Nesnesitelná lehkost koloběžek

Základka už nestačí

Když jsem se ptal svého čtrnáctiletého syna, který před prázdninami dokončil 8. třídu základní školy, jestli už ve fyzice brali Newtonovy pohybové zákony, tvrdil, že ne. Tak jsem zkusil googlovat a ejhle, loni je snad prý ministerstvo školství vyškrtlo z osnov. Mno…, nedá se nic dělat, třeba to naše děti naučí – nebo je o tom aspoň budou informovat – na středních školách. Nicméně já pro účely tohoto článku se zákony pana Newtona trochu pracovat budu, abych na konec přidal ještě jeden, vlastně dva postřehy.

Hmotnost a její vliv na… hybnost

Prvním Newtonovým zákonem je Zákon setrvačnosti. K jeho hlavnímu principu se dostaneme o něco později – nyní z něj vyjmu pouze jednu související veličinu: hybnost. Ta popisuje pohybový stav tělesa, v našem případě koloběžky. Veličina hybnosti se rovná impulzu síly, který je potřeba na jeho uvedení z klidu do pohybu odpovídající rychlostí (pro zastavení je potřeba impulz opačný). Co nás zajímá, je právě ona síla, kterou musíme vynaložit, abychom koloběžku rozpohybovali. Logicky preferujeme menší hodnotu této síly, zkrátka co nejmenší námahu.

Hybnost [P] se vyjadřuje jednoduchým vzorcem P = m·v, kdy m je hmotnost [kg] a v rychlost [m/s]. Výsledek je pak vyjádřený jednotkou kg·m·s⁻¹ čili kilogram, krát metr za sekundu.

Myslím, že už nyní je každému jasný význam hmotnosti vůči hybnosti. Čím větší hmotnost, tím větší hybnost, jinak řečeno – nutnost vynaložení větší síly pro rozpohybování tělesa/koloběžky. Malý příklad: Ať se to dobře počítá, vezmeme rychlost 4 m/s, což je 14,4 km/h, tedy taková spíše loudavá rychlost, které, alespoň podle mého názoru, běžně dosahuje každý koloběžkář po rozjezdu z nuly. Nejprve 10kg koloběžka:

10·4 = 40 kg·m·s⁻¹

Následuje lehká 7kg koloběžka: 

7·4 = 28 kg·m·s⁻¹

Jak je vidět (a je to zřejmé i ze vzorce hybnosti) rozdíl hybnosti je přímo úměrný hmotnosti koloběžky. U sedmikilogramového stroje tedy stačí jen 70 % energie k uvedení do pohybu oproti koloběžce, vážící 10 kg.

Všichni to víme, o tom nepochybuji – těžší stroj se zkrátka pomaleji rozdupe. Chtěl jsem však poskytnout plus-minus odborné vysvětlení, abychom se nezabývali jen dojmologií. Tudíž pojďme dál.

Prokletá setrvačnost

Když už jsme koloběžku uvedli z klidu do pohybu čili rozjeli, v našem zájmu je pohyb udržovat – prostě jet dál :-) Zde už přichází ke slovu hlavní princip prvního Newtonova pohybového zákona. Ten je definován takto:

Těleso setrvává v klidu nebo v rovnoměrném přímočarém pohybu, dokud není nuceno vnějšími silami svůj stav změnit.

První pohybový zákon tedy říká, že bez vnějšího působení si těleso zachovává svou hybnost. Tedy jakmile se rozpohybuje – koloběžka se rozjede – už se nezastaví. Cože? Všichni přece víme, že ve skutečnosti to tak není. Ano, protože první Newtonův zákon platí absolutně pouze v tzv. inerciálních soustavách. Zkrátka v prostředí bez jakéhokoliv odporu. Třeba ve vakuu v kosmické lodi na oběžné dráze kolem Země… Už jen odpor vzduchu či gravitační síly, neřkuli pak valivý odpor kol, odpor v ložiskách a další, do ideálního stavu hážou vidle, což v praxi znamená opět to, co všichni víme – že se ono těleso/koloběžka bez dalšího dodávání energie jednoduše po nějaké době – ujeté vzdálenosti –, zastaví. V normálních podmínkách setrvačnost nekonečná není.

Čím ji však lze ovlivnit? Mírou setrvačnosti je (setrvačná) hmotnost tělesa. A už jsme zase u toho! Zase budeme řešit váhu :-) Takže opět vzoreček:

F = m·a

F je (celková působící) síla, m je setrvačná hmotnost tělesa, a je okamžité zrychlení tělesa. Opět jako u předchozího příkladu je i zde hmotnost v přímé úměře k setrvačnosti. Čili výše zmíněná 10kilová koloběžka bude mít cca o 40 % větší setrvačnost nežli lehčí 7kilogramový stroj. To zní jako dobrá zpráva. 

