Teoretična analiza razlik pri kolesu s klasičnim pestom in E-hub pestom na zadnjem kolesu

Dr. Alen Orbanić

Univerza v Ljubljani , Oddelek za matematiko, Fakulteta za matematiko in fiziko, Jadranska 21, 1000 Ljubljana, Slovenija in Univerza na Primorskem, Primorski inštitut za naravne in tehnične znanosti, Koper, Slovenija ter York University, Toronto, ON, Kanada.

To poročilo predstavlja teoretično analizo in logiko E-hub pesta, ki je inovativen pristop k pestu na zadnjem kolesu.

Slika 1. Segmenti mirovanja in delovanja v enem krogu vrtenja pedal.

Pri opazovanju procesa vrtenja pedal lahko ugotovimo, da ima pri enem vrtljaju kolesa graf porazdelitve sile, ki se prenese z nog na pedala, periodično “sinusno” obliko. Dejanski graf funkcije pa je odvisen od posameznega kolesarja, položaja sedenja in drugih okoliščin. Splošni zaključek meritev kot tudi prakse je, da lahko vsak vrtljaj pri vrtenju pedal v grobem razdelimo na naslednje štiri segmente:

segment zgornjega mirovanja (ki vsebuje zgornjo mrtvo točko, v območju med številkama 11 in 1 na številčnici ure);

segment delovanja navzdol (ki vsebuje točko največjega navora navzdol, v območju med številkama 1 in 5 na številčnici ure);

segment spodnjega mirovanja (ki vsebuje spodnjo mrtvo točko, v območju med številkama 5 in 7 na številčnici ure);

segment delovanja navzgor (ki vsebuje točko največjega navora navzgor, v območju med številkama 7 in 11 na številčnici ure).

Poimenovanje segmentov je izbrano glede na položaj noge med enim obratom pri vrtenju pedal. Segmenti so prikazani v Sliki 1.

Dva segmenta mirujočega položaja sta v osnovi določena z dejstvom, da je v teh položajih ena noga na koncu svojega delovanja potiskanja, medtem ko se druga noga pripravlja na potiskanje. V obeh primerih situacija sovpada z najmanjšo gonilno silo. Ta položaja sta ključna, saj tu kolesar ne more prispevati pomembnega deleža v sistem in premagovanje položajev prekine njegov ritem kolesarjenja.

Osnovna zamisel E-hub pesta je, da se kolesarju omogoči, da potiska pedala z večjo močjo med segmenti delovanja, medtem ko se del shrani v vzmet E-hub pesta. Shranjena energija se nato sprosti med segmenti mirovanja, s čimer jih kolesar premaga hitreje in z manj truda. Vzmet lahko tudi povzroči, da postanejo prehodi med segmenti mehkejši, kar ima lahko blagodejen učinek na noge v smislu, da se nanje prenese manj stresa.

Želeli smo ugotoviti, ali leži v zamisli kakšna pomembna (izračunljiva) korist, zato smo preizkusili z mnogimi numeričnimi simulacijami. Izdelali smo model sistema klasičnega pesta in sistema E-hub pesta, kjer smo uporabili Newtonovo mehaniko in izvedli mnogo numeričnih simulacij s pomočjo programa Mathematica. Zaključek teh simulacij je bil naslednji:

Razporeditev sil kolesarja med potiskanjem pedal je treba vnaprej predvideti. Ne obstaja noben zanesljiv način, s katerim bi napovedali to razporeditev zaradi preveč kompleksne psihologije človeškega telesa. Razporeditev sil na pedale je močno odvisna od tehnike, ki jo uporablja posamezen kolesar.

Celo pri napovedovanju približnih reakcij kolesarja in njegove razporeditve moči na pedale nihajo možne koristi v območju nekaj odstotkov in zaradi potrebnih poenostavitev modelov bi bili vsi izračuni nezanesljivi.

Delo, razporejeno na pedale, bo v modelu E-hub pesta nujno večje (za enak učinek), saj je sistem kompleksnejši (vključuje dodatno vzmet z izgubami).

