Hoe werken fietsen?

Een fiets is zowel biologisch als mechanisch gezien uiterst efficiënt. Onderzoekers hebben berekend dat het in termen van de hoeveelheid energie die een persoon moet uitgeven om een bepaalde afstand af te leggen, het meest efficiënte zelfaangedreven vervoermiddel is. Ook in termen van de verhouding tussen het gewicht van de lading die een fiets kan dragen en het totale gewicht ervan, is het een zeer efficiënt middel voor het vervoeren van goederen.

Mechanische efficiëntie

Vanuit mechanisch oogpunt wordt tot 99% van de energie die de fietser in de pedalen steekt overgedragen naar de wielen (met een schone, gesmeerde nieuwe ketting van 400W), hoewel het gebruik van versnellingsmechanismen dit kan verminderen met 1-7% (met schone, goed gesmeerde derailleurs), 4-12% (met een ketting en 3-versnellingsnaven) of 10-20% (met een cardanas en 3-versnellingsnaven). De hogere efficiëntie binnen elk bereik wordt bereikt bij hogere vermogensniveaus en met directe aandrijving (naafversnellingen) of met grote aangedreven tandwielen (derailleurs).

Energie-efficiëntie

Een mens die op een fiets reist met een snelheid van 16-24 km/u, waarbij alleen de kracht die nodig is om te lopen wordt gebruikt, is de meest energie-efficiënte vorm van vervoer die doorgaans beschikbaar is. Luchtweerstand, die toeneemt met het kwadraat van de snelheid, vereist steeds meer vermogen in verhouding tot de snelheid, waarbij vermogen toeneemt met de kubus van de snelheid, aangezien vermogen gelijk is aan kracht maal snelheid. Een ligfiets, waarin de rijder in een liggende positie ligt, wordt een “ligfiets” genoemd, of, als deze is bedekt met een aerodynamische behuizing om zeer lage luchtweerstand te bereiken, een “streamliner”.

Op een stevige, vlakke ondergrond heeft een persoon van 70 kg ongeveer 60 watt nodig om met een snelheid van 5 km/u te lopen. Dezelfde persoon op een fiets, op dezelfde grond, met dezelfde kracht, kan met een snelheid van 15 km/u op een gewone fiets rijden, dus onder deze omstandigheden is het energieverbruik bij het fietsen een derde van het lopen.

Typische snelheden

Er is een grote verscheidenheid aan stadsfietsen; een oudere persoon op een rechte stadsfiets kan minder dan 10 km/u gaan, terwijl een fittere of jongere persoon gemakkelijk het dubbele daarvan kan doen op dezelfde fiets. Voor fietsers in Kopenhagen ligt de gemiddelde fietssnelheid op 15,5 km/u. Op een racefiets kan een redelijk fitte rijder gedurende korte periodes met 40 km/u op vlak terrein rijden.

Vermindering van gewicht en roterende massa

Er is een felle concurrentie in de fietsindustrie om het gewicht van racefietsen te verminderen om sneller bergop te kunnen rijden en sneller te kunnen versnellen. De UCI stelt een limiet van 6,8 kg voor het minimumgewicht van fietsen die in goedgekeurde wedstrijden mogen worden gebruikt.