Большинство из нас никогда не сможет пробежать милю (1,6 км) за четыре минуты. Но на велосипеде это под силу практически каждому

Мы, люди, часто воспринимаем работу своего тела как нечто само собой разумеющееся. Пока наш центр масс находится непосредственно над стопами или между ними, мы легко сохраняем равновесие. Когда мы идём, сила взаимодействия между подошвами наших ног и землёй, по которой мы ступаем, толкает нас вперёд, а непроизвольные маховые движения руками помогают уравновешивать боковые усилия, которые попеременно создают наши ноги. А когда мы переходим на бег трусцой, обычный бег или спринт, нам приходится менять механику движений тела, чтобы не только сохранять равновесие, но и достигать максимально возможной скорости при наиболее эффективном расходовании энергии. Однако независимо от того, насколько быстро вы бегаете, ни один человек не способен обогнать самого себя, едущего на велосипеде. Почему так происходит? Именно это хочет узнать читатель блога Итана Сигеля, который написал следующий вопрос:

«Почему я могу легко проехать на велосипеде милю менее чем за четыре минуты, хотя никогда не смог бы пробежать милю за четыре минуты? Или, если говорить более общо, почему велосипед преобразует затрачиваемую мной энергию в преодолённое расстояние настолько эффективнее, чем бег?»

[1,6 км за 4 минуты, то есть примерно 1 км за 2 минуты 30 секунд / прим. перев.]

На это есть несколько причин. Но чтобы понять, почему езда на велосипеде намного эффективнее бега, необходимо разобраться в механике движения и действующих силах.

Когда вы просто стоите на ровной поверхности, на ваше тело действуют только две силы, имеющие существенное значение: сила тяжести, которая притягивает вас вниз, к центру Земли, с силой, пропорциональной вашей массе, и сила со стороны земли, которая толкает вас вверх с равной по величине и противоположно направленной силой. В физике эту силу со стороны земли, то есть силу, которая не позволяет вам провалиться сквозь поверхность Земли, называют силой нормальной реакции опоры, поскольку она всегда направлена по нормали, то есть перпендикулярно поверхности. Именно поэтому на сильно наклонной поверхности сохранять равновесие гораздо труднее, чем на ровной.

Если бы вы состояли из тёмной материи или нейтрино, а не из атомов, то просто провалились бы сквозь Землю, поскольку не возникло бы силы нормальной реакции опоры, противодействующей гравитации. В действительности, когда вы стоите, сила тяжести действует на всё ваше тело, тогда как направленная вверх сила нормальной реакции опоры приложена только к стопам. Самый простой способ проверить и почувствовать это — стоя прямо, начать наклоняться вперёд. Как только ваш центр масс, расположенный где‑то в области живота, окажется по горизонтали впереди кончиков пальцев ног, вы больше не сможете сохранять прежнее положение. Вам придётся либо шагнуть вперёд, чтобы удержать равновесие, либо просто упасть.

Прежде чем рассматривать, что происходит, когда вы делаете шаг, подумайте о том, что произошло ещё раньше, когда вы решили наклониться вперёд. Что вообще сделало возможным этот наклон и последующее движение вперёд?

Чтобы найти ответ, полезно вспомнить законы движения Ньютона, в частности второй и третий. Второй закон говорит нам, что единственный способ изменить параметры движения объекта, то есть придать ему ускорение, заключается в приложении внешней силы. В этом случае ускорение объекта будет зависеть от приложенной силы и его массы, связанных уравнением F = ma. А третий закон утверждает, что независимо от источника этой силы на тело, которое воздействует на наш объект, действует равная по величине и противоположно направленная сила: каждому действию соответствует равное и противоположное противодействие.

Итак, когда вы наклоняетесь вперёд, что именно толкает вас в этом направлении? Единственное место, где на вас может действовать внешняя сила, это область контакта стоп с землёй. Следовательно, сила должна возникать именно там. Если вы когда‑нибудь пытались идти в обычной обуви по замёрзшей, обледеневшей поверхности, то знаете, что скольжение происходит из‑за недостатка трения. Именно сила трения, действующая между вашими стопами (или обувью) и землёй, толкает вас вперёд. Вы отталкиваетесь от земли, а земля в ответ толкает вас, заставляя ускоряться.

