שלחנו את מומחה הניסויים שלנו לבדוק ולתת סוף סוף מענה על השאלה הקיומית – מה יעיל יותר בעליות תלולות: לרכוב או לרוץ? באיזה שיפוע ריצה עדיפה על רכיבה מבחינה פיזיקלית?
אינטואיציה פיזיקלית
זוג האופניים הראשון המונע באמצעות דוושות המחוברות לציר הגלגל הקדמי הומצאו בשנת 1861. 24 שנים מאוחר יותר הומצא זוג האופניים שכלל גם תמסורת גלגלי שיניים בגלגל האחורי. לא צריך להיות גאון פיזיקלי כדי לדעת שהמצאות אלו שיפרו משמעותית את היעילות לעומת ריצה או הליכה. באופניים הכל זורם, מתגלגל וקל.
אלפים כבר הצטרפו לבייקפאנל בווצאפ:
אך מה קורה כאשר הכביש משופע בעלייה מתונה או תלולה? מה קשה יותר, לרכוב או ללכת? כאן, האינטואיציה תפנה מקומה לחישובים פיזיקליים וביו מכניים מורכבים, מבוססי מודלים וניסויים, כדי לספק את התשובה.
רוכב בכיף
עליות ויעילות
יעילות – מושג פיזיקלי המתאר את היחס בין האנרגיה המושקעת לבין העבודה שבוצעה. העבודה היעילה היא הבאת הרוכב או הרץ מנקודה אחת לשנייה. האנרגיה המושקעת, נמדדת בקלוריות, תהיה תמיד גדולה מהעבודה היעילה שבוצעה. הסיבה לכך היא שכדי לנוע קדימה אנו נלחמים בכוחות מתנגדים שהם בעיקר כוחות חיכוך (התלויים במשקל ובמקדמי החיכוך), ריסון וכוחות אווירודינמיים. בנוסף, בעיקר בריצה שאינה תהליך מתגלגל, עלינו להאיץ עצמנו מידי צעד. בעוד במישור חלק מהכוחות המתנגדים מתאפס, כי אין צורך "להילחם" בכוח הכובד, הרי בשיפוע יש משקל רב יותר לכוחות ולמומנטים הפועלים עלינו ועל האופניים.
דיאגרמת כוחות
למה אופניים יעילים יותר במישור?
קיימות מספר סיבות לכך שרכיבת אופניים במישור יעילה יותר מאשר ריצה במישור:
- האופניים מתגלגלים – מקדם החיכוך לגלגול בציר המרכזי ובתמסורת הוא נמוך מאוד (סביב 0.004). כל אחד יכול לעמוד על כביש משופע מבלי להחליק למטה, אך נסו להעמיד שם זוג אופניים. מומנט החיכוך שנוצר בגלל מקדם נמוך גם הוא קטן מאוד, ולכן איבוד האנרגיה ברכיבה קטן.
- רכיבת האופניים חלקה – היא חלקה ורציפה ומרכז הכובד קבוע. ברגע שמגיעים למהירות מסויימת, האינרציה (התמד) נשמרת עד כדי הצורך להתגבר על מקורות החיכוך השונים וההתנגדות האווירודינמית. בריצה, לעומת זאת, מתבצעת סדרה של קפיצות קדימה. נדרש כוח להאיץ את הרגל מידי צעד, ומרכז הכובד עולה ויורד. חלק גדול מהכוח המושקע על ידי הרץ במפגש עם הקרקע לא מוחזר ו"דועך" בתוך הסולייה.
- הילוכי האופניים – מאפשרים לרוכב לבחור יחס תמסורת אופטימלי בהיבט הביומכני (הילוך גבוה לעומת הילוך נמוך), ובכך לייעל את הרכיבה.
בעליות ריצה יכולה להיות יעילה יותר
בעלייה, בוודאי בעלייה תלולה, התמונה יכולה להתהפך והריצה תהיה יעילה יותר. הסיבות העיקריות הן:
- הרוכב צריך להשקיע אנרגיה כדי להתמודד עם משקל האופניים, וכך להוריד משמעותית את היעילות.
