Grundlagen der Aero

Grundlegende Prinzipien der Aerodynamik im Radsport, einschließlich der Komponenten der Widerstandskraft und ihres Einflusses auf die Leistungsoptimierung.

Bei höheren Fahrgeschwindigkeiten wird ein erheblicher Teil der Leistung eines Fahrers aufgewendet, um den aerodynamischen Luftwiderstand zu überwinden (Martin et al. 1998).

Mit zunehmender Geschwindigkeit wächst der Luftwiderstand exponentiell, was bedeutet, dass eine kleine Erhöhung der Geschwindigkeit unverhältnismäßig mehr Leistung erfordert, um sie aufrechtzuerhalten. Untersuchungen zeigen, dass bei hohen Geschwindigkeiten bis zu 80–90 % der Leistungsabgabe eines Radfahrers darauf verwendet werden, den Luftwiderstand zu überwinden (Bassett et al., 1999; Faria, 2005). Dies liegt an der Beziehung zwischen Geschwindigkeit und Widerstand, wobei die zur Überwindung des Widerstands erforderliche Leistung mit der dritten Potenz der Geschwindigkeit zunimmt (Martin et al., 1998). Daher kann die Verringerung des Widerstands durch Körperposition, Ausrüstung oder Kleidung erhebliche Auswirkungen auf die Radsportleistung haben, insbesondere bei Zeitfahren oder Straßenrennen, bei denen das Aufrechterhalten hoher Geschwindigkeiten entscheidend ist (Faria et al., 2005).

Die aerodynamische Widerstandskraft ist definiert als der Widerstand, den ein Objekt erfährt, das sich durch ein Fluid wie Luft bewegt. Sie wird hauptsächlich durch Druckunterschiede zwischen der Vorder- und Rückseite des Objekts sowie durch die Reibung der Luft an seiner Oberfläche verursacht. Die Formel für die aerodynamische Widerstandskraft lautet:

Formel der aerodynamischen Widerstandskraft, die den Zusammenhang zwischen Widerstandskraft und Luftdichte, Geschwindigkeit im Quadrat, Stirnfläche und Widerstandsbeiwert zeigt

... was uns sagt, dass die aerodynamische Widerstandskraft von 4 Faktoren abhängt:

• Luftdichte (rho)

• Die Geschwindigkeit (genauer gesagt, das Quadrat der Geschwindigkeit) der Luft relativ zum Fahrer

• Die Stirnfläche (A)

• Der Widerstandsbeiwert (Cd). Dieser quantifiziert den Widerstand eines Objekts in einer Fluidumgebung wie Luft oder Wasser. Er beschreibt, wie stromlinienförmig ein Objekt ist oder wie effektiv es das Fluid durchschneidet. Der Wert von Cd hängt von der Form, der Oberflächenrauheit und den Strömungsbedingungen um das Objekt ab. Niedrigere Werte weisen auf aerodynamischere Objekte hin, während höhere Werte einen größeren Widerstand anzeigen.

Im Radsport ist es unser Ziel, die aerodynamische Widerstandskraft zu minimieren, damit ein größerer Teil der vom Athleten erzeugten Leistung zur Erhöhung der Geschwindigkeit eingesetzt wird. Welche dieser Faktoren können wir beeinflussen?

• Die Luftdichte können wir nicht kontrollieren

• Es wäre kontraproduktiv, die Geschwindigkeit nur zu verringern, um die aerodynamische Widerstandskraft zu reduzieren, da wir die Geschwindigkeit insgesamt maximieren wollen

• Den Widerstandsbeiwert können wir kontrollieren, indem wir die Form (Position) und die Oberflächenrauheit des Fahrers und des Fahrrads verändern

• Die Stirnfläche können wir kontrollieren, indem wir die Position des Fahrers verändern.

Daher fließt ein Großteil der Bemühungen zur aerodynamischen Optimierung in die Faktoren Cd und A.

Literatur

Fox, R.W., & McDonald, A.T. (1973). Einführung in die Strömungsmechanik (2. Aufl.). New York: Wiley.

Martin JC, Milliken DL, Cobb JE, McFadden KL, & Coggan AR (1998). Validierung eines mathematischen Modells für die Leistung beim Straßenradsport. Journal of Applied Biomechanics, 14(3), 276-291.

Bassett, D. R. Jr., Kyle, C. R., Passfield, L., Broker, J. P., & Burke, E. R. (1999). Vergleich der Stundenweltrekorde im Radsport, 1967–1996: Modellierung der Mensch-Maschine-Schnittstelle. Medicine & Science in Sports & Exercise, 31(11), 1665-1676

Faria, E. W., Parker, D. L., & Faria, I. E. (2005). Die Wissenschaft des Radsports: Faktoren, die die Leistung beeinflussen – Teil 2. Sports Medicine, 35(4), 313-337.