Sykkelytelse

Bradley Wiggins i gul trøye ved målgangen av 2011 Criterium du Dauphine

En lastsykkel i Danmark som kan frakte mer enn 100 kg nyttelast

Sykkelytelse er målbar ytelse som energieffisiens som påvirker hvor effektiv en sykkel er. Sykler er usedvanlig effisiente maskiner. Med tanke på mengden energi en person må bruke for å reise en gitt distanse er sykling ansett for å være den mest effisiente formen for selvdreven transport.

Transportytelse til sykler er også eksepsjonell med tanke på tonnkilometer. Med tanke på mengden nyttelast en sykkel kan bære målt i masse sammenlignet med totalmasse er sykling (herunder lastesykling) den mest effisiente formen for lasttransport.

Mekanisk effisiens

Den mekaniske effektiviteten på overføringen til hjulene av energien produsert av rytteren mot pedalene kan komme være inntil 99% under antagelsen om et rent og nysmurt kjede og 400 W pådrag.

Bruk av girskiftemekanismer kan redusere dette med:

• 1-7% for et rent og godt smurt kjedegir,
• 4-12% for et kjede med 3-trinns navgir), eller
• 10-20% for akseldrift med 3-trinns navgir

De høyere effisiensene for hver av disse oppnås ved:

• Høyere effektnivåer (målt i watt, for eksempel en proffsyklist som spurter)
• Ved direktedrift (for navgir, f.eks. på 2. gir i et 3-girs navgir), eller
• Med store bakdrev for bedre lastfordeling og rett kjedelinje (for kjedegir).

De lavere effisiensene oppnås ved lavere effekt (for eksempel daglig sykling av normale personer), i høyere og lavere gir (for navgir) og med små bakdrev (for kjedegir).

Energieffisiens

Sykkel er trolig det mest energieffisiente menneskedrevne transportmiddelet for generell bruk. En syklist som sykler i 16-24 km/h bruker omtrent like mye krefter som kreves for å gå, og med en typisk hurtig gåhastighet på 4-6 km/h forflytter syklisten seg 3.5 ganger så raskt. Luftmotstand er en betydelig faktor for effisient sykling, og i økende grad etterhvert som hastigheten økes. Forenklet kan luftmottanden sies å øke kvadratisk med hastigheten, som gjør at det ved økende hastighet kreves uproporsjonalt mer effekt for ytterlige hastighetsøkning. En liggesykkel er en sykkel der syklisten ligger på ryggen (eller eventuelt på magen, såkalt prone bicycle), og disse kan oppnå svært lav strømningsmotstand på grunn av liten arealprofil. Aerodynamiske kåper med slette overflater kan gi ytterligere reduksjon av luftmostand, og liggesykler med heloverbygg kalles for velomobiler.

Racersykler har lav masse, gir rytteren en sittestilling som både er relativt komfortabel og aerodynamisk, har stivhet for god kraftoverføring, stort girspenn og lav rullemotstand

Ifølge en studie vil en person på 70 kg bruke cirka 60 watt for å gå i 5 km/h på et fast og flatt underlag, mens ifølge en kalkulator på kreuzotter.de vil samme person på en vanlig sykkel og samme effekt oppnå 15 km/h, altså vil energiforbruket ved sykling i dette eksempelet være omtrent en tredjedel av det å gå samme avstand. I oppoverbakke og nedoverbakke varierer hastigheten i henhold til stigningen og innsatsen til rytteren. Sykling i oppoverbakke krever mer kraft for å overvinne tyngdekraften, og hastigheten blir derfor lavere og/eller hjerterytmen høyere enn når det er flatt. Eksempelvis kan man anta at en syklist med middels innsats kan sykle 8-10 km/h opp en vilkårlig svak stigning. Sykling på gress, sand, gjørme eller snø vil også bremse sykkelen. I slake nedoverbakker med 5% stigning kan en syklist gjerne lett nå hastigheter på 20-40 km/h uten å tråkke, og hastigheter over 50 km/h ved brattere utforkjøringer.

