Luftwiderstand beim Radrenntraining

Ganz gleich ob Sie an einem Zeitfahren gegen die Uhr, an einem Langstreckenrennen oder an einem Triathlon teilnehmen, Sie müssen die Dynamik des Luftwiderstands verstehen, um ihn zu überwinden. Der Radrenncoach Joe Beer erklärt Ihnen alles, was Sie wissen müssen, und präsentiert Ihnen einige faszinierende Entdeckungen, einschließlich seiner eigenen aus dem Bereich der Aerodynamik des Radrennens gesammelten aktuellen Daten.

Radrennen ist ein Sport, bei dem die Naturkräfte kontinuierlich gegen Sie arbeiten. Die Schwerkraft versucht, Sie bei jedem Hang – von einem kleinen Berg bis hin zu einem langen Aufstieg – zurückzuziehen. Nicht weniger wichtig ist die Tatsache, dass der Luftwiderstand bei einer Geschwindigkeit über 24 km/h jeden Kilometer erschwert. Oberhalb dieser kritischen Geschwindigkeit übersteigt der Luftwiderstand den durch die Reifen und den mechanischen Widerstand im Antrieb verursachten Rollwiderstand.(1)

Dieser Luftwiderstand ist das Produkt der Luftverwirbelungen, die ein Rennradfahrer erzeugt, indem er die Luft verschiebt, um vorwärtszukommen. Bei einer Geschwindigkeit von 32 km/h (20 mp/h) verschiebt ein Rennradfahrer über 1.000 Pfund Luft pro Minute und um die daraus resultierende Wirbelströmung zu meistern, ist einiges an Arbeit erforderlich.(2) Der Luftwiderstand ist für einen schnellen Rennradfahrer das Gleiche wie jedes zusätzliche Gewicht für einen Kletterer – ein Feind.

 

Der auf einen Rennradfahrer einwirkende Luftwiderstand wird in einem geringen Ausmaß von der Luftreibung über der Oberfläche des sich bewegenden Objekts (Mann und Rennrad) verursacht. Wichtiger für den Rennradfahrer ist jedoch der Druckwiderstand, der von einem Unterdruckgebiet hinter Objekten verursacht wird, die nicht stromlinienförmig sind und deshalb eine Luftzerlegung erzeugen. Der Luftwiderstand steigt proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit, die notwendige Kraft für die Beschleunigung steigt jedoch proportional zu v3. So geht z. B. aus neueren wissenschaftlichen Daten hervor, dass für eine Geschwindigkeit von 33,6 km/h ungefähr 190 Watt erforderlich sind; man benötigt jedoch zusätzliche 110 Watt, um 6,4 km/h schneller zu fahren.(3)

 

Wie Sie sehen, bedeutet mehr Kraft gleich mehr Geschwindigkeit. Bei 19 mp/h benötigen Sie nur 7,2 Watt pro mp/h; diese Zahl steigt bei einer Geschwindigkeit von 30 mp/h jedoch auf schwindelerregende 13,1 Watt. Wenn Sie schnell fahren wollen, brauchen sie sehr viel Kraft!

 

Die Überwindung des Luftwiderstands

Wenn wir akzeptieren, dass wir in einer Atmosphäre leben, die unsere Fähigkeit, immer schneller zu fahren, behindert, ist es erstrebenswert zu wissen, wie wir unsere Geschwindigkeit durch die Überlistung des Luftwiderstands steigern können. Sie können den Luftwiderstand nicht ausschalten; im Gegensatz zur Schwerkraft, die nur dann ins Spiel kommt, wenn Sie unbedingt einen Hang hinauffahren wollen, ist der Luftwiderstand in mehr oder minder großem Ausmaß allgegenwärtig.

 

Da das Rennrad für ungefähr 30 % des Luftwiderstands verantwortlich ist und der Fahrer für über 60 % ist klar, dass die größere Aufmerksamkeit auf den menschlichen Körper gerichtet werden sollte.(4) Es gibt viele aerodynamische Rahmen, Komponenten und Räder, die bei einer gegebenen Geschwindigkeit einen Unterschied machen können. Die richtige Sitzposition kann die Geschwindigkeit darüber hinaus noch beträchtlich steigern. Für die meisten Rennradfahrer steht deshalb die Verbesserung der Fahrposition an erster Stelle. Es gilt, eine Position zu finden, die die Freisetzung von Kraft bei minimalem Luftwiderstand erlaubt. Professionelle Rennradfahrer verbringen teure Stunden in Windkanälen, um sicherzustellen, dass jedes erzeugte Watt die größtmögliche Geschwindigkeit erbringt. Christ Boardman, der frühere und jetzige „absolute“ Stundenrekordhalter, wurde berühmt durch seine superniedrige Sitzposition und spezielle Komponenten wie Lenker, die direkt in die Gabel übergehen und aerodynamische Helme.