Ovšem pozor! Setrvačností se hmota zároveň brání proti změně svého pohybového stavu. No a? Však to je dobře, ne? Díky tomu dál „na setrvačnost“ dojedu. Ano, to je pravda. Ale změna pohybového stavu nemusí znamenat jen zpomalení, nýbrž i zrychlení. (Předčasný) závěr tedy zní: S těžší koloběžkou dosáhnete větší setrvačnosti, ale takový stroj bude líněji reagovat na zrychlení, a nutno dodat… stejně pozvolněji i na zpomalení čili brzdění. Na to nezapomínejte.

Tím však problematika setrvačnosti nekončí. Pořád se bavíme o tom, jestli je lehčí koloběžka lepší než těžší stroj nebo naopak. Pojďme se tedy na výše uvedený vzorec podívat nikoliv z pohledu hmotnosti, ale ze strany síly. Je-li hmotnost přímo úměrná síle, kterou je třeba vynaložit na zrychlení tělesa, pak i síla je přímo úměrná hmotnosti – logicky tak lehčí koloběžce stačí menší síla. Ale… protože má zároveň také menší setrvačnost, je nutné tuto menší sílu častěji dodávat – častěji se odrazit. Jinak řečeno: Na těžké koloběžce se odrazíte například desetkrát nějakou silou, na lehčí (zde pro názornost s poloviční hmotností) pak sice musíte pro udržení shodné rychlosti dupnout dvacetkrát, ale – podle našeho vzorce – poloviční silou. 

Zdánlivě to vypadá, že jste se na lehčím stroji více namakali, ale z pohledu fyziky to vychází plus-minus „fifty fifty“. A protože reálně velmi pravděpodobně nebudete na lehké koloběžce jen tak nazdařbůh máchat nohama skoro naprázdno, nýbrž se do toho aspoň trochu opřete – bude lehký stroj jednoduše rychlejší, nebo na něm s vynaložením stejné energie dojedete dál.

Kola, o tom tu točí

Se setrvačností však ještě nekončíme. Koloběžky nejsou soustavou vůči sobě nepohyblivých těles, jelikož mají dvě rotující kola. A na rotující kola se vztahuje tzv. moment setrvačnosti. Ten je odvislý od tvaru rotujícího předmětu, přesněji na rozložení hmoty v tělese vzhledem k ose otáčení. A můžete si být jistí, že zrovna kola koloběžky mají moment setrvačnosti ze všech těles de facto největší. Proč? Protože se jedná o těleso, jehož největší hmotnost se nachází po obvodu. Například plný válec má moment setrvačnosti poloviční. Pro výpočet momentu setrvačnosti (J) takzvané tenké obruče se používá vzorec:

J = m·r²

I zde představuje m hmotnost, r je pak poloměr kola. Není nutné mít doktorát z fyziky, abychom z toho neodvodili jednoduchý závěr: Čím větší (to hlavně) a čím těžší kola (ráfky, duše, pláště) bude koloběžka mít, tím většího momentu setrvačnosti dosáhne.

To na první pohled zní opět velmi dobře. Nicméně je třeba dodat, že i zde platí stejné zákonitosti jako v případě „normální“ setrvačnosti. Těžká kola se pomalu rozjíždí, na jejich rozpohybování je třeba větší síla, neochotně zrychlují, stejně tak i zpomalují. Jsou jednoduše řečeno… líná.

Ano, lehká kola nemají tu „pozitivní“ setrvačnost, která zdánlivě bez námahy udržuje rychlost. Ale to jsem v předchozí části také vysvětlil – jde jen o dojem – energie je pořád stejná, přesněji spíše menší. Proto závodníci neváhají utratit nekřesťanské peníze za lehoučká kola, jejichž cena běžně přesahuje hodnotu zbývajících komponent stroje.