Конечно, независимо от того, идёте вы, бежите трусцой или спринтом, невозможно отталкиваться от земли исключительно вперёд. Чтобы продвигаться вперёд, вы одновременно должны давить ногой вниз. Из‑за этого возникает ускорение не только в горизонтальном направлении, вперёд, но и в вертикальном, вверх.

Хотите верьте, хотите нет, но именно этот простой факт лежит в основе огромной неэффективности передвижения человека на двух ногах. Если бы вы проследили за движением своего центра масс, независимо от того, идёте вы, бежите трусцой или спринтом, то обнаружили бы, что с каждым шагом он неизменно поднимается и опускается. Когда в середине шага стопа касается земли и начинает толкать вас вперёд, центр масс находится в самой нижней точке. Когда земли касается только передняя часть стопы отталкивающейся ноги или мгновение спустя, центр масс обычно находится в самой высокой точке. Эти движения вверх и вниз, которые мы совершаем при передвижении на двух ногах, приводят к огромным потерям энергии.

Если вы хотите двигаться как можно быстрее, например бежать спринт на предельной скорости, можно воспользоваться определёнными приёмами:

• Можно наклониться вперёд, сместив центр масс перед стопами, чтобы отталкиваться одновременно вверх и вперёд, направляя максимально возможную долю силы в горизонтальную составляющую движения.

• Поскольку между последовательными отталкиваниями центр масс движется по параболическим траекториям, бегуны, достаточно хорошо контролирующие своё тело, чтобы свести к минимуму лишние движения, например подпрыгивание головы или верхней части туловища, будут тратить меньше энергии впустую.

• А бег с размахиванием руками, согнутыми в локтях, совершенно естественное движение для большинства из нас, помогает стабилизировать тело при каждом шаге.

Два технологических фактора могут существенно изменить эффективность бега: обувь и упругость, или «пружинистость», поверхности, по которой вы бежите. Чтобы создать максимальную силу, направленную вперёд, необходимо обеспечить как можно большее трение покоя между обувью и землёй, то есть такое трение, при котором поверхности надёжно сцепляются друг с другом, а не скользят. Кроме того, из‑за особенностей механики человеческого тела беговая дорожка с определённой, конечной жёсткостью, работающая подобно пружине, будет оптимальна для бегуна, если её жёсткость не слишком мала и не слишком велика.

Означает ли это, что нужно просто приобрести беговые кроссовки с подошвой, обеспечивающей максимальное сцепление? Не совсем. Существует способ добиться ещё большего трения, чем при использовании плоской или рифлёной подошвы с очень высоким коэффициентом трения покоя: надеть обувь с шипами.

Обувь с большим количеством длинных шипов позволяет максимально увеличить коэффициент трения покоя между обувью и землёй или беговой дорожкой. Благодаря этому спортсмен может не только развивать высокую скорость, но и чрезвычайно быстро достигать своего максимума. Если вы обратите внимание на обувь бегунов на разных дистанциях во время Олимпийских игр, которые пройдут этим летом, то заметите, что они используют разные виды шиповок. И это вполне закономерно. Меньшее количество длинных шипов по‑прежнему позволяет спортсмену достичь максимальной скорости, но делает это медленнее, поэтому столь сильное сцепление ему уже не требуется.

На средних и длинных дистанциях шипы становятся ещё меньше, а их количество сокращается. В забегах на дистанции более одной мили (около 1600 метров) шипованная обувь вообще используется редко.

Даже при идеальной технике, оптимальной физиологии, наилучшей обуви или шиповках и идеальном покрытии дорожки, даже если полностью устранить сопротивление воздуха или помочь бегуну попутным ветром, максимально возможная скорость человека в среднем составляет около 10 метров в секунду даже на самых коротких спринтерских дистанциях. (Рекорд максимальной мгновенной скорости бегуна принадлежит Усэйну Болту, который в самый быстрый момент достиг 12,4 метра в секунду, или примерно 44,7 километра в час).

Так что же делает езду на велосипеде настолько эффективнее, когда речь идёт о преобразовании энергии, затрачиваемой человеком, в движение вперёд?