 

Die Schlüssel zu einer guten aerodynamischen Haltung

Zeitfahrmaschine

• eine aerodynamische Körperhaltung mit einem leicht nach vorne geneigten Sitz, sodass die Knie nicht an den Unterleib bzw. den unteren Brustkorb stoßen
• aerodynamische Lenker, bei denen die Unterarme einen Abstand von 15–20 cm in einem horizontalen oder leicht nach unten zeigenden Winkel haben und die Oberarme einen Winkel von 50–80 Grad
• die Knie befinden sich in der Nähe des Oberrohrs und direkt hinter oder leicht im Ellenbogen- bzw. Trizepsbereich des Oberarms
• eine Kopfposition, die den Blick nach vorne erlaubt, jeder Zwischenraum hinter dem Kopf wird von einem aerodynamischen Helm ausgefüllt
• enganliegende Sportbekleidung, idealerweise mit langen Ärmeln und Schuhen mit einem engen Überschuh

 

Straßenrennrad

• abgesenkte Lenker erlauben eine tiefe Körperhaltung bei Abfahrten, Einzelfahrten im Gegenwind und schnellen Gruppenfahrten
• die Fähigkeit in eine tiefe Sitzposition zu gehen, horizontale Pedale bei schnellen Abfahrten für einen minimalen Luftwiderstand, aber maximaler Geschwindigkeit ohne zu treten
• optimale Lenkerhörnchen (Spinachi oder ähnliche Firmen), die eine enge Armhaltung erlauben (versichern Sie sich, ob diese in Ihrem Sport legal sind)

Die Veränderung der Sitzposition von ganz gebeugt, über leicht gebeugt bis aufrecht führt zu einer beträchtlichen Verbesserung des Komforts, aber leider auch zu mehr Luftwiderstand. Die Positionen, die das schnellste Fahren ermöglichen, sind leider wenig komfortabel. Die dem Luftwiderstand entgegenwirkende gebeugte Position oder die aerodynamische Sitzhaltung sollte nie die Kraft beeinträchtigen. Ihre Geschwindigkeit entsteht durch Kraft kontra Luftwiderstand; weniger Kraft ist demnach nicht sinnvoll.

 

Kontroverse Meinungen zu Lenkern

Als Teil des schnelleren Zeitfahrens (TT) oder der Straßenposition stellen die engere Armgroßzügigkeit der Zeitfahrlenker oder aerodynamischen Lenkeraufsätze vielleicht den größten technologischen Fortschritt seit ihrer Anfänge in den späten 1980ern dar. Reichenbach et al. testeten Eliterennradfahrer in verschiedenen Positionen mit Standardlenkern und Zeitfahrlenker und machten eine beachtliche Entdeckung: obwohl die Zeitfahrlenker die Radfahrleistung um ungefähr 9 Watt reduzierten, wurde dies durch die aerodynamischen Einsparungen von 100 Watt mehr als kompensiert.(5) Die Praxis bestätigt das – richtig eingesetzte Zeitfahrlenker machen die Radfahrer schneller.
Andere Daten legen nahe, dass die Sauerstoffausschöpfung durch aerodynamische Lenker im Vergleich zu Standardsenklenkern in Feldversuchen reduziert wurde.(6)

Selbst primitive Zeitfahrräder mit Lenkerhörnchen aus den 1990er erlauben eine beträchtliche Reduzierung der Sauerstoffaufnahme bei 40 km/h.(1) Vergessen Sie nicht, dass bei einer Geschwindigkeit von 51,2 km/h 2/3 der gesamten Kraft gebraucht werden, um den Luftwiderstand zu überwinden. Selbst das Austauschen der Standardlenker durch die flügelförmigen Zeitfahrlenker (z.B. HED Zeitfahrlenker) kann die für 40 km benötigte Zeit um ungefähr 40-70 Sekunden senken, abhängig von der Fahrgeschwindigkeit.(7) Wind und Windkanalversuche zeigen, dass alle potentiellen aerodynamischen Vorteile der Ausrüstung zunichte gemacht werden, wenn der Fahrer sich aus dem Sattel aufrichtet und so keine gute Position einnimmt.

