ما الذي تقيسه القدرة، وكيف تختلف عن السرعة
قدرة ركوب الدراجات هي المعدل الذي ينجز به الراكب شغلاً ميكانيكياً، وتُقاس بالواط. أما السرعة، في المقابل، فهي ببساطة المسافة المقطوعة لكل وحدة زمن، وتعتمد بشدة على الظروف الخارجية: فنفس مقدار القدرة الناتجة ينتج سرعات مختلفة جداً حسب الانحدار والرياح وسطح الطريق. فالراكب الذي يتسلق تلة شديدة الانحدار بسرعة 10 كم/ساعة قد يُنتج قدرة أكبر بكثير من نفس الراكب وهو يبحر على طريق مستوٍ بسرعة 30 كم/ساعة، لأن معظم تلك القدرة في التسلق تذهب إلى رفع وزن الجسم والدراجة ضد الجاذبية بدلاً من السرعة الأمامية.
ولهذا أصبحت القدرة المقياس المفضل للجهد في تدريب وسباقات ركوب الدراجات: فعلى عكس السرعة، لا تُشوّهها التلال أو الرياح أو الانسحاب خلف راكب آخر، لذا فهي تعكس المخرج الفسيولوجي للراكب مباشرةً، وقابلة للمقارنة من جلسة إلى أخرى ومن راكب إلى آخر بعد تطبيعها وفق وزن الجسم.
النموذج الفيزيائي: ثلاث قوى مقاومة
يحسب نموذج فيزيائي راسخ، جرى التحقق منه مقابل قدرة مقاسة مباشرة في دراسات مثل دراسة مارتن وزملائه (1998)، القدرة اللازمة للركوب بسرعة معينة بجمع ثلاث قوى مقاومة وضربها في السرعة، ثم قسمة الناتج على كفاءة نظام نقل الحركة لمراعاة خسائر الاحتكاك في السلسلة والمحامل. وقوة الجاذبية هي الكتلة المجمعة للراكب والدراجة مضروبة في تسارع الجاذبية مضروباً في جيب زاوية الطريق. ومقاومة التدحرج هي تلك الكتلة المجمعة نفسها مضروبة في تسارع الجاذبية مضروباً في جيب تمام زاوية الطريق مضروباً في معامل مقاومة تدحرج. ويزداد مقاومة الهواء الديناميكية بمربع السرعة، مما يعني أن القدرة اللازمة للتغلب عليها تزداد بمكعب السرعة.
ولأن معاملات المقاومة والتدحرج الحقيقية لراكب ودراجة معينين نادراً ما تُعرف دون اختبار مخصص، تُستخدم عادةً قيم منشورة نموذجية كافتراضات ثابتة في حاسبات النموذج الفيزيائي: معامل مقاومة تدحرج (Crr) يبلغ 0.005، وهو ممثل لإطارات الطريق على الإسفلت؛ ومساحة أمامية فعالة (CdA) تبلغ 0.32 متر مربع، وهي ممثلة لراكب طريق يركب على المقابض العلوية؛ وكثافة هواء تبلغ 1.225 كجم لكل متر مكعب، وهي القيمة القياسية عند مستوى سطح البحر عند 15 درجة مئوية؛ وكفاءة نظام نقل حركة تبلغ 97.5%، بما يتماشى مع القياسات المنشورة لسلاسل النقل. ويُفترض هواء ساكن، دون رياح أمامية أو خلفية.
- P = (F_gravity + F_rolling + F_aero) × v / 0.975
- F_gravity = (m_rider + m_bike) × 9.8067 × sin(atan(grade% / 100))
- F_rolling = (m_rider + m_bike) × 9.8067 × cos(atan(grade% / 100)) × 0.005
- F_aero = 0.5 × 1.225 × 0.32 × v^2 (v بالمتر/ثانية)
لماذا تهيمن مقاومة الهواء عند السرعات الأعلى
يوضح الجدول أدناه تقديرات النموذج لراكب وزنه 75 كجم على دراجة وزنها 9 كجم على طريق مستوٍ في هواء ساكن، باستخدام الافتراضات القياسية أعلاه. لاحظ كيف ترتفع حصة القدرة المُنفَقة على التغلب على مقاومة الهواء باطراد مع السرعة: إذ تزداد قوة مقاومة الهواء بمربع سرعة الهواء، لذا تزداد القدرة اللازمة للتغلب عليها بمكعبها، بينما تبقى مقاومة التدحرج شبه ثابتة مع السرعة.
