Kraft berechnen beim Fahrradfahren
Hallo, ich hoffe mir kann jemand helfen, ich habe grade so einen Kurzfilm gesehen wo jemand Fahrrad fährt und im Hintergrund dadurch eine Glühbirne betrieben wird. Ich wollte jetzt mal überschlagen wie schnell/kräftig (bei nem Hohen Wiederstand am Dynamo oder so??) man fahren müsste um eine einfache Glühbirne zum leuchten zu bringen, nur mir fehlt einfach eine Formel um dieses "Kreisetreten" beim Fahhradfahren in Energie umzurechnen. Die Frage ist nun: Wie kann ich die Energie berechnen die beim Fahrradfahren aufgewendet wird, und wie lautet die Formel dazu. Ich hoffe das war halbwegs verständlich.
Lg M4lt3
5 Antworten
Da purzeln bei Dir offensichtlich einige physikalische Größen durcheinander.
Zunächst zur Energie. Das ist das Produkt aus Leistung und Zeit. Ein normaler (untrainierter) Mensch kann dauerhaft eine Gesamtleistung von 80 bis 100 W erbringen, also an das Fahrrad abgeben. Kurzzeitige Höchstleistungen bis zum 15-fachen dieses Werts sind möglich, jedoch nicht über einen längeren Zeitraum hinweg. Wenn wir nun für das Fahrrad von einem Wirkungsgrad von 80% ausgehen und für den Menschen von einer Dauerleistung von 100 Watt, dann könnte der Fahrradtreter dauerhaft z.B. eine Lampe mit der Leistung von 80 Watt betreiben. Dabei würde pro Stunde die Energie von 80 Wattstunden bzw. 0,08 Kilowattstunden (kWh) an der Lampe umgesetzt. Das sind umgerechnet 68,8 Kilokalorien.
Diese Rechnung hat zunächst gar nichts zu tun mit Kräften, Geschwindigkeiten oder Drehzahlen, wie Deine Frage vermuten lässt. Und mit dem Widerstand eines handelsüblichen Dynamos hat das auch nichts zu tun.
Zunächst zur elektrischen Seite: Der Widerstand ist der Quotient aus Spannung und Stromstärke. Die Leistung ist das Produkt aus Spannung und Stromstärke. Der Dynamo muss nur für die maximal geplante Leistung belastbar sein, damit er nicht durchbrennt. Die Hersteller bemessen seinen Widerstand gemäß Nennspannung und Nennleistung.
Nun zur Mechanik: Die Leistung ist das Produkt aus Drehzahl und Drehmoment. Dieses Verhältnis ist natürlich an der Pedalachse ein anderes als an der Radnabe. Dafür sorgen Kettenübersetzung und ggfs. die Übersetzung an der Gangschaltung. Übersetzungen ändern nichts an der Leistung, wenn man von den Reibungswiderständen (siehe Wirkungsgrad) absieht. Deshalb ergeben hier auch Deine Fragen nach "erforderlichen" Kräften und Geschwindigkeiten keinen Sinn. Da gibt es schließlich große Gestaltungsräume, allein schon durch eine Gangschaltung.
Zumindest aus meiner Sicht als Nicht-Physiker eine gute Erklärung. Eine Anmerkung:
Wenn wir nun für das Fahrrad von einem Wirkungsgrad von 80% ausgehen und für den Menschen von einer Dauerleistung von 100 Watt, dann könnte der Fahrradtreter dauerhaft z.B. eine Lampe mit der Leistung von 80 Watt betreiben.
Die 80 Prozent sind realistisch für den Antrieb des Fahrrades selbst.
Und mit dem Widerstand eines handelsüblichen Dynamos hat das auch nichts zu tun.
Doch, sehr viel sogar - zumindest, wenn Du mit Widerstand nicht den elektrischen Widerstand meinst. Weil hier noch der Wirkungsgrad des Dynamos dazu kommt. ein sehr guter Dynamo hat einen Wirkungsgrad von 65 Prozent. Von Deinen oben errechneten 80 Watt bleiben damit nur noch rund 50 Watt übrig.
Zum Dynamo selbst:
Die Hersteller bemessen seinen Widerstand gemäß Nennspannung und Nennleistung.