 

Fahrtaktiken

Neben Ihrer Fahrhaltung und der richtigen Ausrüstung ist Ihr Fahrstil ein wichtiger Faktor, was die aerodynamische Effizienz angeht. Hinter einem andern Fahrer, in der Gruppe oder im Luftzug eines vorbeifahrenden Autos oder Schwerlastzugs ist der Luftwiderstand erheblich niedriger. Testergebnisse aus den 90er Jahren zeigen, dass sich der Luftwiderstand um ungefähr 20 % reduziert, wenn Sie in 30 cm Abstand hinter einem anderen Fahrer fahren – allein durch das Windschattenfahren.(1) Aus diesem Grund werden die Spitzenfahrer einer Mannschaft bis kurz vor der Entscheidung nur selten an der Spitze gesehen; sie fahren im Schutz der anderen Fahrer, bis ihre Kletterkünste, ihre Sprintfähigkeiten oder ihre Attacken gefragt sind.

Technik und Taktik sind deshalb für Ihre „aerodynamische Kampfausrüstung“ lebenswichtig. Wenn Sie dicht hinter einem anderen Rennradfahrer bleiben, kann der Windwiderstand bis zu 44 % niedriger sein als der, mit dem dieser Fahrer zu kämpfen hat. Vergrößern Sie den Abstand jedoch auf 2 m, haben Sie mit ¾ des Luftwiderstands zu kämpfen.(2) Mit zunehmender Geschwindigkeit wird die Führungsposition immer wichtiger; hinter einem Fahrer, der mit 49,8 km/h fährt, ist der gefühlte Luftwiderstand mit der einer Solofahrt bei 38,4 km/h vergleichbar.

 

Helmtechnologie

Fahrräder sind zu Hightechkunstwerken aus Karbon, Stahl, Titan und Hybrid mit 20 – 30 Gängen und einem Gewicht von knapp 6 kg Gewicht geworden. Obwohl Rennradfahrer gerne Effizienz kaufen, können Sie keinen besseren Motor kaufen. Dafür müssen Sie clever trainieren. Bei gleichen Voraussetzungen kann die richtige Ausrüstung jedoch einen Unterschied ausmachen was Luftwiderstand und Geschwindigkeit angeht.

Wir haben vor kurzem diverse Szenarien getestet, bei denen ein Fahrer bei einer Geschwindigkeit von 40 km/h am Wales National Velodrome in Newport teilgenommen und SRM (Schoberer Radmesstechnik) Messgeräte gebraucht hat. Diese Messgeräte messen die Leistung anhand von Dehnmessstreifen, die in die Tretlager eingebaut sind und eine korrekte Messung der geleisteten Arbeit erlauben.

Unser Team, einschließlich der Ingenieure von Giant und Planet-X-Rädern, sah sich die Auswirkungen eines Standard belüfteten Helms (Uvex FP1 mit 24 Luftdurchlässen) im Vergleich zu der aerodynamischen Version (Uvex FP2 – wie er von dem T-Mobile Team bei Zeitfahrversuchen genutzt wurde) im Bezug auf Kraft, Luftwiderstand und Geschwindigkeit an. Dieser Vergleich zwischen höchstem Luftwiderstand und niedrigstem Luftwiderstand bei ungefähr 40 km/h (25 mp/h) sollte zeigen, wie viele Vorteile ein aerodynamischer Helm bietet. Für jedes von dem Fahrer erzeugte Watt (ungefähr 300 bei 40 km/h) bringt der aerodynamische Helm zusätzliche 5,38 Meter ein oder, um es mit anderen Worten zu sagen, der aerodynamische Helm ermöglicht es dem Fahrer 1,614 Meter (1,002 Meilen) pro Stunde schneller zu fahren. Ein Gewinn von 4 % erscheint klein, es sei denn, Sie vergegenwärtigen sich, dass das ungefähr 2 Minuten bis 2 Minuten 20 Sekunden auf einer Entfernung von 40 km entspricht. Der aerodynamische Helm erlaubt es dem Fahrer bei gleicher Anstrengung schneller zu fahren oder mit weniger Anstrengung die gleiche Geschwindigkeit zu erreichen.

