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Aerodynamik Seite 1 von 2


Aerodynamik

Jeder Fahrradfahrer muss den Widerstand der Luft überwinden. Die meisten Freizeit-Fahrräder, bei denen der Fahrer aufrecht sitzt, kann man kaum aerodynamisch nennen. Während aber die neueren Fahrräder mit einem besseren aerodynamischen Konzept entworfen werden, gilt das nicht für den menschlichen Körper, der einfach nicht dafür geschaffen ist, um durch die Luft zu gleiten. Radrennfahrer sind sich dieses Problems bewusst und haben im Laufe der Jahre verschiedenste Techniken entwickelt, um den Luftwiderstand zu reduzieren. Fahrradkonstrukteure und -erfinder haben beim Entwurf von Fahrrädern und anderen, von menschlicher Kraft angetriebenen Fahrzeugen (HPVs - Human Powered Vehicles) den Schwerpunkt auf eine bessere Aerodynamik gelegt und eine Reihe von neuen Modellen und Prototypen entwickelt..


Charley "Mile-a-Minute" Murphy war einer der ganz frühen Radrennfahrer. Seinen legendären "mile-a-minute"-Rekord (1,6 km pro Minute) stellte er im Jahr 1899 auf. Zu dieser Zeitpunkt fuhr er damit schneller als das schnellste Automobil. Beachte auch den großen Windschirm an dem Zug, der vor Charley her fuhr und damit seinen Luftwiderstand erheblich reduzierte.
BICYCLE INSTITUTE PF AMERIKA

Luftwiderstand

Jeder Fahrradfahrer, der schon einmal bei starkem Gegenwind gefahren ist, weiß, was Luftwiderstand bedeutet. Er macht das Radeln anstrengend! Um vorwärts zu kommen, muss der Radfahrer sich durch die Luftmasse vor ihm schieben. Das kostet Energie. Aerodynamisch günstiger ist ein stromlinienförmiger Körper, der geschmeidig durch die Luft gleitet und es dem Radfahrer ermöglicht, sich viel schneller und energiesparender fortzubewegen. Je schneller der Radler jedoch fährt, desto mehr Luftwiderstand er erfährt und desto mehr Energie muss er aufbringen, um diesen zu überwinden. Wenn Radrennfahrer hohe Geschwindigkeiten erreichen wollen, arbeiten sie nicht nur an ihrer Kraft, die ja irgendwo an ihre menschliche Grenze stößt, sondern sie konzentrieren sich gleichermaßen auf eine günstige Aerodynamik.

Der Widerstand der Luft setzt sich aus verschiedenen Kräften zusammen: dem Luftdruck und der direkten Reibung (auch bekannt als Oberflächenreibung oder Hautreibung ). Ein rauhes, unregelmäßiges Objekt verwirbelt die es umströmende Luft und zwingt sie, sich von seiner Oberfläche zu lösen. Unterdruckzonen, die hinter dem Objekt liegen, üben eine Sogwirkung auf das Objekt aus. Mit Hochdruck vor sich und Unterdruck hinter sich wird der Fahrradfahrer buchstäblich rückwärts gezogen. Stromlinienförmige Designs helfen der Luft, sich an den Körper anzuschmiegen und so den Druckwiderstand zu verringern. Direkte Reibung entsteht, wenn der Wind mit der Oberfläche des Fahrers und des Fahrrads in Kontakt kommt. Radrennfahrer tragen oft hautenge Anzüge ("skinsuits"), um den Reibungswiderstand zu verringern. Der Reibungswiderstand spielt allerdings eine geringere Rolle als die Gegenwirkung durch Luftdruck.

Auf einer ebenen Straße ist der aerodynamische Widerstand das größte Hindernis für die Schnelligkeit des Fahrers. Er verursacht ca. 70 bis 90 % des Widerstands, den man beim Radfahren erfährt. Das einzige noch größere Hindernis ist das Erklimmen eines Berges: die Mühe, die es kostet, um einen Berg entgegen der Schwerkraft hochzufahren, ist bei weitem größer als der Effekt des Luftwiderstandes.

Berechne den aerodynamischen Widerstand und den Kraftaufwand eines Fahrradfahrers.