Energiutgang

Hvor mye effekt mennesker kan generere og hvor lenge varierer med fysisk form. Den spesifikke effekten oppgis ofte i watt per kilogram kroppsmasse. Ifølge en kilde kan man anta at et aktivt menneske kan produsere 1.5 w/kg (utrent), 3.0 W/kg (godt trent) og 6.6 W/kg (mannlige toppidrettsutøvere). 5 W/kg er omtrent den spesifikke effekten som de beste mannlige amatørene kan opprettholde over lengre perioder (hvilket vil si 400 W for en person på 80 kg). Estimater på maks vedvarende effekt gjennom 1 time varierer fra cirka 200 W (NASA, eksperimentell gruppe av «friske menn») til 500 W (timesrekorden for menn).

Energiinngang / tilførsel

Energitilførselen til menneskekroppen kommer i form av matenergi, og kan angis i kilojoule (kJ, som er ekvalient med kWs eller kilowatt-sekunder). Matenergien kan sees i sammenheng med en viss kroppsvekt og tilbakelagt distanse, hvilket gir enhetene kilojoule per kilometer-kilogram, eller kJ/(km∙kg). Forbrenningen av matenergien per tidsperiode kan sees på som inngangsenergien til menneskekroppen, og kan for eksempel måles i kilojoule per dag (kJ/d) eller joule per sekund (J/s = W), hvor 4000 kJ/d ~ 46.4 W. (Til sammenligning er energibehovet til en person rundt 10 000 kJ (10 MJ) per dag.)

Inngangseffekten kan bestemmes ved å måle oksygenopptak, eller alternativt langsiktig matforbruk forutsatt ingen vektendring. Dette inkluderer energien som trengs bare for å leve, såkalt basalmetabolisme som omtrent samsvarer med hvilemetabolismen.

Det nødvendige matinntaket kan også beregnes ved å dele utgangseffekten på muskeleffisiens. Virkningsgraden er omtrent 18-26%. Hvis man tar utgangspunkt i en 70 kg person som sykler 15 km/h ved å bruke 60 W og har en muskelvirkningsgrad på 20%, vil rytteren trenge omtrent 1 kJ/(km∙kg) ekstra mat. For å beregne total matmengde som kreves under turen må basalmetabolismen først legges til inngangseffekten. Hvis den 70 kg tunge personen er en gammel, kort kvinne kan hennes basalmetabolisme være 60 W, mens den i alle andre tilfeller litt høyere. I dette eksempelet vil effisiensen så å si halveres grunnet basalmetabolismen, og det totale matbehovet vil være omtrent 2 kJ/(km∙kg).

Selv om dette eksempelet viser stor relativ økning i matmengden som kreves for å sykle med effekt legges det i praksis knapt merke til, ettersom den ekstra energikostnaden for 1 time sykling kan dekkes med 50 g nøtter eller sjokolade. Med lang og rask sykling eller tung sykling i motbakke blir imidlertid det ekstra matbehovet tydelig.

For å fullføre effisiensberegningen bestemmer typen mat som spises den totale effisiensen. Man kan også ta med energien som trengs for å produsere, distribuere og tilberede maten.

Typiske hastigheter

Graf som viser variabel sykkelhastighet i kupert terreng

I nyttesykling er det en store i hvilke hastigheter som oppnås. En eldre person på en oppreist roadster sykler kanskje under 10 km/h, mens en sprekere eller yngre person lett kan oppnå dobbel hastighet på samme sykkel. For syklister i København er gjennomsnittsgastigheten 15.5 km/h. Rytterens kondisjon og tråkkfrekvens, dekktrykk og dekkstørrelse, girforhold og terrengets stigning påvirker hastigheten. Sykler designet for flate bymiljøer kan ha 1 eller 3 gir, mens sykler laget for kupert terreng, trekking av tung last eller høyere hastighet i motbakker og på flater kan ha flere gir. I konkurransesykling hjelper flere gir med å holde jevnt høyere hastighet, og man har i tillegg god aerodynamisk effekt av å sykle i felt med flere syklister. Gruppen kan dermed opprettholde mye høyere hastighet over lengre avstander på grunn av at man bytter på hvem som ligger fremst i feltet og drar og hvem som ligger bak i feltet for å hvile. En lagtempo gir samme effekt.

