Un mot: l'inertie. Lorsque vous conduisez un vélo sur une pente de niveau, il vous suffit de lui donner un coup de pouce pour commencer, puis vous pouvez rouler pendant un bon moment avant que la friction et la résistance de l'air ne vous ralentissent. En d'autres termes, les roues relativement sans friction signifient que l'énergie cinétique du vélo ne se dissipe pas rapidement. Mais le corps humain n'a pas de roues, alors pendant la course, vous devez donner un bon coup de pied pour commencer, puis un autre coup de pied pour continuer à l'étape suivante, et ainsi de suite. Lorsqu'il s'agit de collines, la différence est encore plus prononcée, puisque nous courons en descente de la même manière que nous le faisons au niveau, en nous poussant continuellement en avant; alors que sur un vélo, vous pouvez profiter de la pente et la descendre simplement.

Je soupçonne qu'élever et abaisser votre centre de gravité n'est pas aussi inefficace que les autres réponses le suggèrent. C'est parce que vos jambes sont élastiques, donc au moins dans une certaine mesure, vous ne faites que convertir l'énergie entre le potentiel gravitationnel et la force du ressort dans vos jambes. Les humains sont probablement les coureurs de fond les plus efficaces du règne animal. Il y a une école de pensée qui dit que la raison pour laquelle nous sommes bipèdes est que nous avons évolué en tant que chasseurs d'endurance, chassant notre proie jusqu'à ce qu'elle s'effondre d'épuisement plutôt que d'essayer de la distancer sur de courtes distances. Que ce soit vrai ou non, nous ne ferions probablement pas tout ce rebondir de haut en bas s'il n'y avait pas une bonne raison à cela.

Vous pourriez vous demander pourquoi, si l'utilisation de roues est tellement plus efficace, n'avons-nous pas fait évoluer cela à la place? Je ne sais pas, mais il semble qu'aucun animal n'ait pu faire évoluer la locomotion à roues.

Beaucoup d'entre nous ont fait du vélo à un moment de leur vie. et en fait, ce mode de transport est devenu beaucoup plus populaire récemment en raison de la pénurie d'énergie. Chaque matin, dans ma propre université, Duke, on peut voir des gens rouler sur des machines avec des masses de 10 $ à 20 $ kilogrammes et avoir du mal à atteindre l'une des entrées du campus au sommet d'une longue colline escarpée. Comme dans de nombreux autres aspects de la locomotion animale, il y a ici un paradoxe. Pourquoi les gens devraient-ils s'encombrer d'un appareil aussi lourd, surtout en montée? Posez cette question à un cycliste et la réponse est généralement: «C'est plus facile que de marcher» ou «C'est plus rapide que de marcher». Mais pourquoi devrait-il l'être?

Un certain nombre d'explications incorrectes sont proposées: "Un vélo a des vitesses." Le changement de vitesse permet au pilote de varier la vitesse à laquelle les pieds bougent; mais même si les vitesses de pied d'un cycliste et d'un piéton sont égalées, le cycliste va toujours plus loin et en moins de temps avec une quantité d'énergie donnée que le piéton. "Votre poids est supporté par le siège." Mais si vous pédalez debout, le vélo est toujours plus rapide et moins coûteux en énergie que d'aller à pied. "Votre centre de gravité ne monte pas et ne descend pas." Mais c'est le cas si vous pédalez debout. Pourquoi, alors, est-il plus facile de faire du vélo que de marcher ou de courir?

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Nous pouvons maintenant comprendre pourquoi les cyclistes sont prêts à propulser le poids supplémentaire d'un vélo, même lorsque monter. Le coût du transport à vélo est faible car les muscles actifs ne sont pas étirés pendant le pédalage et l'efficacité musculaire moyenne est d'environ 0,25 $, presque sa valeur maximale. Les roues stabilisent le centre de gravité du cycliste. Même si le cycliste accélère verticalement le centre de gravité en pédalant debout, les muscles actifs n'ont pas besoin d'être étirés. Lorsque le centre de masse tombe, les manivelles, les pignons, la chaîne et la roue arrière constituent un système de leviers qui transpose le mouvement vertical en mouvement horizontal en fournissant une force perpendiculaire. Ainsi, les humains peuvent utiliser des machines externes pour se déplacer le long d'une surface plane avec les mêmes efficacités musculaires que les animaux nageurs et volants obtiennent naturellement.

Le coût énergétique des déplacements La marche et la course sont des formes de locomotion extrêmement inefficaces. Les oiseaux, les poissons et les cyclistes obtiennent une efficacité beaucoup plus grande. V. A. Tucker, scientifique américain, vol. 63, n ° 4 (juillet-août 1975), pp. 413-419

* Bien sûr, la majeure partie de l'article est l'endroit où j'ai mis "[. ..] ". C'est une bonne lecture amusante. Il existe même une sorte d’expérience galiléenne consistant à faire tomber des pigeons et des rats depuis des hauteurs.

• Les vélos utilisent mieux l'inertie / l'élan. Comme l'a dit Nathaniel, une seule pression et vous pouvez rouler pendant un bon moment. Ce n'est tout simplement pas possible en courant.

• Courir gaspille de l'énergie à monter et descendre. En plus d'aller de l'avant, courir nécessite une poussée vers le haut substantielle pour obtenir votre corps en vol, vous donnant le temps de faire avancer votre autre pied. Vous amortissez alors et sautez vers l'avant et vers le haut à nouveau. Bien que le vélo ait une composante de haut en bas pour le pédalage, parce que le vélo ne quitte pas le sol, l'énergie que vous utilisez pour pédaler est convertie beaucoup plus efficacement en mouvement vers l'avant.

• La bicyclette peut traduire le poids en propulsion. Alors que la plupart des cyclistes sérieux vous diront que pédaler, c'est tourner, pas marcher, n'importe quel enfant de 10 ans peut vous dire que faire des fesses -Air et transférer votre poids de gauche à droite vous permet de démarrer assez rapidement.

• Pédaler avec des cale-pieds utilise tout le mouvement de la jambe. Quand vos pieds sont bloqués sur les pédales, ce n'est pas seulement la partie de poussée vers le bas du coup de pédale qui est utilisée; lever votre pied, le tirer vers l'avant, pousser vers le bas et pousser vers l'arrière, tout cela maintient la tension sur cette chaîne et ajoute ainsi de la puissance à la course. Lorsque vous courez, la moitié du cycle de votre pied est une énergie gaspillée du point de vue du mouvement vers l'avant.

• Le vélo vous donne un avantage mécanique. Même avec un seul -gear bike, le mouvement de votre pied est amplifié lorsqu'il est traduit sur la roue. Sur un vélo à plusieurs vitesses, le rapport de la vitesse supérieure est en effet assez élevé. Cela permet deux choses; premièrement, votre effort est amplifié, et deuxièmement, votre tempo ralentit, ce qui réduit la quantité d'énergie gaspillée en déplaçant le poids de vos jambes.

• La course à pied nécessite des contractions musculaires intenses avec un faible cycle d'utilisation, alors que le cyclisme utilise de longues contractions douces. Si vous travaillez à la course à pied, vous pouvez facilement en arriver au point où ce n'est plus un défi aérobie, mais toujours difficile: vous avez à peine à respirer, mais les jambes ont du mal avec l'accumulation d'acide lactique.

• Courir gaspille beaucoup plus d'énergie sur les mouvements de compensation: la coureuse doit bouger son torse et ses bras pour compenser le mouvement de coups de pied des jambes. Le mouvement de la jambe n'est pas symétrique en course: le coup de pied avant de la jambe de récupération est plus rapide que le mouvement vers l'arrière de la jambe d'entraînement, et donc le bras du même côté que la jambe de récupération doit pivoter vers l'arrière pour compenser son mouvement. La compensation sur un vélo est principalement limitée à un balancement latéral lors d'un effort intense.

• Le coureur vole essentiellement dans les airs, mais descend périodiquement et touche le sol avec un pied, puis exerce une force pour se relever. Cependant, cela ne se fait pas par un rebond élastique efficace. L'énergie d'atterrissage est dissipée plutôt que stockée et réutilisée. En fait, le coureur doit exercer de l'énergie pour absorber l'atterrissage, puis exercer plus d'énergie pour se remettre dans les airs. Le coureur gaspille donc une énergie considérable pour rester en l'air.

• Selon la nature de la frappe, le coureur peut exercer de manière contre-productive une énergie qui retarde (freine) son avant mouvement, et doit ensuite exercer plus d'énergie pour retrouver son élan.

Beaucoup de réponses ici concernent le mouvement de votre centre de gravité, etc. Je pense que c'est beaucoup plus simple que cela.

Lorsque vous faites du vélo, votre mouvement vertical sur les pédales se traduit par un mouvement horizontal des roues, associé à l'inertie, une petite quantité d'énergie peut aller très loin.

Alors qu'en courant, vous mettez de l'énergie à vous déplacer horizontalement, pour obtenir des places, ainsi que verticalement pour réduire les frottements avec le sol. Cependant, tout le mouvement vertical combat la gravité, et est gaspillé car votre mouvement vertical ne vous rapproche pas de votre destination

Cette réponse suppose que la distance est sur une surface plane. Dès que vous jetez un aspect tridimensionnel dessus, le système tourne sur sa tête.

Pour le mouvement horizontal, le vélo est le meilleur car ses roues sont conçues pour réduire la friction, contrairement aux pieds.

Cependant, dès que vous arrivez sur une pente, l'absence de friction fera reculer le vélo à moins qu'une énergie constante ne soit mise dans le système, alors que la friction accrue due à la course permet à n'importe qui de s'arrêter et restez sur place.

Dès que vous arrivez à une pente à partir d'un départ arrêté, la course à pied est beaucoup plus efficace que le vélo.

Pour développer la réponse de Nicks, lorsque vous courez, vous sautez un peu pour que vous éleviez votre centre de gravité, ce qui vous coûte une énergie égale à

$$ \ Delta E = mg \ Delta h $$

Désormais, lorsque vous abaissez votre centre de gravité, l'énergie est dissipée car l'accélération verticale acquise en descendant n'augmente pas votre vitesse horizontale.

C'est définitivement une des causes.

Aussi, on peut penser à la puissance dissipée, ce qui pourrait nous donner plus de perspicacité. Par exemple, nous avons l'identité suivante:

$$ P = \ cfrac {\ operatorname {d} W} {\ operatorname {d} t} = \ vec {F} \ cdot \ cfrac {\ operatorname {d} \ vec {x}} {\ operatorname {d} t} = \ vec {F} \ cdot \ vec {v} $$

Supposons également que les pertes de puissance dans les deux cas sont similaires et que la puissance d'entrée est la même dans les deux cas (nous utilisons des muscles similaires dans les deux cas après tout).

Maintenant, nous avons la vitesse très différente dans les deux cas, et nous pourrions probablement aussi être d'accord, qu'il y a beaucoup plus de force produite si nous courons car nous pouvons accélérer très rapidement jusqu'à notre vitesse maximale. Jusqu'ici tout est d'accord avec les formules.

Maintenant on peut facilement se convaincre, que même si l'efficacité est similaire dans les deux cas, la perte d'énergie en course serait plus importante car on le fait plus longtemps pour le même distance parcourue.

C'est dû à l'inefficacité biologique de maintenir la contrainte mécanique d'un pied immobile par rapport au sol, le reste du corps en mouvement.

Supposons qu'un patineur sur glace et un autre sur rouleaux utilisent à peu près la même quantité d'énergie pour arriver à dire 5 km / s. Les deux possèdent un mécanisme différent, mais efficace par rapport à la marche, qui maintient cette vitesse, tout en satisfaisant toutes les contraintes mécaniques. Pour celui sur rouleaux, le point de contact entre le sol et un rouleau doit être stationnaire. Pour marcher, le pied en contact avec le sol doit être stationnaire, et le mécanisme biologique pour cela introduit des pertes biologiques bien plus importantes.

Cependant, il existe des modes de transport biologique beaucoup plus efficaces comme le saut comme dans le cas des kangourous, qui utilise la moitié de l'énergie d'un marathonien. L'énergie cinétique est convertie en énergie potentielle dans les tendons tandis que la contrainte mécanique est maintenue, la plupart étant reconvertie en énergie cinétique en quittant le sol.

Ceci est plus facile à comprendre si vous commencez par considérer les cas extrêmes de pentes raides en montée et en descente.

