על מהירות, קאדנס, הילוכים ומה שביניהם

תהיתם פעם מה הקשר בין מהירות לסל”ד הרכיבה שלכם ולוואטים שאתם מייצרים? על כך ועל עוד כמה נושאים קשורים, בפוסט שלפניכם שמנסה לעשות קצת סדר בדברים

מאת: שי ונסובר
איורים: דוב טיבי

איך נמדדת המהירות ברכיבה בחוץ?

ישנן כמה שיטות למדוד ולחשב את מהירות הרכיבה שלנו באופניים. כשאנו רוכבים בחוץ ונעזרים במחשבי רכיבה, הם עושים זאת ע”י שימוש בנוסחה המוכרת לכולנו מבעיות התנועה בשיעורי חשבון בבית הספר:

דרך = מהירות x זמן.  מה שאומר כמובן: מהירות = דרך / זמן. 

אם בעזרתם של לוויני GPS, מחשב הרכיבה יודע את אורך הדרך שעברנו מנקודה A לנקודה B, הרי שבעזרת שעון העצר שבו, הוא יידע לחשב ולהגיד לנו מה המהירות שלנו. 

מה קורה אם אין ל’מחשב הרכיבה’ פונקציית GPS, או משום מה אין קליטת לוויינים? במקרה כזה ניתן לעשות שימוש בסנסור מהירות ייעודי שמותקן על האופניים, לרוב על הציר האחורי בגלגל. הסנסור הזה סופר את סיבובי הגלגל. אם נמדוד את קוטר הגלגל שלנו, נוכל ע”י הכפלת גודלו בקבוע π לדעת מה היקפו (2πR). סיבוב שלם של הגלגל, אומר שעברנו מרחק השווה לערך היקף הגלגל ומכאן יוצא שהמהירות שרכבנו בין נקודה A ל B הינה:

מהירות = (אורך היקף הגלגל x כמות סיבובי הגלגל שנספרה) / זמן. 

את הנוסחה הזו מפעיל סנסור המהירות. 

טיפ: שווה ללחוץ פה ולהצטרף לערוץ הטלגרם של בייקפאנל 

מערכת ההילוכים

בוא נבחן לרגע את הקשר בין סיבוב הגלגל למערכת ההילוכים שלנו. בכל אופניים יש לנו שתי מערכות גלגלי שיניים המחוברות ביניהן בשרשרת: המערכת מלפנים שהחלק העיקרי בה הוא הקראנק, כוללת בדרך כלל בין 1 ל 3 פלטות שיניים בגדלים שונים המחוברות לציר הפדלים. כלומר, סיבוב שלם שלה פירושו סיבוב שלם של הפדלים. ככל שנבחר בפלטה גדולה יותר (זו שיש לה יותר שיניים) כך היא תדרוש מאיתנו מאמץ גבוה יותר לדיווש, אבל גם תהיה בעלת פוטנציאל להשגת מהירות גבוהה יותר וכמובן הפוך – ככל שהפלטה קטנה יותר, היא תהייה קלה יותר לדיווש ובעלת פוטנציאל מהירות נמוך יותר.

המערכת מאחור, המכונה גם קסטה, בדרך כלל תכלול בין 8 ל 12 פלטות שיניים צמודות אחת לשניה, בסדר עולה לפי כמות השיניים בכל פלטה. כמות השיניים מגדירה את ההילוך עצמו. לדוגמא: קסטה מסוג 11speed 11-32 הינה קסטה המכילה 11 פלטות שיניים כאשר הקטנה ביותר הינה בעלת 11 שיניים והגדולה ביותר הינה בעלת 32 שיניים. הקסטה צמודה לציר הגלגל האחורי וסיבוב שלם שלה פירושו סיבוב שלם של הגלגל.

אם מותקן לנו באופניים Group Set המורכב ממערכת קדמית מסוג Compact 50/34 ואחורית עם קסטה מסוג 10speed 11-28T יש לנו למעשה 20 קומבינציות (10 כפול 2) של הילוכים אפשריים.
אבל מה זה אומר? ואיך זה קשור למהירות שלנו? 

