Radfahren: Erfolgsfaktor Aerodynamik

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Für den Hochleistungsradsport sind aerodynamische Innovationen äußerst wichtig. In diesem Artikel wird die Rolle von Windkanaltests für die Verbesserung der Aerodynamik beim Radfahren erklärt, und inwieweit solche Tests zu einer Steigerung der Radfahrleistung beitragen können.

Schon um 1880 suchten Radsportler Hallen mit einer Radrennbahn – auch Velodrom genannt – auf und unternahmen Rekordversuche über größere Distanzen. Der große Vorteil der Halle war die geringere Luftdichte, die den Windwiderstand für den Fahrer reduziert. Doch obwohl Anfang des 20. Jahrhunderts Räder mit Rennlenker eingeführt wurden und die Fahrer in geschützten „Gruppen“ oder einem geschlossenen Feld (Peloton) fuhren, änderte sich bis zu den 1970er-Jahren nur wenig an der Leistung der Radfahrer. Der Initiator für größere Veränderungen war der legendäre Eddy Merckx. Bevor er 1972 seinen „Stunden“-Weltrekord aufstellte, ging er in einen Windkanal, um sein Fahrrad und seine Fahrhaltung zu verbessern.

Doch erst durch das Renault-Gitane-Team und eine Vielzahl aerodynamischer Innovationen in den späten 1970er- und frühen 1980er-Jahren, wurden Windkanaltests zu einem „Must-have“ für Profiteams und Olympiateilnehmer, die Spitzengeschwindigkeiten erzielen wollten. Francesco Moser erregte Aufsehen mit seinen Scheibenrädern, einem eng anliegenden Radfahranzug und einem nach oben gebogenen, so genannten Hornlenker. Damit konnte er damals den Rekord von Merckx brechen. Diese  Innovationen führten zu einer Änderung des Reglements und einer Revolutionierung dieser Sportart. Die Olympischen Spiele in Los Angeles 1984 öffneten dem Tür und Tor, angefacht durch immense Investitionen der Amerikaner in die Aerodynamik. Seither ist die Aerodynamik der alles beherrschende Faktor der Fahrradtechnologie. Windkanaltests sind heute für alle Profiteams und Länder mit Leistungssportprogrammen eine Selbstverständlichkeit geworden.
 

Eine Frage des Widerstands

Bei ruhigem Wind können untrainierte Menschen sich, in einer bequemen aufrechten Position, bei etwa 16 km/h relativ mühelos auf dem Fahrrad fortbewegen. Abgesehen von den speziellen Bedingungen in den Bergen (wo die Schwerkraft eine Rolle spielt) gibt es 2 Widerstandskräfte bei der Vorwärtsbewegung des Fahrers. An 1. Stelle steht hier der Windwiderstand. Die 2., etwas schwächere Kraft ist der Rollwiderstand.

Wenn der Radsportler im Wettkampf das Tempo erhöht, steigt der Windwiderstand immens an. Bei rund 30 km/h wendet er etwa 80 % seiner Kraft für den Kampf gegen den Windwiderstand auf. Die Widerstandskraft entsteht, weil der Luftstrom durch Fahrer und Rad behindert wird. Darüber hinaus gibt es zwar noch weitere Wirkkräfte, die das Vorwärtskommen behindern, insbesondere Komplikationen beim Antrieb. Diese sind allerdings so gering, dass sie oft vernachlässigt werden können.

Abb.1: Erforderliche Wattleistung zur Überwindung des Luftwiderstands bei 35 km/h(2)

Abb.1: Erforderliche Wattleistung zur Überwindung des Luftwiderstands bei 35 km/h(2)

Ein einfaches Beispiel dafür, wie der Windwiderstand einen Fahrer (und somit auch die optimale Sitzposition auf einem Rad) beeinflusst, ist der Vergleich zwischen einem Berufspendler, der in völlig aufrechter Position mit dem Fahrrad zur Arbeit fährt, und einem Radrennsportler in total gekrümmter Haltung. Bei einer Geschwindigkeit von 35 km/h müsste der Pendler eine Leistung von über 340 Watt erbringen, um diese Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten. Bei dem in gebeugter Haltung sitzenden Rennsportler wären es hingegen nur 170 Watt.(1)