| السرعة | القدرة المقدرة | الحصة المُنفَقة على مقاومة الهواء |
|---|---|---|
| 20 كم/ساعة | ≈ 58 واط | ≈ 59% |
| 25 كم/ساعة | ≈ 97 واط | ≈ 70% |
| 30 كم/ساعة | ≈ 152 واط | ≈ 77% |
| 35 كم/ساعة | ≈ 226 واط | ≈ 82% |
| 40 كم/ساعة | ≈ 323 واط | ≈ 85% |
الواط لكل كيلوغرام كمقياس للمقارنة
يقسّم الواط لكل كيلوغرام القدرة الناتجة على وزن جسم الراكب، وهو التطبيع القياسي المستخدم في ركوب الدراجات لأن سرعة التسلق على المنحدرات الشديدة تُحكم إلى حد كبير بالقدرة نسبةً إلى الوزن الكلي للنظام. أما على الطرق المستوية، في المقابل، فتُحكم السرعة إلى حد كبير بالقدرة المطلقة نسبةً إلى مقاومة الهواء الديناميكية، لأن الجاذبية تلعب دوراً ضئيلاً عندما تكون زاوية الطريق قريبة من الصفر. وهذا موثّق في أدبيات التدريب القائم على القدرة، وبخاصة كتاب ألن وكوغان ومكغريغور «Training and Racing with a Power Meter»، الذي يستخدم الواط لكل كيلوغرام محوراً قياسياً لمقارنة أداء الراكبين عبر أحجام أجسام مختلفة.
ولأن الواط لكل كيلوغرام القابل للاستدامة يتفاوت بشدة حسب خلفية التدريب، ومدة الجهد، والعمر، وعوامل فردية أخرى كثيرة، لا يُحدد رقم واحد قيمة «جيدة» عبر جميع الراكبين؛ ومقارنة رقم الواط لكل كيلوغرام الخاص بالفرد نفسه بمرور الوقت، عند مدة جهد ثابتة، أكثر إفادة عموماً من المقارنة مع راكبين آخرين.
ما هي FTP؟
قدرة العتبة الوظيفية (FTP) مفهوم من أدبيات التدريب القائم على القدرة، ويُوصف في كتاب ألن وكوغان ومكغريغور «Training and Racing with a Power Meter»، ويشير إلى أعلى قدرة ناتجة يمكن للراكب الحفاظ عليها في حالة فسيولوجية شبه ثابتة لنحو ساعة واحدة. وتعمل كنقطة مرجعية فردية: فبما أن الراكبين يتفاوتون بشدة في قدرتهم المطلقة، فإن التعبير عن شدة هدف تمرين ما كنسبة مئوية من FTP الخاصة بالراكب نفسه يتيح تخصيص مناطق التدريب بدلاً من الاستناد إلى قدرة ثابتة قد تكون بلا معنى عبر راكبين مختلفين.
وFTP ليست رقماً ثابتاً واحداً مدى الحياة -- فهي تتغير مع تغير اللياقة، ولهذا تعيد برامج التدريب القائم على القدرة تقييمها دورياً. ويصف هذا المقال المفهوم فقط؛ ولا يتناول بروتوكولات الاختبار الميداني المحددة لتقدير FTP، إذ إن منهجية الاختبار وتقدّم الشدة المناسب يُوجَّهان بشكل أفضل من قِبل مدرب مؤهل أو أدبيات التدريب المصدرية.
