Categorieën
Analyse

Fiets

Fietsen is veel zuiniger dan lopen. Met de fiets ben je ook veel sneller. Waarom is dat? Wat is het geheim van de fiets?

Vrouw op fiets door Nelson L.De fiets

De fiets is een fantastische uitvinding, omdat het met menselijke spierkracht mogelijk is ruim tweemaal zo snel te gaan als hardlopen. Ook qua zuinigheid overtreft fietsen (hard)lopen vele malen: je kunt er met dezelfde energievoorraad veel verder mee komen. Ik wil graag natuurkundig verklaren hoe dat komt.

De essentie

Een fiets is een mechaniek bestaande uit vele onderdelen, maar de meest essentiële onderdelen zijn de twee wielen. Eigenlijk zou dit blog dus de essentie van het wiel moeten heten, want de toepassing in de fiets is wel zeer fraai, ook omdat er nog tandwielen in voorkomen die feitelijk een uitbreiding zijn van het wielconcept.

RacefietswielHet wiel is al duizenden jaren oud en het is waarschijnlijk de handigste uitvinding aller tijden, hoewel de uitvinder naamloos is gebleven. Dit cirkelvormige object heeft een as in het midden waarom het draait en waarop een vervoermiddel  kan worden gemonteerd. Mits de ondergrond enigszins vlak is, kan met dit vervoermiddel (bak, wagen, fiets, auto) veel gemakkelijker dan lopend objecten en mensen worden vervoerd.

De crux van het wiel zit hem erin dat het gewicht van het te vervoeren object ondersteunt, terwijl het zwaartepunt op dezelfde hoogte blijft.

Ondersteunen

De eerste functie van de fiets is dus ondersteunen tijdens de voortgang. Dit lijkt triviaal, maar is het niet. Als je loopt wordt je lichaam door je eigen spieren rechtop gehouden. Dit kost kracht, zelfs als je stilstaat. Probeer maar eens uren te staan, dat houd je niet vol. Of houd een gewicht omhoog van 25 kilo. De zwaartekracht zorgt voor een statische belasting die energie kost, zelfs zonder beweging. Dat heeft met de werking van onze spieren te maken.

Voortbewegen

De fiets ondersteunt niet alleen. Dan zou je ook een stoel kunnen nemen. Je kunt er ook nog eens mee van A naar B komen. Zoals ik in een eerder artikel analyseerde kost hardlopen zoveel energie omdat je tijdens de voortbeweging de hele tijd op en neer gaat. De opgaande beweging tegen de zwaartekracht in kost veel energie en die energie gaat helaas grotendeels verloren (of beter gezegd: wordt omgezet in warmte). Het cruciale van fietsen is dat de beweging puur horizontaal is (behalve in de bergen). Alle energie kan dus worden besteed aan het overwinnen van de lucht- en rolweerstand. Daarom kun je met fietsen zoveel sneller en verder gaan.

Ontwikkeling van de fiets

De fiets heeft natuurlijk niet alleen voordelen. Dat zie je ook in de ontwikkeling van de fiets. De eerste modellen hadden een loopaandrijving. Pas na toepassing van pedalen was dat niet meer nodig, maar in het begin zaten die pedalen nog rechtstreeks op het voorwiel, dat daarom gevaarlijk groot werd om niet te snel te hoeven trappen. Nadat de overbrenging via tandwielen en een ketting ging was dat niet meer nodig en de uitvinding van de luchtband maakte het fietsen ook nog eens veel comfortabeler.

Voor de snelheid is evenwel de luchtweerstand de grootste beperking. Deze gaat evenredig met het kwadraat van de snelheid, maar ook met het oppervlak in de bewegingsrichting. Je kunt wel heel diep gaan zitten, zoals op een racefiets, maar dit belemmert de ademhaling en het zicht en je hebt altijd nog de benen die veel wind vangen. Je ziet dan ook dat ligfietsen, en zeker die met een aerodynamische overkapping, een veel kleiner oppervlak in de bewegingsrichting hebben en dus nog veel sneller kunnen.

Wat je de laatste jaren ook ziet is de enorme populariteit van de elektrische fiets. Daarmee wordt het ook voor de minder sportieve fietser mogelijk grotere snelheden en afstanden te bereiken. Je kunt dus wel stellen dat de fiets een van de meest succesvolle uitvindingen aller tijden is die nog lang niet aan het einde van zijn ontwikkeling is gekomen.

 

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *