Fahrrad und Aerodynamik

von Rainer Pivit

veröffentlicht in Radfahren 2/1990, S. 40 - 44

english translation by Damon Rinard

(Nummer in Klammern verweisen auf die dazugehörige Literaturliste)

gleichzeitig wurde von mir im gleichen "Radfahren"-Heft veröffentlicht:

Die Aerodynamik hat im Radrennsport sehr an Bedeutung gewonnen. Während auf der Bahn schon bei der Olympiade 84 in Los Angeles die Aerodynamik die Technik prägte, zeigten erst bei der letzten Etappe der Tour de France 89 aerodynamische Verbesserungen im Straßenrennsport eine durchschlagende Wirkung. LeMond hafte eindeutig die bessere Aerodynamik als Fignon. Kann aber auch der Alltagsradler von einer besseren Aerodynamik profitieren?

Die Erkenntnis, daß der Luftwiderstand des Fahrrades bei höherem Tempo fast die ganze Leistung des Fahrradfahrers verbraucht, ist schon sehr alt. Bereits um 1895 wurden Scheibenlaufräder für Fahrräder zur Verminderung des Luftwiderstandes angeboten. Es gab sogar schon für das Vorderrad Laufräder mit 4 aerodynamisch ausgeformten Speichen (23). Diese Art von Laufrädem setzt sich jetzt bei extremen Triathlon-Fahrrädern durch -heute aus Verbundwerkstoffen statt aus Blech wie damals vor der Jahrhundertwende.

Hinderliches Reglement

Auch die Idee, durch eine andere Sitzposition eine günstigere Stirnfläche und damit einen geringeren Luftwiderstand zu erhalten, tauchte bereits vor der Jahrhundertwende auf. Mit Mochets Liegerad wurden mehrere neue Stundenweltrekorde aufgestellt. Ab 1913 wurden mit aerodynamisch verkleideten Rennrädern Rekorde gefahren (5, 6). Die Dachorganisation des Radrennsportes, die Union Cycliste Internationale (UCI), erkannte diese Rekorde jedoch nicht als regulär an und versuchte, durch Änderungen im Reglement eventuelle technische Vorteile einzelner Rennfahrer zu verhindern. Der Rennsport sollte dem Vergleich der Athleten, nicht dem Vergleich der Technik dienen. Der wichtigste Anreiz zu aerodynamischen Verbesserungen am Fahrrad entfiel damit bis auf weiteres.

Die Wiederbelebung des Themas Aerodynamik am Fahrrad ist einem Professor zu verdanken, der keine Lust mehr hatte, seinen Studenten immer wieder zu erklären, warum Wasser kocht und weshalb das Perpetuum mobile keine gute Idee ist. Chester R. Kyle plante 1973 ein Projekt zum Fahrrad und was an ihm zu verbessern sei. Wegen einer Wette, ob nun Schlauchreifen oder Drahtreifen besser seien, wurden erste Messungen gemacht. Dabei stellte sich heraus, daß für den Radfahrer der eigentliche physikalische Bösewicht der Luftwiderstand ist.

Dies führte dann schnell zu Verbesserungen des konventionellen Fahrrades (Rahmen- und Laufradverkleidungen aus Folie) und einer aerodynamischen Verkleidung für ein normales Rennrad, die den Luftwiderstand um 80 % reduzierte.

1975 fand dann, organisiert von Kyle und Jack Lambie, das erste Rennen für stromlinienförmige "human powered vehicles" (HPV; von Menschen angetriebene Fahrzeuge) statt. Von den 14 Teilnehmern fuhren 4 schneller als jedes Fahrrad zuvor - wenn man vom Fahren im Windschatten absieht. Ein Jahr später wurde dann die International Human Powered Vehide Association (IHPVA) gegründet, um unabhängig von den Reglementsbeschränkungen der UCI Rennen zu veranstalten und die technische Entwicklung von HPVs zu unterstützen (16).

Kyles Olympia-Projekt

Ab 1982 entwickelten Kyle und andere für die Olympiade '84 in Los Angeles die technische Ausstattung des US-Olympia-Radsportteams. Zwar gab es auch schon vorher aerodynamische Komponenten, z.B. die Aerohelme des tschechoslowakischen Teams, nun aber wurde zum ersten Mal das vollständige System aus Rennrad und Fahrer aerodynamisch optimiert. Das Reglement der UCI legt eine konventionelle Sitzposition fest und verbietet auch jedes aerodynamisch wirkende Zubehör. Nicht verboten ist jedoch die aerodynamische Ausgestaltung von funktional notwendigen Bauteilen.

Dies bedeutet zum Beispiel, daß die Verkleidung eines Speichenlaufrades durch eine Kunststoff-Folie verboten ist, da diese keine tragende Funktion hat - sie dient nur der Aerodynamik. Anders ist es aber, wenn das Laufrad so wenige Speichen hat, daß es in sich nicht ausreichend stabil für den Renneinsatz ist und ausreichende Festigkeit nur durch die zusätzliche tragende Funktion der Verkleidungsscheibe (aus Verbundwerkstoff) erreicht werden kann. Später kamen noch Regeln hinzu, die diesen Grundsatz etwas weiter einschränken; so etwa muß der Hauptrahmen aus 3 Rohren bestehen und die Rohre dürfen auch nicht beliebig breit sein. Laufräder müssen (zur Zeit noch) mindestens 16 Speichen oder eine Vollscheibe haben.

Die von dem US-Olympia-Projekt um Kyle entwickelten Fahrräder, bekannt geworden als "Funny Bikes", waren bei der Olympiade sehr erfolgreich. Die Neugestaltung war so umfassend, daß nur sehr wenige Komponenten wie zum Beispiel die Reifen unverändert blieben. Bei der Olympiade 88 in Seoul hatten dann jedoch die Teams der anderen Staaten nachgezogen, so daß die US-Radsportler nicht mehr so stark von den technischen Vorteilen ihrer Funny Bikes profitieren konnten.

Triathleten verbessern Lenker und Laufräder

Etliche der Ideen, die im Rahmen des US-Olympiaprogramms entstanden, wurden später kommerziell angeboten, so daß heute auch gewöhnliche Radsportler von einer besseren Aerodynamik profitieren können. Intensiv wurden die neuen Ideen vor allem im Triathlon aufgenommen. Da hier nicht so rigide Bestimmungen für die verwendete Technik existieren wie beim konventionellen Radsport, gab es in diesem Bereich auch etliche technische Verbesserungen, die die Siegeschancen verbesserten.

Die auffälligste Neuerung war der Triathlonlenker (ScottLenker), der zu einer aerodynamisch günstigeren und auf langen Strecken ermüdungsfreieren Position führt. Eine noch jüngere Entwicklung sind Laufräder aus Verbundwerkstoffen mit 3 bis 5 breiten, aerodynamisch ausgebildeten Speichen (Trispoke). Fahrräder mit einem solchen Vorderrad sind im Gegensatz zu vorderen Vollscheiben auch bei Seitenwind fahrbar.

Zusammenfassend lassen sich also drei Entwicklungsrichtungen im Bereich Aerodynamik des Fahrrades feststellen: Erstens die Rennmaschinen nach den restriktiven Vorschriften der UCI, zweitens die Triathlonmaschinen mit weitergehender Tolerierung technischer Vorteile, aber mit konventioneller Position des Fahrers und ohne aerodynamische Verkleidungen, und drittens die HPVs ohne jede Beschränkung der Technik.

Entwicklungen meist an Rennsport orientiert

Für den Alltagsradler ist die Entwicklungsrichtung HPV sicher am interessantesten - warum soll er sich denn im Straßenverkehr außer nach der Straßenverkehrsordnung auch noch nach den Vorschriften von Sportverbänden richten? Der Alltagsradler möchte möglichst bequem und schnell von A nach B kommen, dabei sind ihm technische Vorteile sehr willkommen. Ein Vergleich der athletischen Leistung der Alltagsradler im Straßenverkehr mit durch ein Reglement angeglichener Technik macht nun wirklich keinen Sinn. Es ist daher sehr zu bedauern, daß sich die Industrie (und auch die Presse) bezüglich zukünftiger Entwicklungen noch immer weitgehend am Rennsport orientiert.

Gold Rush

Werden die Vorschriften, die den Einsatz technischer Mittel einschränken, nicht berücksichtigt, sind leistungsfähige Konstruktionen möglich. Der Geschwindigkeitsrekord für Fahrräder über eine Strecke von 200 m mit fliegendem Start liegt bei gut 105 km/h (Mai 1986 in 2400 m Höhe). Der Stundenweltrekord liegt zur Zeit bei 73 km/h (September 1989). Beide Rekorde werden von dem Fahrzeug "Gold Rush", gebaut von Gardner Martin, mit Fred Markham ("Fast Freddy") als Fahrer gehalten. Gold Rush hat eine sehr günstige Aerodynamik: Für die Luftwiderstandsfläche cwA wird ein Wert von 0,046 m2 angegeben - ein Zwölftel eines konventionellen Rennrades; das Fahrzeug wiegt nur 14,5 kg (19). Zwar sind Fahrzeuge wie der Gold Rush nicht alltagstauglich, aber auch andere, durchaus alltagstaugliche Fahrzeuge zeichnen sich durch geringere Fahrwiderstände als Rennmaschinen, die die Vorschriften der Sportverbände erfüllen, aus.

Aero-Einkaufsliste des Normalrennradlers

Wie kann der normale Rennradfahrer seine Aerodynamik verbessern? Der Luftwiderstandeines konventionellen Rennrades ohne Fahrer beträgt etwa ein Drittel von Fahrrad und Fahrer zusammen (12). Dadurch wird schon deutlich, daß es unsinnig ist, ein aerodynamisch optimiertes Rennrad mit aerodynamisch ungünstiger Kleidung (z.B. normaler Alltagsbekleidung) zu fahren.

Die Aero-Einkaufsliste, zusammengestellt von Kyle (13), zeigt Möglichkeiten, den Luftwiderstand zu reduzieren. Die Kosten sind grob geschätzt; die prozentuale Verminderung des Luftwiderstandes bezieht sich auf ein konventionelles Rennrad und einen Fahrer mit der üblichen Rennbekleidung (Rennhose, Trikot, Baumwollsocken, Handschuhe mit Netz-Rücken) und ohne Helm; der Zeitgewinn bezieht sich auf ein Zeitfahren über 40 km bei etwa 37 km/h - Fahrzeit 1 h 5 min. Bei höherem Tempo wird der Zeitgewinn durch die kürzere Fahrtzeit geringer.

Aero-Einkaufsliste

ungefähre
Kosten

aerodynamischer
Vorteil

Zeitgewinn
auf 40 km

Kosten
pro Prozent
aerodynamischen
Vorteils

Teil

DM

%

s

DM/%

Entfernen der normalen Flasche mit Halter

0

2,8

26

0

Klebeband über Schuhbänder

0

0,8

7

0

Pumpe unter Oberrohr statt hinter Sattelrohr

0

0,8

7

0

Rasieren der Beinbehaarung

0

0,6

5

0

Entfernen des kleinen Kettenblattes

0

0,3

3

0

Silkonfüllung der Vorderreifenlücke an der Feige

2

0,2

2

10

Aero-Flasche Benotto mit Halter

30

1,6

15

19

Glatte Nylon-Socken

8

0,4

4

20

Lycra-Schuhüberzüge Pearl lzumi

32

1,4

13

23

Aero-Helm. ANSI-geprüft. BeIl Stratos

140

5,2

47

27

Aero-Vorderrad:
   Araya Aero-Felge
   28 Hoshi Säbeispeichen
   Dura Ace Nabe, 28 Loch
   Avocet 190 g Schlauchreifen

180

4,8

44

38

Einteiliger, hautenger Anzug, Arm und Bein kurz

180

3,2

29

56

Aero-Hinterrad: wie oben, aber 32 Speichen

90

2,0

18

45

Aero-Bremsen und -Hebel Dis Compe AGC 300

200

2,0

18

100

Handschuhe mit Lycra-Rücken

24

0,2

2

120

Scheibenrad vorne

1000

7,2

66

140

Sicherheitspedale

240

1,0

9

240

Scheibenrad hinten

1000

3,6

33

280

Aero-Vorbau Cinelli

80

0,2

2

400

Aero-Kurbelsatz Edco Competition

250

0,6

5

420

Aero-Schaltung Shimano Sante

320

0,4

4

800

Eine sparsame Aufwertung der Aerodynamik von Fahrrad und Fahrer durch zwei Aero-Speichen-Laufräder, Aero-Bremsen, Aero-Flasche, ANSI-geprüftem Aero-Helm, hautengem, einteiligen Rennanzug, Aero-Schuhüberzüge, Handschuhe mit Lycra-Rücken, Silikonfüllung des Spaltes zwischen Reifen und Feige, Rasur der Beine und Pumpe unter dem Oberrohr kostet etwa 1100 DM. Der so ausgerüstete Fahrer ist bei dem 40-km-Zeitfahren wegen seiner um 21 % geringeren Luftwiderstandsfläche (cwA) bei gleicher Leistung rechnerisch 3 min 6 sec eher am Ziel als sein konventionell ausgerüsteter Kollege - die Geschwindigkeit des Aero-Radler ist 4,8 % höher als die seines konventionellen Kollegen. (Die letzte Tour de France wurde mit einem Vorsprung von nur 0,0025 % gewonnen.)

Wer zusätzlich noch etwas mehr Geld in seine Siegeschancen investieren will (900 DM) und einen Aero-Kurbelsatz, eine aerodynamisch aktzeptable Schaltung, einen Aero-Vorbau und Sicherheitspedale montiert, kann seinen konventionellen Kollegen beim cwA-Wert um 23 % unterbieten und damit bei gleicher Leistung einen Vorsprung von 3 min 30 sec heraus fahren.

Bekleidung und Helm

In (15) zeigt Kyle, daß gegenüber der gängigen Kombination (langärmeliges Straßentrikot aus Wolle, Rennhose aus Lycra) die Luftwiderstandsfläche cwA durch einen einteiligen, hautengen, langen Anzug aus Lycra um 7,5 % verringert werden kann; der gleiche Anzug in gummierter Ausführung bringt sogar einen Vorteil von 8,4 %. Aero-Helme, wie sie für Rennen eingesetzt werden, die aber die ANSI-Sicherheitsnorm nicht erfüllen, verringern die Luftwiderstandstläche cwA gegenüber Glatze bzw. einer Gummikappe über den Haaren um etwa 2 %. Ein ANSI-gemäßer Helm Bell Stratos erhöht die Luftwiderstandsfläche um etwa 1,3 %) gegenüber der Glatze. Kurze Haare verschlechtern um 4,6 %, lange Haare um 8,6 %. Die bei Rennsportlern oft noch anzutreffenden Ledersturzriemen - völlig unzureichend nach ANSI - erhöhen die Luftwiderstandsfläche um 6,3 %, der weit verbreitete ANSI-geprüfte Helm Beil V1 Pro um 9,8 % gegenüber der Glatze. Bisher sind keine Messungen über den Einfluß von Bärten veröffentlicht worden.

Scheibenräder sind Spitzenreiter

Den größten aerodynamischen Vorteil bieten beim Fahrrad neue Laufräder. Scheibenräder sind die Spitzenreiter. Problematisch ist jedoch der hohe Preis und die starke Beeinträchtigung der Lenkung durch Seitenwind bei Verwendung eines Scheibenrades als Vorderrad. Aber auch schon durch Aero-Stahlspeichen-Laufräder läßt sich der Luftwiderstand deutlich senken. Es sollten möglichst wenig Speichen in radialer Anordnung verwendet werden.

Säbeispeichen haben 85 % des Luftwiderstandes von normalen, runden Speichen (13). Schmale 18-mm-Bereifung reduziert ebenfalls den Luftwiderstand. Das Hinterrad läuft in einem Bereich, wo die Luftströmung schon durch andere Komponenten beeinflußt worden ist. Somit ist der Effekt von aerodynamisch besserem Material am Hinterrad nicht so ausgeprägt wie am Vorderrad. Der Einsatz einer Scheibe im Hinterrad lohnt sich bei begrenztem Budget nicht; ein Hinterrad mit Aerofelge und Säbelspeichen tut es auch.

Ein einzelnes, sich wie im Fahrrad drehendes konventionelles Laufrad kommt nach Messungen von LeHanneur (10) auf eine Luftwiderstandsfläche von cwA = 0,05 m2. RovalLaufräder (1977 entwickelt: tiefe Feige, Säbelspeichen mit Hammerkopf, 24 Speichen je Laufrad) haben hingegen einen Wert von etwa cwA = 0,03 m2.

Nach Messungen von Kyle (17) hat ein gutes, drehendes Scheibenrad (Aerosport Flat Disk 26"; Kyle ist an der Firma Aerosport beteiligt) eine Luftwiderstandsfläche cwA von 35 % eines entsprechenden konventionellen Laufrades (27", normale Feige, 36 runde Speichen). Allerdings stellte er bei einer anderen Scheibe einen Wert für cwA von 54 % des konventionellen Laufrades fest. Es gibt also beachtenswerte Unterschiede zwischen den einzelnen Scheiben. Aber auch ein 24"-Laufrad mit Aero-Felge und 18 Aero-Speichen hatte nur 40 % der Luftwiderstandsfläche cwA des konventionellen Laufrades.

Vergleichsmessungen zwischen normalen Laufrädern, der Kombination mit Scheibe hinten und Speichen-Laufrad vorne sowie vorne und hinten Scheibe an einer Zeitfahrmaschine wurden von der Redaktion von "Bike Tech" (mit einem Meßverfahren, dessen Genauigkeit noch nicht bekannt ist) durchgeführt (22). Der Ersatz des konventionellen Hinterrades durch eine Scheibe Campagnolo Ghibili ergab einen um 2,8 % geringeren Luftwiderstand; mit einer zusätzlichen ebensolchen Scheibe statt des 26"-Vorderrades ergab sich eine Reduktion des Luftwiderstandes von 7,1 % gegenüber der konventionellen Ausstattung.

Aerodynamische Rahmen

Schließlich bleibt noch der Rahmen. Untersuchungen von Kyle (12) zeigen für ein bemanntes Bahnrad mit Aero-Rahmen, wie es für die Olympiade 84 entwickelt wurde, eine um 5 % geringere Luftwiderstandsfläche cwA als ein konventionelles Bahnrad. Besonders interessant ist, daß bei einer leicht seitlichen Anströmung unter einem Winkel von 10° das Bahnrad mit Aero-Rahmen um 12 % und bei 20° um 11 % besser als das konventionelle Bahnrad abschneidet.

In (17) stellt Kyle Untersuchungen an kommerziellen Rahmen vor. Im Vergleich zu einen Gios Stahl-Rahmen für Straßenrennen brachte ein Aluminium-Rahmen von Cannondale eine Reduktion der Luftwiderstandsfläche cwA von Fahrrad mit Fahrer um 1,6 %; ein Aluminium-Rahmen von Trek lag gleich mit dem Gios, ein Kestrel 4000 Rahmen aus Verbundwerkstoffen brachte eine Reduktion von 4,7 % und ein sehr aufwendiges Aero-Rad von Gleb - diesmal mit 32 Aero-Speichen statt der 36 runden Speichen bei den anderen Fahrrädern - erzielte einen Vorteil von 7 %. Die Bahnmaschinen für das 4000 m Einzel-Verfolgungsfahren des US-Teams bei der Olympiade 84 zeigten eine um 16 % geringere Luftwiderstandsfläche cwA als das Gios Straßenrennrad.

Tour de France im Windkanal

In Windkanalstudien versuchte Steve Hed (18) eine Nachbildung von Fignon und LeMond auf der letzten Etappe der Tour de France 89. LeMond fuhr mit einem Hörnchen-Lenker (Büffel-Lenker) mit Scott Cip-On-Bar, wodurch er die gleiche, aerodynamisch sehr günstige Position annehmen konnte wie mit einem normalen Scott-Lenker. Außerdem trug er einen Giro Aero-Helm.

Fignon hingegen fuhr ohne Helm - dafür mit Pferdeschwänzchen - und nur mit Hörnchen-Lenker. Heds Messungen zeigen für LeMond einen Vorteil in der Luftwiderstandsfläche cwA von 22 % gegenüber Fignon. Wäre Fignon mit dem Aero-Helm seines Teams gefahren, so hätte der Unterschied immer noch 17 % betragen. Die Differenz zwischen Fignon und LeMond fiel real nicht ganz so groß aus, da Fignon ein Scheibenrad auch als Vorderrad benutzte, LeMond aber nur ein Laufrad mit 32 Speichen benutzte. Die unterschiedlichen Laufräder wurden von Hed im Windkanal nicht nachgestellt. Messungen zeigen in jedem Fall klare Vorteile für den Scott-Lenker, besonders bei einer Position mit eng zusammengebrachten Ellenbogen.

Nun, nach all dem Rennfahrerkram, wo bleibt das Fahrrad als Verkehrsmittel? Aerodynamik ist nun mal primär ein Thema für den Rennfahrer. Hier zählt jeder aerodynamische Vorteil - sei er auch noch so klein - für den Sieg, solange er nicht durch übermäßiges, zusätzliches Gewicht erkauft werden muß. Beim Alltagsradler müssen aber auch noch andere Kriterien zur Beurteilung herangezogen werden. Der Radler achtet zum Beispiel auf gewisse Kleidungskonventionen. Zwar sind Rennhosen gerade Mode, die einteiligen Lycra-Häute der Rennfahrer aber sind es (noch?) nicht.

HPV-Entwicklung könnte dem Alltagsradler nutzen

Schutzbleche erhöhen die Luftwiderstandsfläche um etwa 5 % (11), aber darauf möchte ich dennoch nicht verzichten. Soll ich aber im Urlaub nur noch mit Begleitwagen reisen, weil die Packtaschen und die Wasserflasche die Luftwiderstandsfläche cwA um etwa 12 % bzw. 2 % erhöhen würden? Nein, nein, so geht es nicht. Die Aeroentwicklungen im Rennsport bringen für den Alltagsradler fast nichts.

Immerhin, es besteht eine gewisse Hoffnung, daß sich Laufräder aus Kunststoff mit wenigen aerodynamischen Speichen vielleicht im normalen Fahrradbereich langfristig etablieren können. Neben der besseren Aerodynamik - vergleichbar mit Scheibenlaufrädern - hätte dies den positiven Nebeneffekt, daß das Problem der (Stahl-)Speichenbrüche durch die fast immer schlecht gebauten Laufräder verschwindet. Die technologisch auf unterster Stufe stehenden, Laufräder produzierenden Betriebe, die offensichtlich ihre Produktionsqualität nicht in den Griff bekommen, würden durch andere Betriebe mit High-Tech-Kunststoff-Technologie ersetzt.

Im Verhältnis zu den umfangreichen Untersuchungen am Rennrad gibt es relativ wenige Messungen an Gebrauchsfahrrädern. In (8) wurde der (witterungsbedingte) Einfluß der Bekleidung ermittelt. Als Referenz diente der Fahrer mit sommerlicher Sportbekleidung (Sporthose und ärmelloses T-Shirt - frisch vom Turnunterricht) auf einem Hollandrad.

Demgegenüber erhöht sich die Luftwiderstandsfläche cwA bei Bekleidung mit langärmligem Hemd und langer Cordhose um 19 %. Mit zusätzlicher geschlossener Windjacke war es 24 %, mehr als mit Sportbekleidung. Für den Winter wurde mit Bundeswehr-Parka und Handschuhen gemessen: 40 % höhere Luftwiderstandsfläche cwA. Mit einem Regencape und einer Regenhose wurde der Radler zum Windfang: 69 % schlechtere Aerodynamik als die sommerliche Sportkleidung. Hoffentlich regnet es nicht so oft!

Daß sich Aerodynamik und Regenschutz doch miteinander vertragen können, zeigen manche Entwicklungen bei den HPVs. Die Alltagsradler können von den Bemühungen in der HPV-Entwicklung (hoffentlich) langfristig profitieren; die Rennradentwicklung ist aber für den Alltagsradler weitgehend irrelevant.

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