Свободна лаборатория · Механика · 12–16 години

Скоростите на колелото

Леката предавка спестява ли работа? Прочети какво печелиш и какво губиш, после провери сам на хълма.

Печелиш сила – губиш път

Работата е сила по път. За да качиш себе си и колелото на хълма, трябва точно толкова работа, колкото е енергията за височината: масата по земното ускорение по височината. При колоездач от 50 kg и хълм от 40 m това са 19 620 J – при всяка предавка.

работа = сила × път

Леката предавка намалява силата на педала, но краката изминават толкова пъти по-дълъг път по кръга. Произведението остава същото. Леката предавка не спестява работа, а я разтяга във времето: повече завъртания, по-дълго изкачване, по-малка мощност.

Важно е отношението на зъбите

Предавателното число е броят зъби на предната плоча, разделен на броя зъби на задната зъбчатка. Колкото е по-голямо, толкова по-тежко се натиска и толкова повече метра изминава колелото за едно завъртане на педалите.

Затова 48/32, 36/24 и 24/16 са еднакво тежки: и трите дават 1,5. Голямата плоча отпред не значи непременно тежко – гледа се и задната зъбчатка.

Хълм 40 m на 400 m път, колоездач 50 kg
ПредавкаЧислоСила на педалаПът на кракаРабота
24/320,7573,6 N266,7 m19 620 J
36/241,5147,2 N133,3 m19 620 J
48/242196,2 N100 m19 620 J
48/124392,4 N50 m19 620 J

Сила, работа и мощност

Ако въртиш по-бързо със същата предавка, силата на педала не се мени – всяко завъртане те качва на същата височина. Мени се времето: същата работа за по-кратко време означава по-голяма мощност (работа за единица време).

Макари: същото правило

Една макара на тавана само обръща посоката: теглиш надолу, но силата е цялото тегло на сандъка. Помага подвижният (долният) блок: силата пада толкова пъти, колкото въжета го държат. С 4 въжета силата е четири пъти по-малка, но въжето, което теглиш, е четири пъти по-дълго.

Ако долният блок е тежък, ръцете вдигат и него. Тази работа е загуба: полезното действие пада под 100 %. Затова никой не слага 50 макари – въжето става огромно, блокът тежи, а всяка ос добавя триене.

Какво е опростено

  • Няма триене и въздух. Истинската работа е малко по-голяма, но никога по-малка.
  • Колоездачът се движи бавно и равномерно, без засилване и спиране.
  • Силата на педала е средната по кръга. „Твоят предел“ е игра: истинската сила се мени по кръга.

Опитът е класически и се среща в много учебни материали.

Безопасност

  • Карай колело с каска. Преди стръмно спускане намали скоростта навреме.
  • Сменяй предавките, докато въртиш леко, а не докато натискаш с всичка сила.
  • Пази пръстите и връзките на обувките далеч от веригата и зъбните колела.
  • Не стой под вдигнат товар. Опит с макари в клас – само с лек предмет, здраво въже и с учител. Ползвай ръкавици, когато теглиш въже.