الأسئلة الشائعة
ما الفرق بين القدرة والسرعة على الدراجة؟
القدرة هي معدل الشغل الميكانيكي الذي ينتجه الراكب، ويُقاس بالواط، بينما السرعة هي ببساطة المسافة المقطوعة لكل وحدة زمن. وتتشوّه السرعة بشدة بالانحدار والرياح والانسحاب خلف راكب آخر -- فنفس القدرة الناتجة تُنتج سرعات مختلفة جداً على التسلق مقابل الطريق المستوي -- وهذا ما يجعل القدرة تُعتبر مقياساً أكثر مباشرة وقابلية للمقارنة للجهد الفسيولوجي.
كيف تُحسب قدرة ركوب الدراجات من الفيزياء؟
يجمع نموذج فيزيائي قياسي ثلاث قوى مقاومة -- الجاذبية ومقاومة التدحرج ومقاومة الهواء الديناميكية -- ويضرب المجموع في سرعة الركوب، ثم يقسم الناتج على كفاءة نظام نقل الحركة. وتُستخدم عادةً ثوابت منشورة نموذجية (معامل مقاومة تدحرج يبلغ 0.005، ومساحة أمامية 0.32 متر مربع، وكثافة هواء 1.225 كجم لكل متر مكعب، وكفاءة نقل حركة 97.5%) عند عدم توفر القيم المقاسة الخاصة بالراكب.
ما القيمة الجيدة للواط لكل كيلوغرام؟
الواط لكل كيلوغرام هو القدرة مقسومة على وزن الراكب، وهو يهم أكثر ما يكون على المرتفعات، حيث تُحكم السرعة إلى حد كبير بالقدرة نسبةً إلى الوزن الكلي. ويتفاوت الواط لكل كيلوغرام القابل للاستدامة بشدة حسب خلفية التدريب ومدة الجهد والعمر، لذا لا ينطبق رقم «جيد» واحد على جميع الراكبين؛ وتتبّع قيمة الفرد الخاصة بمرور الوقت عند مدة ثابتة أكثر إفادة من المقارنة عبر الراكبين.
ماذا تعني FTP في ركوب الدراجات؟
FTP، أو قدرة العتبة الوظيفية، هي أعلى قدرة ناتجة يمكن للراكب الحفاظ عليها في حالة فسيولوجية شبه ثابتة لنحو ساعة واحدة، وهو مفهوم موصوف في أدبيات التدريب القائم على القدرة (ألن وكوغان ومكغريغور). وتُستخدم كنقطة مرجعية فردية: إذ تُعبَّر شدة التدريب عادةً كنسبة مئوية من FTP الخاصة بالراكب نفسه بدلاً من قدرة ثابتة.
لماذا تهم مقاومة الهواء أكثر عند سرعات ركوب الدراجات الأعلى؟
تزداد قوة مقاومة الهواء الديناميكية بمربع سرعة الهواء، وتزداد القدرة اللازمة للتغلب عليها بمكعب سرعة الهواء، بينما تبقى مقاومة التدحرج شبه ثابتة بغض النظر عن السرعة. وفي نموذج فيزيائي قياسي، تشكّل مقاومة الهواء نحو 59% من إجمالي القدرة عند 20 كم/ساعة لكنها ترتفع إلى نحو 85% عند 40 كم/ساعة، وهو ما يجعل الديناميكا الهوائية تهيمن على أداء ركوب الدراجات عند سرعات السباق.
المراجع
- Martin JC, Milliken DL, Cobb JE, McFadden KL, Coggan AR. Validation of a mathematical model for road cycling power. Journal of Applied Biomechanics 1998; 14(3): 276-291.
- Wilson DG. Bicycling Science, 3rd edition. MIT Press, 2004.
- Allen H, Coggan AR, McGregor S. Training and Racing with a Power Meter, 3rd edition. VeloPress, 2019.
- International Civil Aviation Organization (ICAO). Standard Atmosphere -- sea-level air density 1.225 kg/m^3 at 15 degrees Celsius.
- American College of Sports Medicine. ACSM's Guidelines for Exercise Testing and Prescription, 11th edition. Wolters Kluwer, 2021.