempo come ho affermato nelle equazioni.

Se durante una corsa aggiungo 1 kg di peso alla bici, quanto più lento (nel tempo) sarò?

Supponendo che tu e la tua bici massaggiate 100 kg (in numeri tondi), un ulteriore 1 kg provoca un aumento dell'1% del peso, ovvero un aumento dell'1% dell'energia potenziale associata all'arrampicata in salita.

Se la potenza erogata è costante, ciò implica un aumento dell'1% nel tempo.

Tuttavia, parte della tua potenza supererà la resistenza al vento e al rotolamento, non energia potenziale. Se solo metà della tua energia sarà destinata all'energia potenziale (che dipende dal peso) e la metà è costante (indipendentemente dal peso), penso che ciò implicherebbe un aumento dello 0,5% nel tempo.

Ha senso, non la penso così senza dire quanti watt ho emesso, diciamo che faccio 250W

Ciò che ho scritto sopra non è influenzato dal tuo potere totale; il cambiamento è relativo piuttosto che assoluto: cioè è dell'1%, indipendentemente dall'1%.

Parte dell'ondeggiamento della mano nella mia affermazione è "Se la tua potenza è costante": il che è vero se hai un controllo accurato degli ingranaggi (in modo che, come sai, puoi abbassare dell'1% per regolare all'aumento dell'1% del peso e quindi dello sforzo).

Il cambiamento non è in realtà lineare: ad esempio se si trattasse di un aumento di peso di 1000 kg, ovvero del 1000% anziché dell'1%, dovresti abbassarti così tanto da andare così lentamente da non riuscire a rimanere in posizione verticale su una bici a due ruote. Per aumenti di peso relativamente piccoli, tuttavia, mi aspetto che la differenza di sforzo (e quindi anche, tramite l'ondeggiamento della mano sopra indicato, la differenza di durata) sia approssimativamente lineare.

Un Joule è un Newton-metro ed è anche un Watt-secondo. La gravità è di circa 9,81 Newton / chilogrammo.

Alzare 1 libbra 1000 piedi sarebbe sollevare 0,4536 kg 304,8 metri. Quindi sarebbe 9,81 * 0,4536 * 304,8 = 1356 Joule, o 1356 Watt-secondi.

Il tuo picco di produzione di energia sostenuta è probabilmente nell'intervallo generale di 300 watt (e la "crociera" sarebbe da qualche parte circa la metà), quindi dovresti usare tutta la tua energia per circa 4,5 secondi per sollevare quel chilo di 1000 piedi. (O, per dirla in prospettiva, circa 19 minuti per sollevare una bici da 250 libbre + pilota 1000 piedi.)

Per i tuoi presunti 250 watt, questo sarebbe 5,4 secondi per una libbra o 22,6 minuti per 250 libbre. Ciò produrrebbe una velocità, sulla distanza di 10.000 piedi, di circa 5 mph. (Nota che scendere molto al di sotto di circa 200 Watt produrrà una velocità troppo lenta per rimanere in posizione verticale, specialmente dato che più vai lento più energia dovrai spendere per rimanere in posizione verticale.)

Ovviamente, questo sta ignorando le perdite di resistenza al vento e al rotolamento, e quindi il tempo necessario per "coprire la distanza" su un terreno pianeggiante. La resistenza al rotolamento sarebbe più o meno la stessa di quella su un terreno pianeggiante, ma la resistenza al vento sarebbe inferiore, poiché ti stai muovendo più lentamente e la resistenza al vento è generalmente la più grande delle due. Quindi è necessario aggiungere ai tempi di cui sopra forse 1/2 o 2/3 del tempo necessario per percorrere la stessa distanza su un terreno pianeggiante. Per un grado del 10% sarebbe il momento di coprire 10.000 piedi o circa 1,9 miglia. A 15 miglia orarie sarebbero circa altri 7,5 minuti, quindi aggiungi forse la metà.

Ratti - Ho appena realizzato che la domanda era in kg e metri ...

"Se in una corsa (di 10.000 metri al 10%) aggiungo 1 kg di peso alla bici, quanto più lento (nel tempo) sarò (supponendo una potenza di 250 watt)?":

Sarebbe 9,81 * 1 kg * 1000 metri * = 9810 watt-secondi. A 250 watt, 38,84 secondi in più, grazie all'aggiunta di 1 kg.

E mi viene in mente ... che si potrebbero usare gli stessi calcoli all'indietro per calcolare approssimativamente la potenza in uscita, dato un peso, una velocità media e una pendenza media. Ciò sarebbe probabilmente più accurato rispetto a molti altri schemi di stima della potenza.

Come già sottolineato dalle altre risposte, un chilogrammo aggiuntivo è piuttosto trascurabile quando si tratta puramente dell'energia potenziale aggiuntiva necessaria. Ma ci sono altri fattori in cui può avere un effetto più o meno grande.

In primo luogo il tuo corpo non risponde necessariamente in modo lineare al carico più elevato. Finché ti trovi in ​​una regione in cui puoi fare la salita senza fatica evidente, sarai solo un po 'più lento con la stessa potenza. Ma se la salita ti porterà ai tuoi limiti anche senza il peso aggiuntivo, ogni grammo aggiuntivo ti porterà al tuo limite un po 'prima e renderà più difficile andare avanti.

Anche la massa gioca un ruolo importante ogni volta che devi accelerarlo in qualche modo. Alcune cose a cui penso sono:

• Levigatezza della salita: l'approssimazione che riguarda solo l'energia potenziale funziona meglio, più dolce è la salita. Se sali su una pendenza costantemente inclinata, dove puoi assumere una velocità quasi costante, non dovrebbe esserci molta differenza. Tuttavia, se vai in mountain bike in un modo in cui hai un sacco di "azione" sulla bici (sali i gradini, prova a mantenere la trazione su un terreno allentato, passa tra le sezioni più ripide e più piatte), può essere diverso.

• "Posizionamento" del peso aggiuntivo: può fare la differenza quando si aggiunge il peso. L'effetto maggiore sarà se si ha un peso aggiuntivo sulle parti rotanti (ruote, trasmissione). Ma anche una bici più pesante stessa la farà sentire meno reattiva, il che farà stancare i muscoli più velocemente se devi fare molte cose di movimentazione della bici durante la salita (quindi è di nuovo correlata alla scorrevolezza della salita). Se invece avessi il peso aggiuntivo nello zaino, avrebbe un effetto molto più piccolo.

Conclusione: solo dal punto di vista energetico potenziale aggiuntivo potrebbe non fare molta differenza, ma se si tratta di maneggiare la bicicletta o la fatica vicino ai propri limiti, avrà un effetto maggiore.