Wenn man bedenkt, dass beim Stundenweltrekord (aufgestellt von Chris Boardmann über eine Strecke von 56,375 km) eine Leistung von über 400 Watt erforderlich war, während der durchschnittliche Vereinsfahrer in einem 16-km-Rennen nicht einmal 300 Watt erreicht, dann wird deutlich, dass hinter 340 Watt eine enorme Anstrengung steckt. Dies erklärt auch, warum Radfahrer, die in aufrechter Haltung zum Einkaufen fahren, dabei keine Geschwindigkeiten von über 30 km/h erreichen, und warum Radrennsportler eine gebeugte Haltung einnehmen, um den Widerstand zu reduzieren und Höchstgeschwindigkeiten zu erzielen! Abbildung 1 zeigt am Beispiel verschiedener Räder und Fahrhaltungen, welche Wattleistung erforderlich ist, um den Luftwiderstand bei 35 km/h zu überwinden.(2)

Wenn Sie sich Bilder von erfolgreichen Olympiaradsportlern anschauen – egal, ob im Straßenrennen, Zeitfahren oder Bahnfahren – so wird deutlich, dass ein Faktor in allen Disziplinen gleichermaßen wichtig ist: Bei hohen Geschwindigkeiten kommt es auf die Aerodynamik an. Wo genau die Trennlinie zwischen geringer und hoher Geschwindigkeit liegt, ist reine Hypothese – wenn Sie schnellere Zeiten fahren wollen, müssen Sie gegen den Windwiderstand ankämpfen, und hierbei ist der aerodynamische Widerstand Ihr Feind.

 

Wichtig: Die Wahl des Fahrrads

Beim Radfahren gehen Mensch und Maschine eine Partnerschaft ein. Zusammen arbeiten sie auf die Erreichung eines Ziels hin. Ein Fahrrad lässt sich je nach der gewünschten Fahrposition verändern. Folglich richtet sich die Auswahl des Rads nach dem Ziel, das der Fahrer verfolgt. Auf einer Indoor-Bahn oder in einem Velodrom werden zum Beispiel 1-Gang-Räder mit „starrem Antrieb“ (d. h. ohne Freilauf) und ohne Bremsen benutzt. Bei Straßenrennen und im Zeitfahren werden hingegen Räder mit mehreren Gängen und Bremsen bevorzugt. Das Fahrrad alleine (ohne Fahrer) verursacht rund 1/3 bis 1/4 des Luftwiderstands, den ein Fahrer überwinden muss. Der Fahrer verursacht also den größten Luftwiderstand.

Ein Fahrrad besteht aus Rahmen und Gabeln, Rädern, Antriebseinheit und weiteren Komponenten, wie Bremsen, Lenker, Wasserflasche etc. Wichtig ist, dass im Gegensatz zu einem Auto, das größtenteils von einer festen Hülle umgeben ist, bei einem Fahrrad viele Bauteile in einem Wechselspiel mit der Luftströmung stehen, sodass eine komplizierte und immer noch nicht vollständig geklärte Abfolge von Unwägbarkeiten der Luftströmung entsteht.

Ein Beispiel hierfür ist die Vorderradbremse. Hier kann die Luft auf Steuerrohr, Sitzrohr, Sitzstrebe und Hinterradbremse prallen. Diesem vertrackten Problem kann man nur mit einer Vollverkleidung des Fahrrads entgegenwirken. Solche Liegeräder sind jedoch bei normalen Radrennen, Triathlons und Bahnrennen nicht erlaubt.
 

Wie können Sie Ihre Geschwindigkeit beeinflussen?

Bei Besuchen im Windkanal und mithilfe des Formel-1-Aerodynamikers Simon Smart (der führende Kopf bei der Entwicklung des Team-Columbia-Giant-Prototyp-Rads, das wir bei der Tour de France 2008 und bei den Olympischen Spielen in Aktion sehen konnten) testeten einige Fahrer kürzlich verschiedene Räder. Hierbei sollte festgestellt werden, welche Unterschiede sich in Bezug auf den Krafteinsatz des Fahrers bei einer Geschwindigkeit von 16 km/h ergaben. Tabelle 1 zeigt die Daten, die sich bei einem Vergleich verschiedener Rahmen-Gabel- Kombinationen ergaben, jedoch ohne den Luftwiderstand, der auf die Räder einwirkte. Die Daten zeigen, dass die Rundrohrrahmen der „alten Schule“ mehr Nachteile hatten, als die modernen aerodynamisch geformten Karbonrahmen.