Koloběžka jako přívažek

Alespoň podle mého názoru zatím vše hraje pro lehčí koloběžky. Je třeba ale ještě uvést další nikoliv zanedbatelnou souvislost. Tou je poměr váhy samotné koloběžky vůči celkové „soustavě“ jezdec + stroj. Zde už neposloužím žádným vzorcem, protože mám obavy, že to celé poněkud komplikuje právě moment setrvačnosti kol, takže to vezmu prostým selským rozumem. Podle ÚZIS byla v roce 2010 průměrná váha českého muže 83,6 kg, ženy pak 69,2 kg. Osobně si myslím, že v současné době budou čísla vyšší, takže je decentně zaokrouhlím na 85 a 70 kg. Následuje malé porovnání:

Muž + 10kg koloběžka: celkem 95 kg
Poměr koloběžky k celkové hmotnosti: 10,5 %

Muž + 7kg koloběžka: celkem 92 kg
Poměr koloběžky k celkové hmotnosti: 7,6 %

Žena + 10kg koloběžka: celkem 80 kg
Poměr koloběžky k celkové hmotnosti: 11,8 %

Žena + 7kg koloběžka: celkem 77 kg
Poměr koloběžky k celkové hmotnosti: 9,1 %

Z porovnání jasně vyplývá, že ženy nebo obecně lehčí jezdci jsou na tom o něco hůře než cvalíci, tudíž pro lehčí váhovou kategorii jsou i lehčí koloběžky jasnou předností. Když pak ještě na stroj navěsíte nějaké ty brašničky a brašny, blatníky a… však to znáte, procentuální zastoupení „mrtvé váhy“ se ještě zvýší. Přemýšlejte i nad tímto faktorem. Abych ale nezapomněl – nejvíce je poměr hmotnosti jezdce a stroje bolavý u dětských koloběžek!

Kliky patří do posilovny

Ještě nekončím, ale už se to blíží. Poslední postřehy se týkají stylu jízdy, způsobu odrážení. Nejprve k „problematice návratu těla do horní úvrati“. 

Všichni to známe: pokrčíte odraznou nohu, švihnete k zemi a více či méně mohutně se odrazíte. Ruce na řídítkách při tom máte propnuté, takže vaše těžiště (no prostě zadek) se na konci odrazu posouvá k zadnímu kolu stroje. Koloběžku při tom jakoby „popostrčíte“ propnutýma rukama dopředu. Stroj dostává potřebnou porci energie, která však dlouho nevydrží, takže kopnutí je třeba opakovat. Odrazná noha tedy jde dopředu a tělo se zároveň – se stále propnutýma rukama na řídítkách – napřimuje, těžiště se opět posouvá k přednímu kolu. A znovu – dup! Toto je nejefektivnější způsob odrážení. Jakou roli v tom hraje hmotnost koloběžky?

Spousta jezdců (koloběžkářky nevyjímaje :-)) dělá jednu poměrně zásadní chybu – nedrží ruce propnuté – „klikuje“. Že si tak zbytečně namáháte ruce, to je váš problém. Ale když při posunu těla zezadu dopředu přitahujete koloběžku za řídítka k sobě, nevědomky ji tím brzdíte – stahujete ji dozadu. Na těžších strojích s větší setrvačností to není tak znát. Ale když potom stoupnete na lehkou koloběžku, pak ta se tomuto špatnému stylu odrážení snáze poddá. A vy máte neodbytný pocit, že to jede hůř. Ano, jede to hůř. Protože to děláte blbě :-) Koloběžka, potažmo pak její hmotnost je v tom naprosto nevinně.

Na konec vsuvka od Honzy Horáka, který v jedné facebookové diskuzi trefně glosoval techniku samotného odrazu:

„Je otázkou, zda opravdu využíváte energii z nášvihu a odraz odpovídá koloběžkářskýmu pozdravu ‚trhni si hohou‘ – a jedná se tak o koloběh –, nebo spíš pokládáte nohu na zem a pak se teprve odrazíte, což je spíš kolobko-chůze.“

Lehči je lepči!

Omlouvám se, trochu jsem se, jak je mým dobrým zlozvykem, rozepsal :-) Jak jste se mohli sami přesvědčit, u hmotnosti ani zdaleka nejde pouze o parametr typu „kdo se s tím má tahat“. Profláklé zaklínadlo jménem setrvačnost má u těžších strojů jakýs-takýs pozitivní význam pouze na rovině nebo v pozvolných táhlých stoupáních s neměnným sklonem. V ničem jiném nepomáhá.

Tento článek nemá za cíl přimět vás, kteří jezdíte na těžších strojích, abyste je co možná nejdříve vyměnili za lehké atletky mezi koloběžkami. Jen jsem chtěl reagovat na tvrzení některých koloběžkářů o tom, že těžší model je lepší než lehký. Takový názor se dá považovat – teologickým pojmem – za až blasfemický (čti rouhavý). To samozřejmě myslím v nadsázce, rozhodně nikomu jeho názory nechci brát. Ale moje jsou zkrátka odlišné, a podporuje mě v tom i jistý Isaac Newton. A ten má ve světě docela velký kredit :-)