Man kan bruke et speedometer eller en sykkeldatamaskin for å måle, registrere og dele flere variabler, inkludert hastighet, gradient, avstand, tid, tråkkfrekvens, stigning, effekt (watt), strøm, temperatur, GPS-data, rutevalg og til og med hjertefrekvens.

Hastighetsrekorder

Den høyeste hastigheten offisielt registrert for noe menneskedrevet kjøretøy på flatt underlag og med rolig vind og uten eksterne hjelpemidler (som for eksempel drahjelp, men med en definert mengde tyngdekrafthjelp) er 144.18 km/h, og ble satt i 2016 på en strømlinjeformet Eta Speedbike liggesykkel av Todd Reichert. I 1989 Race Across America krysset en gruppe syklister USA på bare 5 dager. Den høyeste hastigheten offisielt registrert for en sykkel med oppreist sittestilling og drahjelp var 82 km/h over 200 meter, og ble satt i 1985 av Jim Glover på en Moulton AM7 under Human Powered Speed Championships på Expo86 i Vancouver. I 2018 satte ble rekorden for sykling i dragsug på 296 km/h satt av Denise Mueller-Korenek på Bonneville Salt Flats, og innebar slippstrøm bak en dragster.

Vingling i hastighet

Farlige svinginger i styret kan oppstå ved høye hastigheter, ved sykling uten hendene på styret i lave hastigheter, eller når forgaflene er lastet med sykkelvesker.

Reduksjon av masse og roterende masse

Det skjedd store fremste i utviklingen av lette rasersykler for å gjøre dem raskere i motbakker og gi raskere akselerasjon. Det internasjonale sykkelforbundet (UCI) har satt en grense på 6.8 kg for sykler som skal brukes i sanksjonerte løp.

Fordeler med redusert masse

For sykling på flatt underlag og konstant hastighet sparer man bare en neglisjerbart mengde effekt, og det er tvert imot å øke massen i form av aerodynamiske forbedringer. Derimot vil man godt merke effekten av redusert masse når man skal klatre bratt, hvor en 10% reduksjon av den totale massen (sykkel, rytter og bagasje) kan spare nesten 10% effekt.

Når man aksellererer merkes også massen godt. For eksempel angir Analytic Cycling calculator Arkivert 15. januar 2022 hos Wayback Machine. (Arkivert 2022-01-15 hos Wayback Machine) at et 500 gram lettere hjul kan gi en tid/distanse-fordel på 0.16 s/188 cm for en sprinter. Hvis en rytter må bremse for hver sving i et gateritt medfører dette «bortkastet» energi som går bort til varme i bremsene. For et flatt gateløp med 40 km/h gjennomsnittsfart, 1 km runder, 4 svinger per runde, 10 km/h hastighetstap i hver sving og 1 times varighet ville dette til sammen blitt 160 spurter ut av svinger. For en rytter og sykkel på 90 kg utgjør dette omtrent en tredjedel ekstra innsats sammenlignet med en sykkeltur i jevn hastighet, og en massereduksjon på 10% av den totale systemvekten (sykkel, rytter og bagasje) kan dermed gi omtrent 3% fordel.

Fordeler med lette hjul

Massen på dekk og felger må akselereres både lineært og rotasjonelt. Det kan vises at effekten av redusert felg- og dekkmasse på typiske eikerhjul effektivt kan dobles. Å redusere massen er således spesielt merkbar i sprinting.

Hvor effekt medgår

Betydningen av vektbesparelse og optimering av dekk og aerodynamikk i sykling har vært heftig debattert. Ved å beregne effektbehovet for å flytte en sykkel og rytter, kan man evaluere de relative energikostnadene for luftmotstand, rullemotstand, skråningsmotstand og akselerasjon.