 

Aufbau

Erforderliche Leistung (Watt) bei 40 km/h (Zirka-Angabe)

Voll-Aero-2008-Rahmen und -Gabeln für Triathlon/Zeitfahren*56
Voll-Aero-2007-Rahmen und -Gabeln für Triathlon/Zeitfahren*61
Rundrohr-1980-Rahmen und -Gabeln für Zeitfahren82
Aero-1999-Rahmen und -Gabeln für Triathlon/Zeitfahren*78
Einsteiger-2008-Straßenfahrrad mit Rundrohrrahmen82

Tab. 1: Rahmen-und-Gabel-Kombination und Luftwiderstand (*Rahmen und Gabeln von UCI zugelassen)

 

Runde zylindrische Formen, z. B. Rahmenrohre, Speichen und Gabeln, erzeugen Luftwiderstand, da der Luftstrom sich an der windabgewandten Seite des Zylinders bricht. Wenn Sie eine flügelartige Form nehmen, z. B. ein geformtes Rahmenrohr, Speiche oder Felge, dann sind Brechung und Turbulenz geringer, und die Luftströmung ist ruhiger. Die Folge ist, dass weniger Windwiderstand auftritt, der das Fahrrad zurückhalten und das Vorwärtskommen des Fahrers behindern kann.

Straßenfahrer haben anfangs Rundrohre verwendet, weil diese stabiler und kostengünstiger sind. Heute verwenden viele Fahrer bei Straßen-, Zeitfahr- und Bahnrennen jedoch Flare-Karbonrahmen. Für den Profiradsport hat der internationale Radsportverband (UCI = International Cycling Union) einschränkende Bestimmungen erlassen. Triathleten, Zeitfahrer und Freizeitradsportler können sich jedoch alle aerodynamischen Vorteile verschaffen, die der Markt bietet.

Hypothetische Daten aus mathematischen Berechnungen der „Aero-Experten“ Jim Martin und John Cobb weisen darauf hin, dass ein aerodynamisch geformter Rahmen im Vergleich zu einem normalen Rundrohrrahmen auf 40 km einen Zeitgewinn von 1,5 bis 2,5 Sekunden ausmachen kann.(3) Im Endeffekt kann man also die größte Radkomponente – den Rahmen – nutzen, um den Fahrer schneller zu machen. Rohre mit flügelähnlichem Profil, speziell geschützte Hinterräder und die runde Linienführung der modernen Aerorahmen sind Merkmale, die Vorteile bringen.

Für Rahmen-und-Gabel-Kombinationen, und auch für die meisten anderen Komponenten, können wir keine Vergleichsdaten präsentieren, weil es sie ganz einfach nicht gibt. Alle Hersteller testen die Rahmen der Konkurrenz und kennen deren Daten. Aber Siewerden keinen finden, der Ihnen genaue Zahlen liefert, weil Geschäftsgeheimnisse in Zusammenhang mit Windkanalversuchen sehr ernst genommen werden. So sieht man z. B. häufig manipulierte Abbildungen mit Zahlen zum Widerstand des Fahrers, unscharfe Abbildungen von getesteter Ausrüstung, oder es gibt sogar ein absolutes Testverbot in Bezug auf einen Sportler oder ein neues Produkt!

 

Spielzeug des 21. Jahrhunderts

Bei den Olympischen Spielen 2008 wurde deutlich, wie alle Teams versuchen aerodynamische Vorteile zu erzielen, und die neuesten Erkenntnisse aus Windkanaltests und neuen Entwicklungen bei der Ausrüstung nutzen. Hier sind einige Beispiele:

– Die Gewinnerin im Zeitfahren der Frauen, die Amerikanerin Kristin Armstrong, fuhr mit einem Tulalenker der englischen Firma USE. Dies ist angeblich der Lenker mit dem geringsten Widerstand, den man derzeit im Handel bekommen kann.

