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Pergunte a Ethan: Por que andar de bicicleta uma milha de 4 minutos é muito mais fácil do que correr uma?

A pé, um atleta humano de elite pode correr uma milha em menos de 4 minutos. Em uma bicicleta, um humano em forma semelhante pode percorrer a mesma distância cerca de três vezes mais rápido, enquanto mesmo uma pessoa não atlética, mas relativamente saudável, pode pedalar uma milha em 4 minutos ou menos. Esta imagem mostra os ciclistas durante a 21ª e última etapa do Circuito de Ciclismo La Vuelta 2019 da Espanha. (OSCAR DEL POZO/AFP via Getty Images)

A maioria de nós nunca vai correr uma milha de 4 minutos. Mas em uma bicicleta, quase qualquer um pode fazê-lo.

Como seres humanos, muitas vezes damos como certo como nossos corpos funcionam. Contanto que posicionemos nosso centro de massa diretamente sobre ou entre nossos pés, podemos facilmente manter nosso equilíbrio. Quando andamos, a força entre a sola de nossos pés e o chão sobre o qual estamos nos impulsiona para frente, e o movimento de balanço que fazemos involuntariamente com nossos braços ajuda a equilibrar as forças esquerda-direita que nossos dois pés criam periodicamente. E quando corremos, corremos ou corremos, somos forçados a alterar a mecânica do nosso corpo não apenas para manter nosso equilíbrio, mas para alcançar as velocidades máximas e o uso mais eficiente possível de nossos gastos de energia. Não importa o quão rápido você seja, no entanto, nenhum humano a pé é capaz de ultrapassar o mesmo ser humano em uma bicicleta. Por que é esse o caso? É isso que Robert Adler quer saber, escrevendo para perguntar:

Por que posso pedalar facilmente uma milha em menos de quatro minutos, enquanto nunca seria capaz de correr uma milha de quatro minutos? Ou, de forma mais geral, como é que uma bicicleta converte minha produção de energia em quilômetros percorridos com muito mais eficiência do que correr?

Existem algumas razões pelas quais este é o caso, mas para entender por que andar de bicicleta é muito mais eficiente do que correr, temos que olhar para a mecânica e as forças em jogo.

Quando você está simplesmente parado na superfície da Terra, há apenas duas forças significativas agindo sobre você: a força da gravidade, puxando você para baixo, e a força normal, que é a força do solo empurrando seus pés para cima. . Contanto que seu centro de massa permaneça sobre ou entre seus pés, é fácil permanecer em pé de forma estável. (Chip Somodevilla/Getty Images)

Quando você está simplesmente em um terreno plano, existem apenas duas forças em jogo em seu corpo que importam: a força gravitacional, que o puxa para o centro da Terra com uma força proporcional à sua massa, e a força de o chão, que empurra você de volta com uma força igual e oposta. Na física, chamamos essa força do solo - ou seja, a força que impede você de cair Através dos a Terra — a força normal, uma vez que a força é sempre normal (ou perpendicular) ao solo. É por isso que é muito mais difícil equilibrar-se em terrenos muito inclinados do que em terrenos planos.

Se você fosse composto de matéria escura ou neutrinos, em vez de átomos, simplesmente passaria pela Terra, pois não haveria força normal exercida para se opor à força da gravidade. Do jeito que está, ou melhor, enquanto você está de pé, a força da gravidade se espalha por todo o seu corpo, enquanto a força normal, ascendente, atua apenas em seus pés. A maneira mais simples de testar e sentir isso é, de pé, simplesmente começar a se inclinar para a frente. Assim que seu centro de massa, localizado em algum lugar na área abdominal, estiver horizontalmente à frente dos dedos dos pés, você não poderá mais manter sua posição atual. Ou você terá que dar um passo à frente para manter o equilíbrio, ou simplesmente cairá.

Mesmo Michael Jackson, que notoriamente parecia inclinar-se demais para permanecer estável em sua performance acompanhando a música ‘Smooth Criminal’, deve obedecer às leis da física. Nesta tomada de ângulo alternativo de um show de 1996, pode-se ver claramente que seu centro de massa está, de fato, sobre seus pés. Observe o quanto ajuda ter os braços para trás, agindo como um contrapeso. (Bill Nation/Sygma via Getty Images)

Antes mesmo de considerarmos o que acontece quando você dá um passo, considere o que aconteceu antes: quando você escolheu se inclinar para frente. O que aconteceu para tornar essa inclinação – e esse movimento para frente – possível?