הילוך / יחס Gear

היות ושני גלגלי השיניים (הקדמי והאחורי) מחוברים בשרשרת – הרי שהיחס ביניהם קובע כמה סיבובים יעשה הגלגל האחורי שלנו בכל סיבוב של הפדלים. לדוגמא:

אם אני נמצא בשילוב של פלטה קדמית גדולה בגודל 52 שיניים והילוך אחורי (גלגל שיניים) של 18, הרי היחס ביניהם הוא 2.89 (52/18).  זה אומר שבכל סיבוב של הפדלים, הגלגל האחורי יסתובב 2.89 פעמים.

אם שאלתם את עצמכם מדוע ההילוך הקשה ביותר באופניים הוא תמיד השילוב של פלטה קדמית גדולה והילוך אחורי הקטן ביותר? זה  מפני שהיחס המתקבל בשילובים הללו הוא הגדול ביותר – בסיבוב אחד של הפדלים  משיגים יותר סיבובי גלגל, כלומר התקדמות (מרחק) גדולה יותר, שבשבילה צריך להתאמץ יותר.  

וכמובן גם הפוך – מדוע ההילוך הקל ביותר באופניים הוא תמיד השילוב של פלטה קדמית קטנה והילוך אחורי הגדול ביותר? כי היחס שם הוא הכי קטן- ומשיגים פחות התקדמות ליצירת סיבוב אחד של פדל. 

בטבלה להלן, תוכלו לראות את יחסי ההילוכים המתקבלים בקומבינציות שונות של מערכות והילוכים:

ואיך זה מתקשר למהירות?

בצורה פשטנית, ניתן לומר כי:

המהירות שלנו שווה ל:  סל”ד x יחס ההילוך x היקף הגלגל. 

בוא נניח שאנחנו רוכבים באופני כביש עם גלגלים בעלי היקף של 2.096 מטר. על האופניים מותקן לנו Group Set שמורכב ממערכת Semi Compact – קרי פלטות קדמיות של 52 ו 36 שיניים וקסטה אחורית מסוג 11speed הכוללת את ההילוכים: 11-12-13-14-16-18-20-22-25-28-32. 

אם ההילוך שאבחר לרכוב עליו הוא 52 מקדימה ו 16 מאחורה, הרי שהיחס ביניהם הוא 3.25. פירוש הדבר שבכל סיבוב של הפדל, הגלגל האחורי יסתובב 3.25 פעמים. אם אני ארכב בסל”ד של 90 – שמשמעותו שבמשך דקה אני מצליח לסובב את הפדלים 90 פעם, הרי שהמהירות שלי תהיה: 613.08 מטר לדקה או 36.78 קמ”ש.

• 3.25 (פעמים שהגלגל מסתובב בכל סיבוב של הפדל)  x
• 90 סיבובים לדקה x
• 2.096 מטר x
• 60/1000 ע”מ להמיר מטר לדקה לק”מ לשעה (קמ”ש).

אם אני בוחן את הנוסחה (הפשטנית) שעכשיו רשמנו: מהירות שווה לסל”ד x יחס ההילוך x היקף הגלגל, הרי שישנם 3 דברים שאני יכול לבצע בכדי להשיג מהירות גבוהה יותר:

1. לרכוב בסל”ד גבוה יותר.
2. לבחור בשילוב הילוכים שייתן לי יחס הילוך גבוה יותר.
3. לבצע את א’ ו ב’ במקביל.

כמובן שגם ההפוך נכון. קרי, אם אוריד בסל”ד, או אבחר ביחס הילוכים נמוך יותר, או שניהם יחדיו – בהכרח המהירות שלי תפחת. אז מה בעצם הבעיה? למה לא תמיד לבחור בהילוך החזק ביותר ולרכוב בסל”ד מטורף ע”מ להשיג מהירות גבוהה?

ראשית יש גבול כמובן לקצב מהירות סיבוב הרגליים שבני אדם מסוגלים לייצר מבחינה פיזיולוגית/עצבית, גם ללא התנגדות כלל. אם אינני טועה שיא העולם עומד על 271 סל”ד, אבל כמובן שזה חריג ולא מאפיין את ממוצע הרוכבים. שנית, התשובה לשאלה נעוצה בהבנת המתאם בין סל”ד לכוח.