Det finnes velkjente ligninger som angir effekten som kreves for å overvinne de forskjellige motstandene, hovedsakelig som en funksjon av hastighet:

Kraftkurver mot hastighet for ulike komponenter:
- Luftmotstanden er i utgangspunktet veldig lav og øker kvadratisk med hastigheten
- Rullemotstanden er høyere i begynnelsen, men stiger bare noe
- Klatring i 5% stigning er ansett som nesten det samme som kontinuerlig akselerasjon med 0.5 m/s²

Luftmotstand

Effekten $P_{D}$ som trengs for å overvinne luftmotstanden er:

$P_{D}\,={\tfrac {1}{2}}\,\rho \,v_{r}^{3}\,C_{D}\,A$ i stillestående luft, eller

$P_{D}\,={\tfrac {1}{2}}\,\rho \,v_{a}^{2}\,v_{r}\,C_{D}\,A$ i motvind,

hvor

$\rho$ er lufttettheten, som er omtrent 1.225 kg/m³ ved havnivå og 15 grader celsius

$v_{r}$ er hastigheten i forhold til vegen,

$v_{a}$ er den tilsynelatende motvinden, og

$C_{D}\,A$ er et karakteristisk areal ganger dets strømningsmotstand.

Konseptet med tilsynelatende vind er bare direkte anvendelig i denne formelen hvis det kommer fra ekte motvind eller medvind. Da er $v_{a}$ den skalare summen av $v_{r}$ og motvinden eller differansen mellom $v_{r}$ og medvinden. Hvis forskjellen er negativ må $P_{D}$ betraktes som hjelp snarere enn motstand. Dersom vinden har en sidelengs komponent må den tilsynelatende vinden beregnes med en vektorsum, og særlig dersom sykkelen er strømlinjeformet blir beregningen av side- og motstandskrefter mer kompleks. En korrekt beregning innebærer å vurdere kreftene på overflatene som krefter på seil.

Motstandskoeffisienten avhenger av formen på objektet og på reynoldstallet, som i seg selv avhenger av den tilsynelatende motvinden $v_{a}$. Men hvis $A$ er tverrsnittsarealet kan $C_{D}$ omtrentlig tilnærmes som 1 for vanlige sykkelhastigheter for en rytter på en oppreist sykkel.

Rullemotstand

Effekten $P_{R}$ for å overvinne rullemotstanden til dekkene er gitt av:

$P_{R}=v_{r}\,mg\cos(\arctan s)C_{rr}\approx v_{r}mgC_{rr}$

hvor g er tyngdekraften (nominelt 9.8 m/s²) og m er masse (kg). Tilnærmingen kan brukes med alle normale koeffisienter for rullemotstand $C_{rr}$. Vanligvis antas dette å være uavhengig av $v_{r}$ (hastigheten til sykkelen i forhold til vegen) selv om det er anerkjent at den øker med hastigheten. Målinger på en rullemekanisme gir typisk lavhastighetskoeffisienter på 0.003 til 0.006 for en rekke dekk når de er fylt til deres maksimale anbefalte trykk, og øker omtrent med 50% ved 10 m/s (36 km/h).

Klatremotstand

Den vertikale klatreeffekten $P_{S}$ på helning $s$ er gitt av

$P_{S}=v_{r}mg\sin(\arctan s)\approx v_{r}mgs$.

Denne tilnærmingen nærmer seg den sanne løsningen for små, altså normale stigninger. For ekstremt bratte bakker som 0.35 (35%) gir tilnærmingen en overestimering på omtrent 6%.

Ettersom kraften brukes for å øke den potensielle energien til sykkel og rytter fås den tilbake som drivkraft når man sykler i nedoverbakke, og går ikke tapt med mindre rytteren bremser eller kjører raskere enn ønsket.

Effekt for akselerasjon

Effekten $P_{A}$ for å akselerere sykkelen og rytteren som har total masse m med akselerasjon a, samt rotasjonelt for hjulene som har masse $m_{w}$, er:

$P_{A}\approx v_{r}(m+m_{w})a$

Tilnærmingen er gyldig hvis $m_{w}$ antas å være konsentrert på felgene og dekkene, og at disse ikke glir. Massen av slike hjul kan således telles to ganger for denne beregningen, uavhengig av hjulstørrelse.