- בגלל המהירות הנמוכה קשה לרוכב לשמור על רכיבה יציבה ויעילה.
- הביומכניקה של הרכיבה, אופן העברת הכוח לדוושות ותנוחת הרכיבה מקטינים את יעילות הרכיבה. זה מצריך לא פעם לעמוד כדי להפעיל כוח ישיר מעל הדוושות, מה שפיזיולוגית מגדיל את המאמץ.
- ברכיבת שטח קיים קושי נוסף המצריך השקעת אנרגיה נוספת כדי להתגבר על מכשולים מזדמנים, כמו שורשים ואבנים, הבולטים מפני השטח. בשטח, עמידה בשיפוע תלול יכולה להוריד את אחיזת הגלגלים, שיפרפרו, ותגרום להורדת רגל ועצירה.
הצטרפו לניוזלטר – פעם בשבוע בלבד עם תכנים מעולים מהפאנל:
השיפוע הקריטי
מהאמור לעיל ניתן להבין שקיים שיפוע קריטי אשר ממנו והלאה יהיה קל יותר לאדם לרוץ מאשר לרכוב. שיפוע זה תלוי בגורמים רבים הקשורים לרוכב, לאופניים ולשטח בו רוכבים. בחיפוש אחר פרסומים בנושא זה, מצאתי את ההערכות הבאות: ברכיבת כביש השיפוע הקריטי לרוכבים חובבים הוא בין 13-15 אחוז. ברכיבת שטח השיפוע הקריטי הוא בין 8-11 אחוז. מעניין עד כמה הערכות אלה מדוייקות – אולי אפשר לבצע ניסוי מבוקר ולראות תוצאות בפועל?
לרכוב או לרוץ? זו השאלה
איך מודדים שיפוע עליות
אין רוכב כביש שלא ייזכר בגאווה איך טיפס (טיפס בשפת הרוכבים – לא רק רכב) עליית כביש מפורסמת. עליות מוכרות ותלולות בישראל הן חלק מהרפרטואר האישי: הטיפוס להר אדיר בצפון (1.8 ק"מ 11.1% שיפוע), או מעלה עקרבים בדרום (2.4 ק"מ 10.8% שיפוע) וכמובן – העליה לרמת רזיאל ("צובה") בהרי ירושלים עם כ 15% בנקודה הקשה שלה.
השיפוע של כביש מוגדר כזווית שבה נמצא הכביש ביחס למישור האופקי. הזווית של כביש אופקי היא אפס מעלות, ככל שהזווית גדולה יותר הכביש תלול יותר. מקובל למדוד שיפוע כביש באחוזים, קרי, כמה גובה אנכי נצבר ביחס להתקדמות האופקית. שיפוע של 10% למשל מבטא צבירת גובה של 100 מטר עליה לאורך קילומטר של כביש. בכבישים תקניים בעולם השיפוע המקסימלי האופייני הוא 14%, המתאים לזווית שיפוע של 8 מעלות (השיפוע באחוזים הוא טנגנס הזווית), אך יש גם כבישים החורגים מן הכלל.
הר אדיר – האם יוחזר למדינת ישראל לפני שביבי יודח?
את שיפוע עליות הכביש אפשר למצוא בתוכנת ניווט טופוגרפית – על ידי סימון נקודות על הכביש וקבלת גרף גבהים עליו מסומן השיפוע בכל נקודה. כדי לאמת את הנתונים, הצלבתי אותם עם מדידה פשוטה שביצעתי באופן הבא בסיוע אפליקצית פלס (Bubble Level) לטלפון החכם:
- מדידת זווית קורת הראש של האופניים כאשר האופניים מוצבים על מישור אופקי
- מדידת זווית קורת הראש של האופניים כאשר האופניים מוצבים על הכביש המשופע
- הפרש הזוויות הוא שיפוע הכביש במעלות שתורגם חשבונית לשיפוע באחוזים
הערה: ניתן, כמובן, להניח את הטלפון על הכביש ולקבל שיפוע ישירות אך בגלל האורך הקצר של הטלפון (לעומת המרחק בין הגלגלים באופניים) המדידה אינה מספיק מדוייקת.