Есть несколько факторов, которым можно было бы приписать эту заслугу. Во‑первых, у велосипеда есть колёса, а система колеса и оси гораздо эффективнее, чем использование человеческих суставов для передвижения. Во‑вторых, современные велосипеды оснащены передачами, и, используя различные передаточные отношения, можно управлять эффективностью преобразования энергии в движение. В‑третьих, при езде на велосипеде движения вверх и вниз чрезвычайно малы, особенно по сравнению с бегом или ходьбой. И, наконец, сидя на велосипеде в наклонённом положении, можно придать телу гораздо более аэродинамичную форму, чем при беге, который требует преимущественно вертикального положения туловища.

Но какой из этих факторов, если вообще какой‑либо из них, является самым важным и позволяет велосипедам развивать столь значительное преимущество в скорости по сравнению с бегом или ходьбой?

Ответ, возможно, вас удивит: это неэффективные движения вверх и вниз при ходьбе. Конечно, история несколько сложнее, но из перечисленных объяснений именно эти потери ближе всего к главной причине.

Основной фактор заключается в простом принципе механического выигрыша: когда вы едете на велосипеде, большая доля затрачиваемой энергии идёт непосредственно на продвижение вперёд, создавая силу в направлении движения. Когда вы идёте, бежите трусцой или спринтом, вы тратите энергию на перемещение различных частей тела: рук, ног, туловища и так далее, причём как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. При обычной ходьбе эффективность движения вашего тела составляет около 33 процентов. Когда вы бежите, скорость увеличивается, но эффективность падает примерно до 20 процентов.

Однако на велосипеде, особенно если ваши ноги закреплены на педалях и вы движетесь с высокой скоростью, можно достичь эффективности, значительно превышающей 90 процентов. При тех же затратах энергии (примерно 60 ватт), которые необходимы для медленной ходьбы со скоростью 5 километров в час, на велосипеде можно двигаться примерно втрое быстрее.

Давайте сравним, что происходит в двух этих случаях:

• Когда вы идёте или бежите, ноги давят на землю через стопы. Когда вы едете на велосипеде, ноги передают энергию педалям.

• Когда стопы отталкиваются от земли, значительная часть энергии расходуется на то, чтобы поднимать вас вверх, преодолевая силу тяжести. Когда ноги давят на педали, вся энергия передаётся колёсам, за исключением потерь в механических системах педалей, передач, цепи и осей.

• Когда вы идёте или бежите, ваш вес смещён вперёд, поэтому необходимо переносить заднюю ногу вперёд, чтобы подхватить тело и вытолкнуть его вверх, создавая силу нормальной реакции опоры, превышающую силу тяжести. Когда вы едете на велосипеде, ваш вес распределяется между двумя колёсами и шинами, поэтому они автоматически обеспечивают силу нормальной реакции между велосипедом и землёй, равную силе тяжести.

С точки зрения скорости передвижение на двух ногах на самом деле крайне невыгодно. Единственное эволюционное преимущество, которое мы имеем перед такими животными, как газели, гепарды и львы, это выносливость. Мы не способны бежать спринт так же быстро, как самые быстрые животные. Вместо этого в ходе эволюции мы стали бегунами на длинные дистанции, что позволило нам загонять и настигать гораздо более быструю добычу даже без сложных охотничьих приспособлений.

Очень немногие из нас когда‑либо смогут пробежать милю за четыре минуты, но почти каждый относительно здоровый человек, ещё не достигший преклонного возраста и не имеющий серьёзных физических ограничений, способен преодолеть милю на велосипеде быстрее этого времени. Хотя при езде на велосипеде и беге используются одни и те же основные мышцы и органы: мышцы ног для создания усилия, сердце и лёгкие для доставки насыщенной кислородом крови к этим мышцам, а также естественная система потоотделения и охлаждения организма для поддержания нагрузки на протяжении длительного времени и больших расстояний, езда на велосипеде гораздо эффективнее преобразует затрачиваемую энергию в движение вперёд.

Ходьба и бег, хотя мы и приспособились к ним в ходе эволюции, по своей природе являются неэффективными способами передвижения. Необходимость противодействовать силе тяжести и наличие всего двух точек контакта с землёй накладывают фундаментальные ограничения. А технологическое изобретение колеса и оси, а затем появление велосипеда обеспечили значительное механическое преимущество по сравнению с тем, что дала нам эволюция.

Всё это заставляет задуматься: «Почему эволюция не привела к появлению колеса и оси ни у одного животного?» Но это уже вопрос для другого дня!