In de Gelderlander van 1 oktober 2021 wordt een onderzoek beschreven naar het energieverbruik van een fietser op een elektrische fiets, vergeleken met een ‘gewone’ fiets. De onderzoeker beschrijft het onderzoek:
“Voor dit experiment fiets ik, volgehangen met meetapparatuur, in verschillende standen eindeloos rondjes op de hardloopbaan van de Universiteit Twente. De slangen aan mijn masker meten zuurstofopname en -afgifte, waarmee tot achter de komma het energieverbruik kan worden berekend. We testen de turbomodus op de e-bike, tourstand én een gewone fiets zonder ondersteuning.”
a) In welke eenheid meten we in de natuurkunde de grootheid ‘energieverbruik’?
De eenheid van energie (en dus ook van energieverbruik) is joule (J)
De auteur gaat verder:
“Waar je als volwassen man tijdens een kwartiertje shoppen 75 kilocalorieën verbrandt, zijn dat er in de turbomodus tijdens dit experiment 'slechts' 65. Ook de hartslag verhoogt nauwelijks. Bij het op gang brengen van de fiets schiet de meter wél omhoog.”
b) Reken de eenheid kilocalorie om naar kilojoule (kJ).
1 kilocalorie = 4,2 kilojoule (4,2 kJ)
c) Zoek op internet wat het vermogen van een mens in rust is.
Het vermogen van een mens in rust is gemiddeld 1,0 . 102 W
De onderzoeker fietst steeds gedurende 15 minuten.
d) Bereken zijn gemeten vermogen als hij fietst in de turbostand.
In de turbostand verbruikt hij 65 kcal = 65 . 4,2 = 2,7 . 102 kJ
Dat is gedurende 15 minuten verbruikt dus zijn vermogen is:
$P=\frac{E}{t}=\frac{2,7\cdot 10^2}{15\cdot 60}=0,30~\mathrm{kW}$
e) Bereken het vermogen dat nodig was om te fietsen. Gebruik je antwoord van vraag c.
Het vermogen dat nodig was om te fietsen in de turbostand, is het gemeten vermogen min het vermogen dat een mens in rust al heeft. Dat is hier dus 0,30 - 0,10 = 0,20 kW.
f) Leg uit waarom “schiet de meter omhoog” bij het opgang brengen van de fiets en waarom het gebruik vervolgens veel minder wordt.
Voor het ‘op gang brengen’ moet de fiets en de persoon versneld worden van 0 naar 20 km per uur. Voor deze versnelling is extra energie nodig door de toename van kinetische energie.
Iets verder in het artikel geeft de onderzoeker het gemeten energieverbruik in de tourstand van de e-bike (84 kcal) en het gemeten energieverbruik op een ‘gewone’ fiets (125 kcal).
g) Bereken ook voor deze twee situaties wat het gemeten vermogen van de fietser is.
In de tourstand is het gemeten vermogen:
$P=\frac{E}{t}=\frac{84\cdot 4,2}{15\cdot 60}=0,39~\mathrm{kW}$
En op de ‘gewone’ fiets is dat:
$P=\frac{E}{t}=\frac{125\cdot 4,2}{15\cdot 60}=0,58~\mathrm{kW}$
Alle metingen zijn gedaan met een snelheid van 20 km per uur gedurende 15 minuten.
h) Bereken het extra vermogen ten opzichte van het verbruik in rust, dat een mens moet leveren op een gewone fiets om gedurende 15 minuten een snelheid van 20 km per uur vol te houden.
Het extra vermogen om gedurende 15 minuten een snelheid van 20 km per uur te fietsen op een gewone fiets is 0,58 - 0,10 = 0,48 kW
i) Vul de onderstaande tabel aan:
De onderzoeker vergelijkt het fietsen met een kwartiertje shoppen (75 kcal verbruik).
j) Is het gebruik van een e-bike volgens de onderzoeker een manier om je conditie te verbeteren?
Een e-bike levert veel ondersteunend vermogen (200 tot 300 watt) en is dus niet zo geschikt om je conditie te verbeteren. Fiets je echter elektrisch in plaats van er niet op uit trekken (omdat je een hekel hebt aan gewoon fietsen), dan is het pure winst.