Para chegar à resposta, é bom lembrar Leis do movimento de Newton , e em particular a segunda e terceira leis. A segunda lei nos diz que a única maneira de mudar o movimento de um objeto, ou seja, fazer com que ele acelere, é aplicar uma força externa a ele. Quando você fizer isso, o objeto acelerará dependendo da força aplicada e da massa do objeto, relacionadas através da equação F = m para . E de onde quer que essa força venha, a terceira lei nos diz que há uma força igual e oposta agindo de volta no que quer que esteja empurrando nosso objeto: para cada ação, há uma reação igual e oposta.

Então, quando você se inclina para a frente, o que o está empurrando para frente? O único lugar para uma força externa agir sobre você é entre seus pés e o chão, então deve ser de onde a força vem. Se você já tentou andar com sapatos normais sobre uma superfície congelada e gelada, a falta de atrito é a razão pela qual você escorrega. É a força de atrito, agindo entre os pés (ou sapatos) e o chão, que o empurra para frente. Você empurra o chão, e o chão empurra de volta contra você, fazendo com que você acelere.

Seja humano ou animal, a maneira como nos impulsionamos para frente é pelo atrito entre nossos pés com o solo. Sem esse atrito, nenhuma força para a frente pode ser exercida. (PIERRE VERDY/AFP via Getty Images)

Claro, se você anda, corre ou corre, não é possível simplesmente avançar, exclusivamente, contra o chão. Se você quiser impulsionar-se para a frente, você simultaneamente deve empurrar para baixo com o pé, e isso faz com que você acelere não apenas na direção para frente (horizontal), mas também na direção para cima (vertical).

Este simples fato, acredite ou não, é a raiz de uma tremenda ineficiência no movimento bípede humano. Se você acompanhar o movimento do seu centro de massa – novamente, se você andou, correu ou correu – descobriria que ele sobe e desce consistentemente a cada passo. Quando seu pé atinge o chão no meio da passada e começa a empurrar você para frente, é quando seu centro de massa está no ponto mais baixo; quando a bola de seu pé traseiro é a única coisa que toca o chão, ou um pouco depois, seu centro de massa normalmente está no ponto mais alto. O movimento para cima e para baixo que fazemos quando nos impulsionamos para frente enquanto nos movemos como animais bípedes é uma tremenda ineficiência.

Usain Bolt, vestindo branco, corre ao lado de vários competidores em um evento de sprint. Ao minimizar seu movimento para cima e para baixo, os corredores podem converter com mais eficiência sua energia gasta em um movimento para frente, mas esse movimento ainda contém ineficiências substanciais que não podem ser facilmente melhoradas. (ESPORTES UNIVERSAIS)

Se você quiser se mover o mais rápido possível – executando um sprint completo, por exemplo – há um conjunto específico de técnicas que você pode empregar.

• Você pode se inclinar para a frente, colocando seu centro de massa à frente de seus pés, de modo que você se impulsione para cima e para frente com a quantidade máxima de força permitida entrando no componente para frente do seu movimento.
• Como seu centro de massa está se movendo em arcos parabólicos entre cada passo propulsor, os corredores que podem exercer controle corporal suficiente para minimizar o desperdício de movimento – como uma cabeça saltitante ou parte superior do corpo – desperdiçarão menos energia.
• E correr com os braços balançando e dobrados no cotovelo, um movimento completamente natural para a maioria de nós, ajuda a estabilizar nosso corpo à medida que corremos a cada passo.

Duas peças de tecnologia podem alterar drasticamente sua eficiência de corrida: seu calçado e a elasticidade da superfície em que você corre. Para gerar a maior quantidade de força para frente possível, você vai querer a maior quantidade de atrito estático – o tipo de atrito aderente, em vez do tipo deslizante – entre seus sapatos e o chão. Além disso, por causa da mecânica dos corpos humanos, uma pista que tem uma certa rigidez finita , como uma mola, será ideal para corredores humanos se não for nem muito baixo nem muito alto.