על הקשר בין סל”ד לכוח

כמות סיבובי הפדלים לדקה תלויה בכוח שאנחנו מסוגלים לספק. יותר כוח, יותר סיבובים לדקה, מהירות גבוהה יותר. אבל – מכירים את זה שאתם מקבלים תלוש שכר של 25,000 ₪ ברוטו ונדהמים לגלות שאחרי כל המיסים ותשלומי חובה למיניהם אתם בקושי נשארים עם 12,000 ₪ ביד? אז אותו דבר עם הכוח שאתם משקיעים באופניים. כשאנחנו רוכבים בחוץ פועלים כנגדנו 4 כוחות עיקריים:

1. כוח המשיכה
2. התנגדות מערכת ההינע של האופניים
3. התנגדות הגלגול
4. התנגדות האוויר

מבלי להיכנס להסבר על כל אחד מאלה, נאמר רק שהכוח שאנחנו משקיעים מתקזז עם סך כל הכוחות המתנגדים לנו והיתרה היא זו שלמעשה משפיעה על הסל”ד שאנחנו מצליחים לייצר בהספק מסוים.

דמיינו שהכוחות שציינתי לעיל מחוברים עם הפדלים שלכם לגלגל האחורי של האופניים רק בכיוון ההפוך. כשהם פועלים הם מייצרים מהירות נגדית הפוכה לשלכם. בשביל להתקדם קדימה ולייצר תאוצה אתם צריכים לדווש חזק יותר מהם – הם מקשים עליכם לסובב את הפדלים, כאילו דוחפים את הפדלים תחתיכם בעוצמה מסוימת בכיוון המנוגד. כשאנו בירידה (שיפוע שלילי) וכשסך הכוחות הללו פוחת בעיקר בגלל כוח המשיכה משנה כיוון, הרי שהם פועלים במגמה לטובתנו – הם מקלים עלינו לסובב את הפדלים. 

נסתכל על הדוגמא הבאה: נניח שאנחנו רוכבים במישור בקאדנס של 90 rpm על הילוך ביחס של 3.53, המהירות שלנו היא כ 40 קמ”ש ואנחנו רואים במחשב הרכיבה שההספק שלנו הוא כ 260 וואט. קרי זה הכוח שאנחנו משקיעים כעת בשביל לשמור על הסל”ד הזה בתנאי הרכיבה שבדוגמא שלנו. לפתע תוואי הדרך משתנה ומתחילה עליה (% השיפוע עולה). מה בעצם קורה? הכוח שמתנגד לנו עולה (בגלל כוח המשיכה). דמיינו שהוא מנסה לסובב את הפדלים שלנו בכיוון ההפוך. כעת חלק הולך וגדל מתוך ה 260 וואט שאנו משקיעים נגבים לכיסוי ‘הנזק’ של ההתנגדות הזאת ולכן אנחנו כבר לא מסוגלים לייצר 90 סיבובים לדקה, אלא פחות – הקאדנס שלנו פוחת ובהתאמה המהירות שלנו פוחתת. הגלגל האחורי כבר מסתובב פחות פעמים בדקה. מה האפשרויות שלי באם ארצה לשמור על אותה מהירות?

1. אוכל לנסות ולהוריד הילוך – זה יקזז במידה מסוימת את ההתנגדות שאני צריך להוסיף כנגד ההתנגדות שנוספה מהשיפוע. בצורה כזו אוכל להמשיך ולהשקיע את אותו כוח ולהישאר בסל”ד שהייתי בו. כמובן שאופציה זו טובה עד לרגע שבו אחוז השיפוע יגבר על ההילוך הנמוך ביותר שיש לי.
2. אוכל להפעיל יותר כוח – במידה ואעלה את ההספק שלי, אקזז בעצמי את התנגדות השיפוע. בשביל להישאר באותה מהירות, אצטרך להשקיע כוח נוסף שישאיר אותי ב 90 סל”ד. כמובן שככל שהשיפוע יגבר, אתקשה לעשות כך.
3. שילוב של א’ ו ב’.