– Goldmedaillengewinnerin Nicole Cooke trug beim Straßenrennen der Frauen einen speziellen Anzug, um den Widerstand zu reduzieren, während viele andere die übliche Fahrradkleidung mit Taschen und Klappen trugen.

– Der Gewinner im Zeitfahren Fabian Cancellara, entschied sich bei diesem Rennen für eines der tiefsten Vorderräder von Zipp (ohne Aufkleber). Für das Straßenrennen, bei dem er die Bronzemedaille gewann, wählte er auch ein Deep-Rim-Laufrad.

– Aus Insiderkreisen war zu hören, dass die Adidas-Anzüge einiger Fahrer des englischen Teams jeweils handgefertigt und maßgeschneidert waren. Allerdings wurde Stillschweigen darüber bewahrt, wie gut die Anzüge tatsächlich waren. Aber da der Fahrer 2/3 des Gesamtwiderstands ausmacht, kann die Kleidung schon einen Unterschied machen.

 

Zeitgewinn durch das richtige Material

Da sich die Gabel des Vorderrades ganz vorne am Fahrrad befindet (als sog. „innovative Technik“), glauben manche, sie sei in einem unbelasteten Bereich. Vom Vorderrad wird jedoch verwirbelte Luft nach oben befördert. Die Hersteller haben versucht, diese verwirbelte Luft zu beruhigen, indem sie Schlitze in die Gabel machten. Interessant ist, dass das Unternehmen Oval Concepts das Patent für diese Schlitztechnologie an Ridley verkaufte und diese Aerodynamikkomponente in das Fahrrad eingebaut hat, das Cadel Evans, der Zweitplatzierte der Tour de France 2008, beim Zeitfahren fuhr. Trotz dieser Indizien sind sich die Experten nicht unbedingt einig, ob es tatsächlich einen Unterschied macht oder nicht.

Unabhängige Testversuche von BikeTechReview.com ergaben, dass eine Wechselwirkung zwischen Gabel und Vorderradtyp besteht, die vom schlechtesten bis zum günstigsten Fall zu Abweichungen von 0,6 Sekunde pro km führen kann. Diese Interaktion ist noch nicht völlig geklärt. Manche Gabel-Räder-Kombinationen bringen einen Zeitverlust von 0,3 Sekunde pro km, obwohl sie – mit bloßem Auge betrachtet – von der Aerodynamik her ähnlich aussehen. In solchen Fällen sind Windkanalversuche außerordentlich wichtig, denn dabei werden Dinge deutlich, die das menschliche Auge nicht erkennen kann.

Die aerodynamisch günstigen „Deep Rims“ (Tropfenfelgen), haben im Vergleich zu einer Kastenfelge viele Vorteile. Wenn man den Wind länger an der Felge halten kann, wird der Luftwiderstand erheblich reduziert. Wer die Tour de France, die olympischen Straßenrennen und viele Etappenrennen beobachtet hat, konnte sehen, dass Profifahrer „Deep Rims“ benutzen, die bislang nur für die Zeitfahrdisziplin genommen worden waren.

 

„Deep Rims“ im Test

Warum werden „Deep Rims“ heute häufiger verwendet als früher? Aus Zahlen des Unternehmens Zipp, eines Herstellers von aerodynamischen Rädern und großen Befürworters von Windkanalversuchen, geht hervor, dass diese Räder einen Vorteil von 1 bis 1,75 Minuten Zeitgewinn gegenüber den herkömmlichen Kastenfelgen bieten. In einem Sport, bei dem es auf Sekunden ankommt, sollten wettkampforientierte Fahrer aufhorchen, wenn es um einen Zeitgewinn von Minuten geht. Der Vorteil entspricht einer Energieeinsparung für den Fahrer von 15–30 Watt, oder 50–100 Kalorien pro Stunde Belastung, bei gleichbleibender Geschwindigkeit. In einem 3–6 Stunden andauernden Rennen ist dies eine gute Möglichkeit, Energie einzusparen.