En fait, il n'est pas vrai dans tous les cas que la course à pied soit moins efficace que le vélo. Dans les travaux de Minetti et al. ("Coût énergétique de la marche et de la course des pentes en montée et en descente, "DOI 10.1152 / japplphysiol.01177.2001.), il a été constaté que lorsque des coureurs de montagne d'élite courent en montée sur un tapis roulant, à des pentes supérieures à environ 0,20, l'efficacité devient d'environ 0,25, ce qui correspond à l'efficacité des contractions musculaires concentriques ("Concentrique" signifie que la direction du mouvement est dans la même direction que la contraction du muscle, comme lorsque vous faites une traction.) Il s'agit d'une limite supérieure de l'efficacité de tout mode de montée à propulsion humaine , donc comme les coureurs entraînés y parviennent, ils ne sont pas moins efficaces que les cyclistes sur ces pentes.

Dans une descente raide, un cycliste peut rouler en roue libre tandis que les muscles des jambes ne dépensent aucune énergie. Courir en descente consomme de l'énergie. En fait, l'efficacité du coureur est négative, car l'énergie potentielle gravitationnelle du corps de la personne diminue, tandis que les réserves d'énergie du corps sont épuisées. Minetti a mesuré l'efficacité en descente sur des pentes plus raides que $ - 0.20 $ pour être $ - 1,20 $ , et ceci est approximativement l'efficacité des muscles en contraction excentrique (comme se laisser tomber après une traction).

Donc, si nous pouvons comprendre pourquoi descendre d'un pull-up dépense de l'énergie, alors nous avons automatiquement une explication physiologique de l'efficacité imparfaite de la descente sur les pentes les plus raides, puis par interpolation, nous avons une explication de pourquoi la course à pied est moins efficace que le cyclisme sur des pentes ordinaires ou sur des terrains plats.

La raison pour laquelle le tissu musculaire dépense de l'énergie dans les contractions excentriques est qu'il existe des processus dans le corps qui dissipent la chaleur lorsqu'un muscle est sous tension.Par exemple, le corps doit brûler du carburant pour maintenir la tension musculaire, et il y a aussi une friction interne dans le muscle lorsque le muscle bouge.

En plus des processus décrits ci-dessus, il existe également d'autres mécanismes de dissipation d'énergie, notamment la dissipation d'énergie en vibrations et en sons lors de la frappe du pied d'un coureur.

Une estimation rapide serait que pour la course à pied, vous soulevez votre centre de gravité à chaque pas, tandis qu'avec le cyclisme, votre centre de gravité a une hauteur constante. Par conséquent, vous ne travaillez que contre la résistance de l'air / la friction dans la mécanique du vélo. En courant, vous travaillez également contre la gravité.

La différence réside dans le mécanisme sous-jacent qui transforme l'énergie chimique en énergie cinétique du véhicule ou du corps. La réponse est que le mécanisme de la bicyclette (grâce à ses roues, etc.) est capable de mieux transformer cette énergie.

Un analogue classique est le levier ou une poulie. On peut utiliser un levier ou une poulie pour soulever un poids qu'il serait très difficile (voire impossible) de soulever à mains nues.

Donc, pour maintenir la même vitesse moyenne avec un vélo, il faut utiliser moins de produits chimiques d'énergie (que de courir) et par conséquent produire moins de chaleur.

" Donnez-moi une place pour me tenir debout et je pourrai déplacer la terre "

- Archimède sur le principe du levier (prétendument)

Une réponse en rapport sur le principe du levier mécanique (et variations)

Comme il y a déjà des réponses qui l'ont très bien expliqué, nous pouvons avoir une analogie pour mieux la comprendre.

Considérez que la roue carrée c'est nous et la roue ronde c'est le cycle. Essayons maintenant de faire tourner la roue carrée. Lorsque vous le faites, une force normale agira à partir du bord droit de la roue au lieu du centre pour l'empêcher de basculer. (Le couple agira dans la direction opposée et l'empêchera de tourner). La seule option possible est donc de prendre cette roue en l'air et de passer à l'étape suivante.

Mais dans le cas d'une roue ronde, la réaction normale agit toujours au point le plus bas de la roue et le couple en raison de la force normale sera toujours nul. Il n'y a donc aucune force agissant sur la roue ronde pour arrêter sa rotation. Pour cette raison, une fois qu'une roue ronde est poussée, elle continue de tourner sans autre force. (Comme il n'y a pas de force opposée agissant).

Maintenant, si nous comparons les deux roues, prendre une roue et poser chaque marche sera toujours plus énergivore ou demandera plus de travail.