סיבוב על ריק

ומה קורה במצב הפוך? כששיפוע הדרך יורד?  אותו דבר למעשה, רק בצורה הפוכה. מה שמביא אותי לשאלה הבאה – תהיתם פעם למה ישנם מצבים שאתם מרגישים שאתם מסובבים פדלים על ריק?
זה קורה בשל הסיבה שהאופניים נמצאים כרגע במהירות גבוהה יותר ממה שההילוך מסוגל לספק בכוח (ובהתאמה לסל”ד) שאתם משקיעים. קחו למשל ירידה תלולה ואנו נמצאים על ההילוך החזק ביותר. כוח המשיכה עובד לטובתנו – ההתנגדות שהוא מייצר מושכת את האופניים וכתוצאה מכך הגלגל האחורי צובר מהירות הולכת וגוברת. אם נמשיך ונשתמש בדוגמא הדמיונית שלנו – מישהו מסובב את הפדלים עבורנו. ככל שהמהירות גדלה, הקאדנס הדמיוני של הפדלים גדל. כל עוד אנחנו מצליחים לייצר קאדנס גבוה ממנו (להילוך הנל), אנחנו תורמים ומוסיפים למהירות הזו. אבל ממהירות מסוימת, יידרש מאיתנו להגיע לקאדנס לא הגיוני ונוח עבורנו בשביל לתרום ולהוסיף לתאוצה. כל דבר פחות מזה – ונרגיש שאנחנו מסובבים ‘על ריק’.

לדוגמא הילוך 52/11 (יחס 4.727) בסל”ד 110 פירושו מהירות של כ 65 קמ”ש (עבור גלגל בהיקף 2.096 מ’). אם האופניים הגיעו בירידה , כתוצאה משיפוע תלול ו/או רוח גב, למהירות של 70 קמ”ש – נצטרך להיות בקדנס של מעל 117 סל”ד – בשביל לתרום ולהגביר את מהירותם.

אותו דבר כשאתם רוכבים במישור על הילוך מסוים וכמה רגעים לפני שאתם מתחילים בטיפוס עליה, אתם מחליפים את ההילוך הקדמי מפלטה גדולה לקטנה. ישנן מספר שניות לפני שהעלייה מתחילה או לפני שאתם מבצעים שינוי והתאמה גם בהילוך אחורי, שהדיווש מרגיש קל יותר או ‘ריק’ ואתם מפסידים מומנטום. למה? אמרנו כבר – ש מהירות שווה ל – סל”ד x יחס ההילוך x אורך היקף הגלגל.
כשאתם רוכבים על סל”ד מסוים ומקטינים את יחס ההילוך. המהירות הפוטנציאלית (על אותו סל”ד) נמוכה יותר. אבל היות והאופניים כבר נמצאים במהירות שיוט מסוימת שגבוהה יותר מהמהירות הפוטנציאלית החדשה – הרי שאתם נמצאים במצב של דיווש סרק.

מתי תרגישו שוב את הפדלים? כשמהירות האופניים תפחת אל מתחת למהירות הפוטנציאלית לסל”ד או שתגדילו את הסל”ד (תפעילו יותר כוח). זו בדיוק הסיבה, מדוע חשוב שניתן את דעתנו איך ומתי לשנות הילוכים תוך כדי רכיבה, ע”מ להיות בנצילות מירבית של סל”ד והילוך ולנצל בצורה מקסימלית כל וואט שלנו לטובת צבירת מהירות ולא לשם דיווש סרק.

לסיכום

מהירות וסל”ד לכאורה מושגים פשוטים וברורים, אבל הקשר ביניהם מרתק ומספק הסבר לתופעות שנראות לנו מובנות מעליהן אבל לא תמיד אנחנו נותנים עליהן את הדעת.

מוזמנים להגיב, להאיר ולהעיר – בעמוד הפייסבוק של בייקפאנל

מאת: שי ונסובר, בן 49, טריאתלט חובב בקבוצת MyWay, עובד בתחום ההיי-טק ואוהב את כל מה שקשור בשילוב בין ספורט וטכנולוגיה.