Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами - [21]
Куда же уходит 80 % энергии (в случае горного велосипеда) или 20 % ее же (в случае велосипеда гоночного)? Вам доводилось месить тесто для хлеба? Пробовали ли вы в течение нескольких минут подряд переминать слои теста? Это на удивление тяжелая работа, ведь вам приходится все время менять порядок молекул в массе, сближая одни и отдаляя другие. При этом тесто приобретает вид, очень далекий от изначального. Меняется и его структура: ведь вы проделали большую работу и вложили в нее много энергии. Езда на велосипеде очень напоминает этот процесс. Вы заставляете колеса вращаться, и шины и находящийся в них воздух постоянно подвергаются растяжению (вверху) и сжатию (внизу). Вращение шин требует энергии. Она затрачивается на преодоление сопротивления качению. Если тесто после разминания становится более упругим, то езда на велосипеде никак не меняет шины. При этом затрачиваемая энергия переводится в тепло (и звук) при растяжении и сжатии шин. Толстые и плотные шины горного велосипеда имеют более высокое сопротивление качению, чем тонкие и эластичные шины велосипеда гоночного. Оставшаяся часть вашей энергии, затрачиваемой на езду на велосипеде, расходуется на преодоление сопротивления качению. На горном велосипеде на это уйдет 80 %, а на гоночном – 20 % энергии.
Энергетический кризис?
Можно ли что-то сделать, чтобы уменьшить потери энергии при езде на велосипеде? Если энергия у нас теряется тремя способами, то и сохранять ее мы можем тоже по трем направлениям.
На первый взгляд борьба с трением должна быть самой легкой задачей: вам всего лишь нужно как следует смазывать втулки, передачи и цепь. Но те потери, которые связаны с работой подшипников, шестеренок и т. п., – самые легкие заботы. Гораздо большие потери от трения происходят, когда вы тормозите и растрачиваете впустую весь импульс, который приобрели. При этом вы безвозвратно переводите его в тепло. Опытные велосипедисты стараются избежать этой проблемы, минимизируя необходимость торможения. Обычно вы заранее можете предвидеть, когда нужно будет остановиться (например, на светофоре), и заблаговременно снижаете усилия, прилагаемые к педалям. Тормоза-то вы используете реже, но это не спасает вас от потери кинетической энергии при остановке. Здесь вы ничего не можете поделать. Гибридные автомашины и электропоезда используют так называемое регенеративное (рекуперативное) торможение: энергия торможения преобразуется в электрическую и накапливается в специальных аккумуляторах для повторного использования. Как мы увидим в следующей главе, эта техника очень эффективна для больших и тяжелых транспортных средств, перемещающихся с высокой скоростью (там доля регенерируемой энергии велика). Но она не очень хорошо работает в случае легких транспортных средств, двигающихся на относительно малых скоростях с небольшой энергией (велосипедов в том числе).
Наверняка вам доводилось видеть велосипедистов-любителей, которые путешествуют, затянутые в тонкие трико из лайкры и в каплевидных шлемах на голове. Эти люди стараются снизить те 80 % расхода энергии, которая теряется на преодоление сопротивления воздуха. Обращали внимание, как они выстраиваются в линию друг за другом? Если вы попадаете в разреженный воздух за следующим перед вами гонщиком, то можете сэкономить от четверти до трети усилий, которые вы затрачиваете, когда едете в одиночку[47]. И это только начало. Профессиональные гоночные велосипеды имеют различные приспособления для улучшения аэродинамики. Это и специальный руль, на который вы можете опираться локтями, снижая сопротивление воздуха; и спицы в виде пластин, которые служат той же цели. Группирование спортсмена в форме «черепахи» позволяет ему нестись вперед со скоростью зайца, а обтягивающая одежда предназначена для того, чтобы двигаться быстрее. Хотя для среднего велосипедиста, наслаждающегося поездками по воскресеньям, все это куда менее важно, чем для среднего олимпийца.
А как вы смотрите на бритье ног для того, чтобы мчаться на велосипеде быстрее? Я внимательно просматривал научно-технические журналы в поисках доказательств того, что бритье ног может улучшить результаты велосипедиста, но не нашел их. Неудивительно. Как провести такие исследования? Вряд ли вы можете выступить на соревнованиях, побрить ноги и выступить снова. Не можете вы побрить и одну ногу, чтобы сравнить с другой. Чтобы установить истину, нужно организовать хитрый эксперимент в продувочном тоннеле. Можно в нем установить манекен велосипедиста и «продуть» его сначала с приклеенными к ногам «волосами», а затем без них. Наверное, от бритья ног спортсмены могут получать дополнительную уверенность. Для вас же, как простого любителя, все преимущества могут состоять в облегчении массажа ног после тренировки или обработки ран, которые вы можете получить при падении. Олимпийские чемпионы борются за каждую долю секунды, но для остальных такие ухищрения по преодолению сопротивления воздуха имеют минимальный эффект[48].
Лосось может выпрыгивать высоко из воды, потому что его тело похоже на очень гладкую трубу, которая движется навстречу и параллельно потоку воды. Профессиональные велосипедисты достигают высоких скоростей тогда, когда пытаются использовать такое природное явление в своих интересах. Лучший способ резко снизить сопротивление воздуха – использовать
