Почему беговая дистанция на таком же расстоянии требует больше усилий, чем езда на велосипеде? Когда мы бежим дистанцию в 1 километр, мы чувствуем, что полностью выдохлись, но если перейти на велосипед, то это кажется нам легкой задачей. В обоих случаях человек преодолевает одинаковую дистанцию, и затрачивается одинаковое количество энергии (главным образом за счет ног). Велосипед не выполняет какой-либо работы, но увеличивает вес велосипедиста, и все же мы чувствуем, что беговая дистанция требует больше усилий, чем езда на велосипеде. Почему так происходит?
Некоторые утверждают, что при езде на велосипеде по той же трассе, что и при беге, общая работа (или затраченная энергия), необходимая для "движения массы", одинакова в обоих случаях. Однако это утверждение неверно. Потому что работа заключается не в перемещении массы, а в преодолении так называемых "дисперсионных сил", таких как ветер и трение, создающих сопротивление.
Чтобы понять физический смысл беговой и велосипедной дистанции, давайте сделаем два полуколичественных расчета. Исследования показывают, что для езды на велосипеде со скоростью 8 км/ч на достаточно легком велосипеде необходимо прилагать усилие около 1 Н для преодоления трения в подшипниках колеса и около 2 Н для преодоления трения качения шины. При этом сопротивление ветра составляет около 1 Н. Таким образом, общая работа по преодолению этих "дисперсионных сил" составляет около 4 Н. Для преодоления 1 километра велосипедисту потребуется около 4000 джоулей энергии. Если увеличить скорость в два раза (то есть до 16 км/ч), то сопротивление ветра увеличится в четыре раза, и общая работа составит около 7000 джоулей. Если увеличить скорость в два раза (то есть до 24 км/ч), то сопротивление ветра увеличится до 9 Н, и велосипедисту потребуется около 12 000 джоулей энергии для преодоления 1 километра.
Ситуация с бегом более сложная, и включает в себя два основных движения: горизонтальное движение тела и вертикальное движение центра тяжести при каждом шаге. Именно последнее отнимает у бегуна большую часть энергии. Для бегуна весом 70 кг, если он подпрыгивает при шаге примерно на 15 см, то на каждый шаг расходуется около 100 джоулей энергии. Эта энергия в конечном итоге превращается в тепло и звук при ударе ноги о землю. Если предположить, что на километр приходится 925 шагов, то общая энергия, затраченная на удар ноги о землю, составит около 92 500 джоулей. По сравнению с общей энергией, затраченной на велосипедную езду, ответ очевиден.
Мы также можем рассмотреть это с другой точки зрения, а именно то, что работа, выполняемая при обоих видах движения, происходит за счет потребления кислорода спортсменом. По оценкам специалистов по спортивной физиологии, потребление энергии при беге составляет около 260 000 джоулей на километр, что почти в три раза превышает энергию, затрачиваемую на преодоление внешних "дисперсионных сил"! Дополнительная энергия используется для преодоления внутренних "трений", таких как потоотделение при беге, что свидетельствует о выделении большого количества тепла, поэтому бегуны чувствуют, что им становится все жарче, и даже потеют сильно. При езде на велосипеде такая потеря энергии минимальна. Если ехать со скоростью 8 км/ч, то велосипедист будет делать около 32 оборотов педалей в минуту (около шага обычного пешехода), и за исключением периодического движения ногами вверх во время педалирования, верхняя часть тела велосипедиста практически не движется. Если дорога и велосипед в хорошем состоянии, то потребление кислорода будет лишь немного больше, чем у пешехода, и даже меньше, чем у бегуна в 1/10 раз.
Вышеуказанные расчеты и практические данные показывают, что езда на велосипеде действительно требует гораздо меньших усилий, чем бег на таком же расстоянии.