Slika 2. Kolesarji so navdušeni nad močnim občutkom večje učinkovitosti.

Slika 3. Pesto E-hub omogoča izkoristek potisne moči za 7-10%.

S teoretičnega vidika bi moral kolesar vložiti več dela na pedale. Vseeno pa gledano na celoten sistem skupaj s kolesarjem to morda sploh ne bi bila slabost. Namreč, energija, ki jo proizvede kolesarjevo telo, se delno porabi za toploto, del pa se je porabi za delo na pedale. Če predpostavljamo, da premagovanje segmentov mirovanja povzroča določen napor, ki učinkuje na kolesarja tako, da prekine njegov tempo kolesarjenja in ga utrudi, bi lahko imela dodatna pomoč vzmeti za premagovanje segmentov mirovanja blagodejne učinke. Zaradi uporabe vzmeti bi bili prav tako prehodi med segmenti mirovanja in segmenti delovanja bolj tekoči, kar bi mišicam povzročilo manj stresa in bi posledično najbrž tudi prihranilo nekaj energije.

A to vse so samo hipoteze, katerih ni mogoče dokazati z numeričnimi modeli. Zato so avtorjem priporočili, da poskusijo z ekperimentalnim postopkom. Bolj natančno naj bi bila primerjava med modelom klasičnega pesta in modelom E-hub pesta narejena z izmeritvijo naslednjega:

‘Skupni napor’ kolesarja med kolesarjenjem na isti progi pod enakimi pogoji. Ni najbolje določeno, kaj ‘skupni napor’ sploh je. Glede na nasvete športnih strokovnjakov smo zaključili, da sta največja/povprečna stopnja srčnega utripa in vsebnost mlečne kisline v krvi po eksperimentu kriterija, ki se najpogosteje uporabljata v takšnih primerih. Da je vsak takšen test lahko nepristranski, ga je treba izvesti z istim kolesarjem pod enakimi pogoji in najprej uporabiti klasični model, nato pa model E-pesta (in/ali obratno). Tukaj enaki pogoji pomenijo, da mora biti telesna pripravljenost/stanje kolesarja pred in po eksperimentu v obeh primerih približno enaka. Zunajni pogoji (proga, vreme itd.) morajo biti prav tako karseda podobni. Kolesar mora narediti enako število vrtljajev v eni minuti in imeti isto razmerje opreme med testi na obeh modelih, da tako progo prekolesari v približno enakem času. Teža kolesa mora biti približno enaka. Eksperimente je treba izvesti večkrat z različnimi kolesarji pri obvladljivih stalnih vrtljajih v eni minuti na različnih progah. Korist sistema E-hub pesta bi morala biti opazna v obliki manj udarcev srca med eksperimenti in/ali nižjimi stopnjami vsebnosti mlečne kisline po eksperimentih.

Spremembe razporeditve sile (moči) na pedale in spremembe položajev mrtvih točk. Pričakovati je, da bo povprečna (in tudi največja) moč modela E-hub pesta na pedale večja. Mrtvi točki se lahko za majhen kot premakneta v smeri urinega kazalca. Vzmet ima tudi lahko učinek na dolžino segmentov mirovanja, tako da jih skrajša in naredi lažja (hitrejša) za premagovanje.

Te teste so naredili avtorji inovacije. Rezultati so podrobneje razloženi v njihovem poročilu. Na splošno velja, da je na isti progi (in enakih zunanjih razmerah) povprečni in največji srčni utrip nižji za približno 4 %, medtem ko je vsebnost mlečne kisline po testih 10-15 %. Amaterji in polprofesionalni kolesarji, ki so poskusili uporabo E-hub pesta, so bili v splošnem navdušeni nad močnim občutkom večje učinkovitosti. Večina jih je izpostavila poseben občutek mehkobe, zlasti med vrtenjem pedal v hrib.

Za zaključek kažejo poskusi določene pomembne izboljšave v smislu optimizacije učinkovitosti kolesarjev.