Eigene Tests, sowie Feldversuche mit Sportlern, zeigen, dass ein Fahrer mit aerodynamischen Rädern bei gleichbleibender Leistung mindestens 1,3–1,9 Sekunden pro km Zeitgewinn erzielen kann. Andere Daten weisen darauf hin, dass ein Fahrer mit aerodynamischen Rädern – z. B. ein Scheibenrad hinten und ein Carbon-3-Speichen-Laufrad vorne – auf 49 km um 60–90 Sekunden schneller sein kann.(3) Dies entspricht 1,5–2,3 Sekunden pro km und stimmt mit Daten von Unternehmen und eigenen Daten überein.

Abb.2: Erforderliche Kraft (in Watt) für Radfahrer bei 40 km/h

Abb.2: Erforderliche Kraft (in Watt) für Radfahrer bei 40 km/h

Wenn Sie eine persönliche Bestzeit anstreben, richtig trainieren und einen aerodynamischen Vorteil haben möchten, sollten Sie auf jeden Fall auf den Rollwiderstand Ihrer Räder und Reifen achten. Man hört oft, dass der Rollwiderstand bei 10 % des erforderlichen Arbeitsaufwands oder rund 30 Watt liegt. Doch allein die Kraft, die benötigt wird, um einen einzigen Reifen bei 40 km/h zu drehen, kann je nach Marke, Modell und Fahrradschlauch oder Klebetechnik schon bei zwischen 12 und 22 Watt liegen. Für männliche Leistungssportler scheinen 20 Watt mehr Anstrengung bei gleicher Geschwindigkeit zwar recht wenig zu sein, bei zierlicheren Radsportlerinnen, die bei maximalem Einsatz während des Rennens eine Leistung von 220 Watt erbringen, kann dies allerdings schon einiges ausmachen. Wenn die häufig zu hörende Redewendung „Jede Sekunde zählt“ auch Ihr Leitspruch ist, sollten Sie bedenken, dass Sie dies mit jedem zusätzlich produzierten Watt erreichen, sowie mit jeder Reduzierung der Ausrüstungsobjekte, die Sie im Handel kaufen können.
 

Zusammenfassung

Windkanalversuche mit ihrer extrem hohen Testgenauigkeit machen deutlich, welche Auswirkungen die geringste Änderung an der Ausrüstung und der Sitzhaltung des Fahrers auf den Energiebedarf und die Leistung haben. Dem „normalen“ Radfahrer und dem Profisportler bietet dies die Möglichkeit, auf der Grundlage der neuesten technischen Entwicklungen kluge Kaufentscheidungen für einen bestimmten Fahrstil oder Wettkampf zu treffen. Aber bevor Sie hart verdientes Geld überstürzt ausgeben, sollten Sie sich klarmachen, welche Vorteile es für Sie bringt. Sie dürfen nicht davon ausgehen, dass Sie dann nichts mehr tun müssen. Wenn Sie die Aerodynamik bestmöglich nutzen wollen, müssen Sie eine maximale Leistung bringen und eine optimale Pacing-Strategie haben. Nicht das Fahrrad ist schnell, sondern der Fahrer, der es fährt!
 

Praktische Tipps

– Bei der Wahl von Rahmen, Gabeln, Lenker und Komponenten für Ihr Rad sollten Sie auf einen minimalen aerodynamischen Widerstand achten.

– Mit Aerorädern können Sie den Energieverbrauch ebenfalls senken oder bei gleichem Krafteinsatz schneller fahren. Sehr hohe Versionen (> 80 mm) können bei stürmischem Wetter sehr wackelig sein. Räder mit einer Höhe von 40–60 mm sind schnell und sehr wendig.

– Sie selbst sind das größte Objekt, daher müssen Rahmen, Lenker und – falls vorhanden – Aerobars eine perfekte Plattform für optimale Haltung, Komfort und Krafteinsatz bilden. Nehmen Sie sich die Zeit, Ihre Haltung zu verbessern, und notieren Sie sich in Zukunft alle Messwerte.

  
Joe Beer ist in verschiedenen Sportarten als Trainer tätig (JBST.com) und zudem Autor von „Need to know Triathlon“ (Harper Collins) und Zeitschriftenkolumnen.
 
Quellenangaben

1. Bicycling Science, 2004, S. 187–189

2. Bicycling Science, 2004, S. 188

3. High Performance Cycling. Human Kinetics, 2002, S. 120–123

4. BikeTechReview – Independent aerodynamic testing at MIT, 2003

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Über den Autor

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