Trage die entsprechenden Werte in die Felder ein

Geschwindigkeit ist deine Geschwindigkeit (km/h), wie du sie auf einem Tachometer ablesen kannst
+ (plus) bedeutet vorwärts
- (minus) bedeutet rückwärts

Windgeschwindigkeit hat einen negativen Wert (-) bei Rückenwind und einen positiven Wert (+) bei Gegenwind, sie wird in km/h relativ zum Boden angegeben

Dein Gewicht gibst du in Kilogramm an

Die Steigung wird in Grad angegeben, eine Steigung von 0° wäre eine horizontal Ebene, 90° eine senkrechte Wand

Klicke auf die Schaltfläche "berechne"

Beachte die Widerstandskraft und die Kraft, die du brauchst, um dich mit einer konstanten Geschwindigkeit vorwärts zu bewegen

Deine Geschwindigkeit

Windgeschwindigkeit

Dein Gewicht

Steigung


km/h


km/h


kg


Grad

Die relative Geschwindigkeit beträgt

Meter/Sek

Der Gesamtwiderstand beträgt

Newton

Der nötige Kraftaufwand um eine konstante Geschwindigkeit beizubehalten

Watt

 oder

km/h
 

 oder

Kalorien / Minute

[Für diese Berechnung benötigt man einen JavaScipt-fähigen Browser]
Erläuterungen zum Rechner:
Um die Berechnungen zu vereinfachen, haben wir eine Reihe von Grundannahmen vorausgesetzt.
So berücksichtigt dieser Rechner zum Beispiel nicht den Einfluss der Sitzposition und der Körpergröße des Fahrers auf den Windwiderstand. Weitere Faktoren, wie etwa der Reibkoeffizient, sind als Konstante festgelegt. Wenn man ferner "unrealistische" Werte eingibt, erhält man ebenfalls unrealistische Resultate. Und letztlich geht die Angabe "Kalorien pro Minute" von der Annahme aus, dass der menschliche Körper einen Wirkungsgrad von 100% hat - dem ist natürlich nicht so (ein Wirkungsgrad von 20 % kommt der Wahrheit schon näher).


Widerstand verringern

Rahmenbauer und -designer haben daran gearbeitet, aerodynamisch günstigere Modelle zu entwerfen. Manche der neuen Entwürfe gehen von runden Rohren zu ovalen oder tränenförmigen Rohren über. Oft handelt es sich um eine Gradwanderung zwischem einem guten Stabilitäts-/Gewichtsverhältnis und einer verbesserten Aerodynamik. Änderungen an den Rädern haben wahrscheinlich die größte Wirkung gehabt. Ein standardmäßiges Speichenrad ist auch als "Schneebesen" bezeichnet worden, weil es beim Drehen viele kleine Wirbel und somit Widerstand erzeugt. Diskusräder hingegen sind zwar schwerer sind als Speichenräder, produzieren aber beim Fahren weniger Turbulenzen und Luftwiderstand.

Aerodynamic Frame
Dieser Rennradrahmen hat tränenförmige Rohre, um den Luftwiderstand zu reduzieren.

Während Veränderungen an den Rahmen und anderen Bauteilen die Aerodynamik der Fahrräder stark verbessert haben, ist der Radfahrer selbst nun das größte Hindernis: der menschliche Körper ist eben nicht sehr stromlinienförmig. Wichtig ist daher die Körperhaltung: Straßen-Rennfahrer benutzen "Fallstangen", um ihre Angriffsfläche zu verkleinern, so dass sie weniger Widerstand überwinden müssen. Das Verringern der Angriffsfläche erlaubt es den Fahrern, ihre Geschwindigkeit und ihre Leistungsfähigkeit dauerhaft zu verbessern. Zusätzlich zur Sitzposition tragen zur Leistungssteigerung auch kleine Details wie z.B. Kleidung bei, durch die die Hautreibung vermindert wird. Alle professionellen Fahrer bei Straßenrennen sowie bei Mountainbikes tragen heute hautenge, synthetische Kleidung. Viele Freizeitradler tragen ebenfalls spezielle Fahrradkleidung wegen ihrer besseren Aerodynamik und ihres Tragekomforts.

 

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©1997-99 Das Exploratorium
Übersetzung: Andrea Bandelli / newMetropolis - nachgesehen von Eckhard Stasch / institut pm