Im Gegensatz zum Standard gibt es noch eine Reihe anderer potentieller Vorteile beim Einsatz von Komponenten, die den Luftwiderstand reduzieren. Bei 40 km können die folgenden Komponenten erhebliche Zeiteinsparnisse bringen:(7)

• aerodynamische Rahmen kontra Standardrahmen 1–2,5 Minuten
• aerodynamische Gabeln kontra runde Gabeln 0,5 Minuten
• Scheibenräder und Dreispeichenräder kontra normale Laufräder 1–1,5 Minuten
• aerodynamische Position kontra Standardposition bis zu 6 Minuten

Unter www.bikertechreview.com zugängliche Daten legen nahe, dass die Wahl des Felgentyps und der Speichenzahl sowie die Tatsache, ob das Hinterrad ummantelt ist oder nicht, einen beträchtlichen Unterschied ausmachen. So ist z. B. ein Laufrad mit 20–30 Speichen auf eine Distanz von 40 km ungefähr 30 Sekunden langsamer als ein Hochprofillaufrad oder ein Karbonscheibenlaufrad. Unsere Ergebnisse von dem Streckentest beim Wales National Velodrome legen nahe, dass sogar Laufräder mit wenigen Speichen (z.B. 18 vorne/20 hinten) auf einer normalen Alufelge 18 Watt mehr brauchen als ein Scheiben- oder Hochprofillaufrad.(3)

Ein Laufradsatz (18 Speichen vorne/20 hinten) braucht 312 Watt bei einer Geschwindigkeit von 40 km/h. Investieren Sie in aerodynamische Laufräder und Sie haben es leichter; unser Testfahrer fuhr 40 km/h und brauchte nur 294 Watt. Ein solides Karbonscheibenlaufrad und ein Vorderreifen mit einer Hochprofilfelge bietet dem Fahrer, der schnell fahren will, eine energiesparende Technologie. Diese sogenannten Hochprofilfelgen kommen sogar bei Straßenrennen zum Einsatz, da kluge Teams sich bewusst sind, dass Kräftesparen bei den flachen, schnellen Etappen ohne Gewichtreduzierungen möglich ist.

Räder erzeugen Turbulenzen, indem die Felgen die Luft schneiden. Sie erzeugen hinter der normalen eckigen Felge auch Verwirbelungen. Beides erzeugt wiederum Luftwiderstand und verlangsamt den schnell fahrenden Radfahrer. Eine Hochprofilfelge hat mehr Luftkontakt und reduziert den Unterdrucksog. Hinten am Fahrrad glättet eine solide Scheibe den Luftfluss. Interessanterweise kann eine Scheibe bei speziellen Seitenwinden einen „Segeleffekt“ erzielen, bei dem die Vorwärtsbewegung mit der eines segelnden Bootes vergleichbar ist.

Ein Energiegewinn von 18 Watt mag wenig erscheinen, kann jedoch einen über 2-minütigen Vorsprung vor einem technisch weniger bewussten Fahrer bedeuten. Nehmen wir das Worst-Case-Szenario mit 32 Speichen vorne und hinten: ein technisch so schlecht ausgerüsteter Fahrer kann bei 40 km mehr als 3 Minuten verschenken. Die goldene Regel der Laufradwahl lautet, die Speichenzahl niedrig zu halten (12–20 Speichen) und eine Hochprofilfelge im Bereich von 40-100 mm zu wählen. Doch je tiefer die Felge vorne ist, desto mehr Schwierigkeiten haben Sie bei Seitenwind. Sie fahren bei Windstille vielleicht schneller, wenn Sie eine Felge nehmen, die so tief wie die des Marktführers Planet-X (101mm) ist, doch muss bei windigem Wetter davon abgeraten werden. Starke Querwinde, durch Verkehr verursachte Böen oder Rennstrecken mit unerwarteten Seitenwinden können aerodynamische Objekte mit großen Oberflächen plötzlich gefährlich machen.

Anfänger oder Fahrer mit eingerosteten Fähigkeiten müssen sich ernsthaft Gedanken über die zu kaufende Ausrüstung machen. Ein teures Scheibenrad oder eine Hochprofilkombination kommt vielleicht nur wenige Male zum Einsatz, wenn Sie sich mit der Handhabung unwohl fühlen. Was in einem Windkanal oder bei einem Radrennen gut ist, ist in der realen Welt nicht immer angebracht.