Yuliya Nesterenko, da Bielorrússia, assume a liderança na final feminina dos 100m nos Jogos Olímpicos de Verão de 2004 em Atenas, que ela acabou vencendo. A elasticidade da pista, o comprimento e a densidade dos picos de um corredor e sua capacidade individual de minimizar quaisquer movimentos ou tensões desnecessárias são fundamentais para correr a corrida mais rápida possível. No entanto, nenhum corredor pode competir com uma bicicleta nas mesmas condições. (Sean Garnsworthy/Getty Images)

Isso significa que você deve simplesmente investir em tênis de corrida que tenham o piso mais aderente em suas solas? Não exatamente. Existe uma maneira de obter quantidades ainda maiores de atrito do que com solas planas ou ranhuradas com um coeficiente de atrito estático : usar sapatos com pontas.

Sapatos com picos longos e numerosos maximizarão seus coeficientes de atrito estático entre seus sapatos e o solo / pista, permitindo que o usuário não apenas atinja altas velocidades, mas atinja sua velocidade máxima incrivelmente rapidamente. Se você perceber – e terá a oportunidade neste verão durante as Olimpíadas – que corredores em diferentes corridas de distância estão usando diferentes tipos de pregos, isso é de se esperar. Um número menor de espigões longos permitirá que o usuário ainda atinja sua velocidade máxima, mas o fará mais lentamente, portanto, eles não precisam de tanto atrito.

À medida que você chega a eventos de média e longa distância, você verá que o os picos ficam ainda menores e em menor número ; para corridas além de 1 milha (cerca de 1600 metros), é raro ver picos de qualquer tipo implementados.

Nas Olimpíadas de 2008, o famoso jamaicano Usain Bolt usava sapatos com cravos dourados. Seus longos e numerosos picos são tipicamente para corredores de 100m e 200m: as distâncias competitivas mais curtas. A alta densidade de espigões longos ajuda com aceleração rápida e conversão máxima de energia em impulso para a frente. Existem regulamentos sobre esses picos, pois picos mais longos ou mais numerosos podem dar a um atleta uma vantagem competitiva injusta sobre outros no campo. (Steve Christo/Sydney Morning Herald/Fairfax Media via Getty Images)

Mesmo com a forma ideal, fisiologia ideal, sapatos/pregos ideais e condições de pista ideais - mesmo se você remover totalmente a resistência do ar ou ajudar o corredor com vento de cauda - o mais rápido que um ser humano é capaz de correr, mesmo no mais curto distâncias de sprint, em torno de 10 metros por segundo em média. (O recorde de maior velocidade instantânea para um corredor humano pertence a Usain Bolt, que atingiu 12,4 m/s, ou cerca de 44,7 km/h, ou 27,8 mi/h no seu ritmo mais rápido.)

Então, o que torna o ciclismo muito mais eficiente, quando se trata de transformar a energia que produzimos como seres humanos em movimento para a frente?

Existem alguns fatores em jogo que você pode pensar em creditar. Uma é que as bicicletas têm rodas, e o sistema de roda e eixo é muito mais eficiente do que depender das articulações humanas para o movimento. Outra é que as bicicletas modernas têm marchas e, ao empregar várias relações de diferencial de marcha, você pode controlar a eficiência com que transforma energia em movimento. Ainda outra é que há muito pouco movimento para cima e para baixo que ocorre quando você anda de bicicleta, principalmente em comparação com corrida ou caminhada. E mais uma é que, na posição agachada em uma bicicleta, você pode obter uma forma muito mais aerodinâmica do que quando corre, o que exige uma posição principalmente ereta.

Esta fotografia mostra um ciclista de mais de 100 anos atrás, que remonta a algum momento da década de 1910. Embora as bicicletas de hoje sejam mais leves, mais aerodinâmicas e com forças de perda reduzidas nos sistemas de corrente e engrenagem, os princípios de vantagem mecânica e peso equilibrado permanecem inalterados desde aquela época. (Encontrado Image Holdings/Corbis via Getty Images)

Mas qual desses fatores, se houver, é o mais importante para permitir que as bicicletas obtenham velocidades tão dominantes sobre corrida ou caminhada?

A resposta, talvez surpreendentemente, é o movimento inútil de andar para cima e para baixo. Há um pouco mais na história do que apenas isso, mas das explicações acima, essa ineficiência chega mais perto de ser correta.

O fator dominante é simplesmente o princípio da vantagem mecânica: uma fração maior de sua energia gasta vai para impulsioná-lo para frente – criando uma força na direção do movimento – quando você anda de bicicleta do que quando anda. Ao caminhar, correr ou correr, você gasta energia para mover todas as diferentes partes do corpo: braços, pernas, tronco, etc., tanto na direção horizontal quanto na vertical. Quando você está simplesmente andando, seu corpo se comporta de uma maneira que é cerca de 33% eficiente; quando você corre, você vai mais rápido, mas sua eficiência cai para cerca de 20%.

Em uma bicicleta, no entanto, especialmente se seus pés estiverem presos aos pedais e você viajar em alta velocidade, é possível obter eficiências significativamente superiores a ~ 90%. Para a mesma energia (aproximadamente ~ 60 W) que você gasta andando em um ritmo lento – 5 km/h (3 mph) – você pode viajar cerca de três vezes mais rápido em uma bicicleta.

A vantagem mecânica de uma bicicleta permite que um ciclista, particularmente em altos níveis de esforço, transfira quase 100% de sua energia exercida nos pedais e diretamente nas rodas. Isso resulta em velocidades que normalmente são ~3 vezes mais rápidas do que um corredor pode alcançar para um nível de esforço comparável. Aqui, esta foto de 2018 mostra Geraint Thomas pedalando em direção à linha de chegada na Etapa 12 do Tour de France daquele ano. (Chris Graythen/Getty Images)

Vamos comparar o que acontece entre os dois cenários.

• Quando você anda ou corre, suas pernas pressionam o chão através de seus pés; quando você anda de bicicleta, suas pernas fornecem energia aos pedais.
• Quando seus pés pressionam o chão, uma fração significativa dessa energia vai empurrá-lo para cima: lutando contra a força da gravidade; quando seus pés pressionam os pedais, toda a energia vai para as rodas, exceto o que for perdido pela ação mecânica dos sistemas pedal/engrenagem/corrente/eixo.
• Quando você caminha ou corre, seu peso está para a frente e, portanto, você precisa mover a perna traseira para frente para pegá-lo e empurrá-lo de volta, fornecendo uma força normal maior que a força da gravidade; quando você pedala, seu peso fica entre as duas rodas/pneus, então eles automaticamente cuidam da força normal entre a bicicleta e o solo, fornecendo uma força normal que é igual à força da gravidade.

Ser um animal bípede é, na verdade, tremendamente desvantajoso no que diz respeito à velocidade; a única vantagem evolutiva que temos sobre animais como gazelas, guepardos e leões é a resistência. Podemos não ser capazes de correr tão rápido quanto os animais mais rápidos, mas em vez disso, evoluímos para ser corredores de distância , permitindo-nos atropelar e capturar presas muito mais rápidas, mesmo sem ferramentas avançadas de caça.

Esta réplica de uma pintura da Caverna de Altamira (Cueva de Altamir), na Espanha, mostra humanos caçando um elefante com lança. Embora um elefante possa facilmente ultrapassar um humano em curtas distâncias, nossas capacidades superiores em corrida de resistência nos permitem cansar nossa presa, onde é relativamente fácil de matar. Esta pintura foi criada entre 18.500 e 14.000 anos atrás, enquanto as pinturas mais antigas da caverna datam de ~ 35.600 anos atrás. (Universal History Archive/Universal Images Group via Getty Images)

Muito poucos de nós serão capazes de correr uma milha em 4 minutos, mas quase todos nós que somos relativamente saudáveis ​​e ainda não idosos ou enfermos podem percorrer uma milha em menos de um tempo de bicicleta. Embora o ciclismo e a corrida alavanquem os mesmos músculos e órgãos principais – os músculos das pernas para obter energia, o coração e os pulmões para bombear sangue oxigenado para esses músculos e nosso sistema natural de suor/resfriamento para sustentar esses esforços por longos períodos e distâncias – o ciclismo é muito mais eficiente na conversão desses gastos de energia em movimento para a frente.

Caminhar e correr, embora tenhamos evoluído para fazê-los, são movimentos intrinsecamente um desperdício. A necessidade de combater a força da gravidade e ter apenas dois pontos de contato com o solo é inerentemente limitante, enquanto o avanço tecnológico da roda e do eixo, e o posterior desenvolvimento da bicicleta, oferece uma vantagem mecânica significativa sobre o que a evolução nos deu.

É o suficiente para fazer uma pergunta, por que a evolução não dar origem à roda e ao eixo em algum animal? Mas isso é uma pergunta para outro dia!

Envie suas perguntas Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com !

Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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