Ein Dynamo ist in der Regel eine Konstantstromquelle. Die Nennleistung ergibt sich aus dem gelieferten Strom und der Nennspannung bei vorgegebener Belastung durch einen externen Widerstand (12 Ohm). Der Strom beträgt etwa 500 mA max. Bei einem Widerstand von 12 Ohm ergibt sich eine Spannung von 6 Volt und damit eine Leistung von 3 Watt. Erhöht man den externen Widerstand, bleibt es bei 500 mA, aber die Spannung steigt - und damit die Leistung. Die meisten Dynamos sind kurzschlussfest, sie brennen also nicht durch, wenn man zu viel Leistung abzieht - die Spannung bricht einfach zusammen. Der Innenwiderstand ist mit 2 bis 3 Ohm (laut Herstellerangaben beim SON) eher niedrig.
Richtig ist, dass ich bei der groben Veranschlagung hier den Wirkungsgrad des Dynamos schlicht vergessen hatte, damit wäre also der Gesamtwirkungsgrad auf etwa 50% zu taxieren. Das berührt aber die Fragestellung wenig.
Dessen ungeachtet bin ich beim Dynamo nicht von der Serienausstattung ausgegangen, sondern von einer theoretischen Sonderanfertigung. Und da ergibt sich der Widerstand seitens der Konstruktion schlicht aus den technischen Vorgaben. Bei ggfs. variierenden Bauarten mit abweichenden Wicklungswiderständen heben sich diese Abweichungen wieder auf über Drehzahl und Drehmoment, die Leistung und der Wirkungsgrad sind davon nicht betroffen. Damit bleibt der Dynamo-Widerstand bedeutungslos für die "Kraft" am Fahrradpedal im Sinne der Fragestellung:
wie schnell/kräftig (bei nem Hohen Wiederstand am Dynamo oder so??) man fahren müssteKurz zur Ausgangsfrage: "Kraft berechnen beim Fahrradfahren". Welche Kraft sollte da zwischen welchen Punkten von welchen Maschinenelementen des Fahrrades unter welcher Drehzahlbedingung gemeint sein? Kraft = Drehmoment durch Radius. All die unzähligen Kräfte ändern sich ja schon durch die Betätigung der Gangschaltung!
Natürlich können wir einzelne Kräfte an bestimmten Stellen genau berechnen, wenn wir die jeweiligen Ausgangsgrößen dazu haben. Mit der Leistung der Lampe allein können wir da gar nichts anfangen.
Beim Radfahren lässt sich die Leistung schlecht berechnen; am Heimtrainer z.B. lässt sich
der Widerstand ja verschieden einstellen. Um Deine Leistung herauszufinden eignet sich
das Treppensteigen sehr gut. Angenommen Du hast 70kg Masse also ca. 700 N Gewicht
und schaffst pro Sekunde 1 m Höhenunterschied, dann leistest Du 700 Watt.
Das kann ich dir zwar nicht sagen aber es geht z.B. auch um deinen iPod/Handy aufzuladen ^^
Haha okay ^^ ich wollte nur mal so ein Gefühl dafür kriegen wv Energie man da erzeugt bzw benutzt.
Je nach deinem Trainingszustand werden Umdrehungen von 70-110 pro Minute am günstigsten sein. Trittst du schneller brauchst die meiste Energie für die bewegung dr Beine und am Pedal kommt nichts mehr an, oder nur wenig. hat einen riesigen Widerstand dass du ganz langsam treten musst dann brauchst zu viel Kraft und wirst nach 20 Sekunden WO geben. Dann solltest wissen bei welcher Drehzahl dein Dynamo am besten arbeitet und schon kannst dir ausrechnen mit welchem Gang bei zB 90 Umdrehungen der Kurbel die ideale Drehzahl für den Dynamo ist. Dann kannst nur noch messen: Volt mal Ampere beim Dynamo ergibt bei einer Ohmschen Last (Glühbirne) Deine Leistung in Watt. Minus der schwer messbaren Reibungsverluste und dem Wirkungsgrad.
'Die Leistung ist das Produkt aus Drehzahl und Drehmoment.'
Richtiger wäre: . . . Produkt aus Winkelgeschwindigkeit und Drehmoment . . .
Sonst gibt es krause Ergebnisse beim quantitativen Rechnen.