 

Die Kleidung

Weil der Fahrer dem Wind die größte Stirnfläche bietet, hat die Kleidung einen besonderen Einfluss auf den Luftwiderstand, vor allem wenn Sie in Betracht ziehen, dass der Oberflächenwiderstand über Textilfasern erheblich variieren kann. Nike ist einer der Pioniere mit seinen Swift-Spin-Anzügen wie sie von der Tour de France Legende Lance Armstrong getragen wurden. Geschwindigkeitsexperten haben herausgefunden, dass der Nike-Anzug andere Fabrikate übertrifft; diese Eliteanzüge kommen jedoch kaum auf den allgemeinen Markt. Der beste Rat für normal sterbliche Radfahrer ist ein engsitzendes Trikot für Straßenrennen zur Reduzierung des Luftwiderstands oder ein einteiliger engsitzender Anzug für Zeitfahrten. Letzterer – ohne Taschen – verhilft dem Körper zu einer besseren Form als flatternde Säume und Taschen. Die Tatsache, dass Eliterennradfahrer auf einem einteiligen Anzug bestehen, legt nahe, dass er von beträchtlichem Vorteil ist, doch existieren nur wenige Belegdaten. Viele Teams verfügen über Daten bezüglich der Ausrüstung, doch handelt es sich dabei um „Berufsgeheimnisse“ und der Einzige, der darauf aus sein dürfte, Ihnen zu sagen, wie gut etwas ist, ist der Hersteller, der seine Sachen verkaufen will.

 

Zusammenfassung

Die Dynamik des Luftwiderstands ist ein Produkt aus der Interaktion von Radfahrer und Fahrrad, Ausrüstung und Rennradfahrtechnik. Bei Einzelveranstaltungen wie Zeitfahren, können Sie nicht im Windschatten fahren, sodass Sie mit Hilfe der besten, für Sie erschwinglichen Ausrüstung den Luftwiderstand reduzieren müssen. Bei Straßenrennen oder langen, sportiven Rennen ist es sehr ratsam, auf den ebeneren Strecken Energie zu sparen, indem Sie „in der Gruppe bleiben“. Sie brauchen diese gesparte Energie, wenn Geschwindigkeit oder Gefälle ansteigen.

Den Luftwiderstand zu reduzieren, muss nicht unbedingt teuer sein (durch einen einfachen Wechsel des Lenkervorbaus und eine Senkung des Körperwinkels), kann aber teuer sein (1.150 Euro für 1 Karbonlaufradsatz). Vergessen Sie jedoch nie die Tatsache, dass der Motor der Schlüssel der Krafterzeugung ist; alle Fahrer können auf 40 km ungefähr 2 Minuten durch eine Leistung von 20 Watt gewinnen. Deshalb sollte die Priorität wie folgt aussehen:

• sorgen Sie für einen starken Rennrad“motor“ durch das Fahren von vielen Kilometern, Intervallen und durch Wettbewerbserfahrungen. Sie kommen nicht um harte Arbeit herum, wenn Sie Ihre persönliche Bestleistung erreichen oder auf dem Podium stehen wollen. Ein Wintertraining kann Ihre Leistung aus der letzten Saison um 20 – 40 Watt erhöhen
• trainieren Sie richtig, z. B. mit über 90 Minuten dauernden Abläufen; Kohlenhydratgels und -drinks lassen Sie schneller fahren
• nehmen Sie die richtige Position ein, um gut zu sitzen und den Luftwiderstand zu reduzieren. Das ist bei Straßenrennen weniger wichtig als bei Zeitfahrrennen. Ist Ihre Position erst korrekt (durch den Gebrauch eines aerodynamischen Lenkers), können Sie andere Dinge wie aerodynamische Reifen, Helme, Gabeln, Anzüge etc. hinzunehmen. Diese Ausrüstungsteile sind nicht billig, doch wenn Sie sich gründlich umsehen, können Sie auf „aerodynamisch“ umstellen, ohne danach total pleite zu sein.

Spitzenfahrer können zwischen 400 und 500 Watt beim Fahren gegen die Uhr oder beim Angriff an einem Hang halten. Normal Sterbliche können diesen Typ Motor nicht erwerben – schade, dafür müssen Sie aber Ihre Eltern verantwortlich machen. Doch mit der richtigen Aerodynamik, mit Training und Motivation können wir alle schneller fahren, den Wind ein wenig besser überwinden und uns näher an unser eigenes Limit heranbewegen.