Ettersom denne effekten brukes til å øke den kinetisk energien til sykkelen og rytteren returneres den under deakselerasjon og går ikke tapt med mindre rytteren bremser eller kjører raskere enn ønsket.

Total effekt

Den totale effekten kan summeres som:

$P\,=(P_{D}\,+P_{R}\,+P_{S}\,+P_{A}\,)/\eta \,$

hvor $\eta \,$ er den mekaniske effisiensen til drivverket beskrevet i begynnelsen av denne artikkelen.

Gitt denne forenklede ligningen kan man beregne noen verdier av interesse. For eksempel får man, forutsatt ingen vind, følgende resultater for effekt levert til pedalene (i watt):

90 kg rytter + sykkel:

• 175 W for at en 90 kg kombinasjon (sykkel + rytter) skal sykle 9 m/s (32 km/h) på en flate (hvorav 76% av innsatsen medgår i å overvinne luftmotstand), eller 2.6 m/s (9.4 km/h) på en 7% stigning (2.1% av innsatsen medgår i å overvinne luftmotstand).
• 300 W for at en 90 kg kombinasjon (sykkel + rytter) skal sykle 11 m/s (40 km/h) på en flate (83% av innsatsen medgår i å overvinne luftmotstand) eller 4.3 m/s (15 km/h) på en 7% stigning (4.2% av innsatsen medgår i å overvinne luftmotstand).

65 kg rytter + sykkel:

• 165 W for at en 65 kg kombinasjon (sykkel + rytter) skal sykle 9 m/s (32km /h) på en flate (hvorav 82% av innsatsen medgår i å overvinne luftmotstand), eller 3.3 m/s (12 km/h) på 7% stigning (3.7% av innsatsen medgår i å overvinne luftmotstand).
• 285 W for at en 65 kg kombinasjon (sykkel + rytter) skal sykle 11 m/s (40 km/h) på en flate (87% av innsatsen medgår i å overvinne luftmotstand) eller 5.3 m/s (19 km/h) på en 7% stigning (6.1% av innsatsen medgår i å overvinne luftmotstand).

Reduksjon av den kombinerte massen (sykkel + rytter) med 1 kg vil øke hastigheten med 0.01 m/s for tilfellet man sykler 9 m/s på flaten, hvilket tilsvarer 5 sekunder i et 40 km langt temporitt med snitthastighet på 32 km/t. Den samme vektreduksjonen på en 7% stigning vil være verdt bare 0.04 m/s (for 90 kg sykkel + rytter), og hele 0.07 m/s (for 65 kg sykkel + rytter).

Hvis man klatret i 1 time, ville en vektbesparelse på 453 gram gitt en besparelse på mellom 69-110 m, med mindre effekt for en tung sykkel+rytterkombinasjon (for eksempel 0.06 km/h · 1 h · 1600 m = 69 meter). Til sammenligning har de store klatringene i Tour de France og Giro d' Italia de følgende gjennomsnittsstigningene:

Stigninger i Giro d' Italia

• Stelviopasset: 7.45% over 24.3 km
• Colle delle Finestre: 9.1% over 18.6 km
• Colle dell ' Agnello: 6.5% over 22 km
• Passolanciano-Maielletta, også kjent Blockhaus: 9.4% over 22 km
• Plan de Corones: 10% over 5.2 km
• Mortirolo: 10.4% over 12.5 km
• Monte Zoncolan: 12% over 10.1 km

Stigninger i Tour de France

• Tourmalet: 7%
• Galibier: 7.5%
• Alpe D'Huez: 8.6%
• Mont Ventoux: 7.1%

Se også

• Effektmåler (sykkel), måling av effekten til en syklist, oftest i watt
• Gear inches, hvor langt en sykkel beveger seg per pedalomdreining
• Sykkeldatamaskin, instrumentering på en sykkel