ארד – מודד מוסמך
הגיע זמן הניסוי
כדי למצוא את השיפוע הקריטי שלי (על אופני שטח Anthem X של Giant) בחרתי חמישה קטעי כביש אותם רכבתי ורצתי. ציר ה- X (המשתנה הבלתי תלוי) היה שיפוע הכביש. ציר ה- Y (המשתנה התלוי) היה הדופק הממוצע במהלך הריצה או הרכיבה, המייצג בצורה זמינה לי אנרגיה המושקעת. מאחר שהרכיבה והריצה בכל קטע היו שוות במהירות ובמרחק, העבודה היעילה הייתה זהה, ולכן ההבדל בין הדפקים ברכיבה ובריצה באותו קטע, נמצא בקורלציה ליעילות. במילים אחרות, דופק גבוה יותר משמעותו יעילות נמוכה יותר. כדי לנטרל תופעות לוואי העלולות להשפיע על התוצאות ננקטו הפעולות הבאות:
- המבחנים נמשכו תקופת זמן קצרה (אין שינוי בכושר הגופני בין מבחן למבחן).
- המבחנים בוצעו באותה טמפרטורת סביבה.
נשאר רק לבצע
תוצאות גולמיות
הניסוי כלל חמישה מבחנים, כולם על אספלט בעל שיפוע מונוטוני לאורך של לפחות 200 מטר. בשני המבחנים הראשונים (שיפועים נמוכים) שמרתי על אותה מהירות קבועה ברכיבה ובריצה. במבחנים בהם השיפוע היה גבוה, ירדתי במהירות באופן זהה ברכיבה ובריצה.
תוצאות גולמיות של חמשת המבחנים
מבחן בשיפוע של 6%
ניתוח התוצאות
הטבלה של התוצאות הגולמיות משקפת מיד את התמונה. יעילות הרכיבה במישור גבוהה משמעותית מיעילות הריצה. ככל שהשיפוע גדל, ההבדל ביעילות קטן, ובשיפוע של 22%, הדופק בריצה היה נמוך מהדופק ברכיבה. בניסוי החמישי, בקטע בין זרזיר לעילוט (שם חוקי הבנייה וסלילת הכבישים לא בהכרח נאכפים), בשיפוע של 26% לא הצלחתי לסיים את הרכיבה.
זרזיר – עילוט: שיפוע של 26%
השוואת דפקים ממוצעים בכל שיפוע
לאור העובדה שבכל קטע המהירות הייתה שונה, כדאי לנרמל את התוצאות הגולמיות, להציג את יחס הדופק בין ריצה לרכיבה בכל מקטע, ומכאן לחשב מהו השיפוע הקריטי (הנקודה בה יחס הדופק ריצה:רכיבה מגיע ל- 1). מהגרף ניתן לראות שהשיפוע הקריטי שלי הוא 18%, כאשר, כבר בשיפוע של 15%, יחס הדופק מתקרב ל-1 (0.96).
התפתחות יחס הדופק ריצה: רכיבה לאורך שיעור השיפוע
סיכום
על בסיס הניסוי שבוצע, אפשר להעריך שהשיפוע הקריטי במקרה זה, הוא קצת מעל 15%, והרבה מתחת ל- 26%. תוצאה זו אינה רחוקה מהערכות האחרות בספרות. עבודה זו בוצעה בגלל העניין התיאורטי שיש לי בנושא ולא משיקולים פרקטיים. לכם, הרוכבים, אני ממליץ להתמודד עם השיפוע הקריטי לא על ידי ירידה מהאופניים, אלא על ידי רכיבה בזיגזג, ובכך "למתן" במעט את עקומת השיפוע בחלק החד שלה.
"הכתבה הבאה": לרכוב או לשחות?
כתב וצילם: דב טיבי
צילום מקירגיזסטן: ניסן יערי
לתגובות – כנסו לאינסטגרם שלנו והגיבו על האייטם שם:
