Bij het ontwerpen van fietsen, is gezocht naar het meest optimale ergonomische ontwerp. De hedendaagse fietsen zorgen ervoor dat je de juiste spieren gebruikt (de dijspieren, de meest krachtige spieren in het menselijk lichaam), in de juiste beweging (een gelijkmatig ronddraaiende actie met de voeten) in de juiste snelheid (60 tot 80 draaiingen per minuut). Het ontwerp zorgt voor efficiënte krachtverdeling, minimaliseren van de rolwrijving en minimaal gewicht om bergop-fietsen te vergemakkelijken.
De reden waarom fietsen minder energie vraagt dan lopen, ligt in de beweging van de spieren. Terwijl een machine alleen werkt als een kracht de machine aanzet, vragen spieren juist energie wanneer ze onder spanning staan maar niet bewegen. Iemand die stil staat behoudt zijn rechtopstaande houding door een gecompliceerd systeem van druk op de botten en spieren onder spanning. Daardoor kost het stil staan energie.
Vergelijkbaar, het maken van bewegingen zonder externe krachten (bijvoorbeeld schaduw boxen), kost spierkracht door het afwisselende accelereren en decelereren van de handen en armen. En dat terwijl er geen kracht wordt gezet tegen een externe materie.
Bij het lopen, moeten de spieren niet alleen het lichaam rechtop houden, maar ook het hele lichaam op en neer bewegen en de benen accelereren en decelereren. Al deze acties vragen energie, zonder enig nuttig extern werk te verrichten. Bergop-lopen vraagt extra energie tegen de zwaartekracht. Daarnaast wordt er elke keer als de voet op de grond komt een beetje energie verloren, wat zichtbaar wordt in de slijtage van voetpaden, schoenen en sokken.
In contrast hiermee, bespaart de fietser energie door te zitten, waardoor de beenspieren worden ontlast van hun dragende taak en de bijbehorende energieconsumptie. De enige heen en weer bewegende delen van het lichaam zijn de knieën en de dijen – de voeten draaien in een regelmatige beweging op een constante snelheid en de rest van het lichaam is stil. Zelfs de acceleratie en deceleratie van de benen gaat efficiënt, doordat het opgaande been niet hoeft te worden opgetild, maar omhooggeduwd wordt door de neerwaartse kracht van het andere been.
Een minder comfortabele houding wordt aangenomen door een racefietser, om de windweerstand te verminderen. Windweerstand is de grootste veroorzaker van energieverlies tijdens het fietsen. Windweerstand varieert afhankelijk van de snelheid van de wind en de fietser. Als je 12 km/u fietst tegen een wind in die 6 km/u waait, dan kan de windweerstand negen keer zo groot zijn als wanneer je dezelfde snelheid zou rijden met een wind van 6 km/u in je rug. In de praktijk kun je met behulp van versnellingen je snelheid aanpassen aan de windcondities, om de optimale trapsnelheid te behouden. Naast windweerstand, is de enige significante vorm van energieverlies de rolwrijving. Met een normale wielmaat en voldoende opgepompte banden op een gelijkmatig terrein, is deze wrijving erg klein en bijna onafhankelijk van de snelheid.
De fiets is een opvallend efficiënte machine. De fiets speelde een belangrijke rol in de sociale en economische revolutie en had een belangrijke bijdrage in de moderne technologie. Vandaag de dag biedt het nog steeds veel voordelen als een voertuig voor persoonlijk transport, zowel in ontwikkelde als ontwikkelingslanden. Om te begrijpen waarom de fiets zo’n groot effect had op het accelereren van de technologie, moet je kijken naar de bedoeling achter deze slimme uitvinding. Het doel van de fiets is om het makkelijker te maken voor een persoon om zich te bewegen.
Vergelijk het energieverbruik voor een verplaatsing over een bepaalde afstand als functie van lichaamsgewicht, en je zult zien dat een lopend persoon het aardig goed doet: met een verbruik van ongeveer 0,75 calorieën per gram per kilometer. Toch is hij niet zo efficiënt als een paard of een zalm (zie bovenstaande grafiek). Met behulp van een fiets echter, is het energieverbruik van een mens voor een bepaalde afstand teruggebracht tot slechts een vijfde (ongeveer 0,15 calorieën per gram per kilometer). Daarom, naast het vergroten van de snelheid met een factor 3 of 4, verbetert het energieverbruik van een fietser ten opzichte van een wandelaar zo aanzienlijk, dat het nummer 1 wordt van alle bewegende wezens en machines in energie-efficiënte.
Bron: MTN Sciencentre Education Resource Pack: “CYCOLOGY; The Science of the Bicycle”. Een uitgave van het MTNsciencentre.org.za
No Comments to "Fietsen en energieverbruik"