Off-topic // Die „Kraftquellen“ im Radsport. Oder: Mit welchen Optimierungen sich Leistungsreserven erschließen lassen

Der junge August steht unter sportlichen (und unsportlichen) Gesichtspunkten im Zeichen der Leichtathletik-Weltmeisterschaft in London. Auch der Wanderzirkus Tour de France hat erst vor kurzem die Zelte abgebaut. Vollkommen unabhängig davon, ob die sportlichen Leistungen mithilfe von Doping zustande kommen oder nicht: die Tour bleibt für mich ein sehenswertes und einzigartiges Sportspektakel mit renntaktischen Finessen und beeindruckenden TV-Bildern (nun auch mit GoPro-Aufnahmen):

Als begeisterter Radsportler habe ich mich in den letzten Wochen mit der physikalischen Leistung beim Radfahren beschäftigt. Das Interesse galt den einzelnen „Leistungskomponenten“ und welchen Stellenwert sie für die aufzubringende Gesamtleistung haben. Daraus ergeben sich entsprechend Ansätze für ein ökonomischeres Fortbewegen auf dem Drahtesel. Da viele Leser dieser Seiten das Rennrad erfolgreich und gerne als Trainingsmittel einsetzen, möchte ich an dieser Stelle meine Ergebnisse teilen:

Grundlage sind die Ausführungen im jüngst erschienenen Buch „The Secret of Cycling“, das den richtigen Umgang mit Powermetern und Trainingsanalysen in Augenschein nimmt. Eigene Berechnungen – auf die ich hier nicht im Detail eingehen werde – ergänzen die Resultate.

Berechnungsgrundlage ist ein Fahrer mit 70 kg Körpermasse, einem 8 kg schweren Rennrad, einer FTP in Höhe von 300 Watt, die Fahrgeschwindigkeit ist auf 35 km/h festgelegt.

Die Leistungskomponenten

Um sich fortzubewegen muss ein Radsportler 4 Widerstandsarten überwinden:

  1. den Rollwiderstand
  2. den mechanischen Widerstand
  3. den Luftwiderstand
  4. den Steigungswiderstand

Vereinfacht ausgedrückt setzt sich die zu erbringende Gesamtleistung aus der Summe der 4 Widerstandsarten zusammen.

Der Rollwiderstand

… ist das Produkt aus Systemgewicht (Fahrer & Rad), Erdbeschleunigung, Fahrgeschwindigkeit und dem Rollwiderstandsfaktor c. Ein schnellerer 23 mm Rennradreifen (8 bar Luftdruck, Fahruntergrund: guter Asphalt) hat einen Rollwiderstandsfaktor von 0,004. Bei den oben genannten Rahmenbedingungen liegt der Rollwiderstand bei 30 Watt. Das entspricht 10 % der zu erbringenden Gesamtleistung.

Variationen:

  • Fahrergewicht 80 kg: 34 W (11 %)
  • Radgewicht 6 kg: 29 W (9,6 %)
  • Touringreifen mit 6 bar Luftdruck (c=0,005): 37 W (12,3 %)
  • Sehr guter Rennreifen mit 8 bar Luftdruck (c=0,003): 22 W (7 %)

Der mechanische Widerstand

… wird als Prozentwert im Hinblick auf die potenzielle Gesamtleistung ausgedrückt. Der mechanische Widerstand ist abhängig von den Teilwiderständen in Kette, Nabe und Tretlager. Aber auch Fahrstil (Trittfrequenz, Gangwahl, Pedalkraft), Wartungszustand und Rad-Design haben Einfluß darauf.

Ein gut gewartetes Mittelklasse-Rennrad hat einen Effizienzfaktor von 95 %. Das bedeutet, dass unser 300 Watt-Athlet an der FTP allein 5 % des Leistungsvermögens (15 Watt) für das Überwinden des mechanischen Widerstands aufbringen muss.

Optimierte Renn- bzw. Zeitfahrräder erreichen Effizienzfaktoren im Bereich 97,5 bis 99 %, so dass die Leistungsverluste bei unserem Beispielfahrer nur noch im Bereich von 3 bis 9 Watt lägen.

Der Luftwiderstand

… hängt ab von der Luftdichte (auf Normalnull, 20 Grad Celsius Temperatur = 1,205 kg/m^3), der Fahr- und Windgeschwindigkeit (in der dritten Potenz: das Verdoppeln der Fahrgeschwindigkeit erfordert die 3-fache Leistung!) und dem Luftwiderstandsfaktor CdA als Produkt aus Form-Widerstand und Frontalfläche des Gegenstandes.

Der CdA-Wert lässt sich maßgeblich durch Fahrposition und Windschattenfahren beeinflußen. Ein Unterlenkerfahrer hat einen CdA-Wert von 0,3 m^2. Bei Windstille und einer Fahrgeschwindigkeit von 35 km/h ergibt sich ein Luftwiderstand von 166 W (55% der FTP-Leistung). Die Verringerung des CdA-Wertes auf 0,21 m^2 (optimierte Position auf Zeitfahrlenker) reduziert den Luftwiderstand auf 116 W (-30 %, 39 % der FTP-Leistung).

Variationen:

  • Sehr aufrechte Fahrposition Oberlenker (CdA=0,60 m^2): 332 W (+ 50 %, 110 % der FTP-Leistung
  • Windschattenfahren, 2 Personen, Hintermann (CdA=0,225 m^2): 124 W (-25 %, 41 % der FTP-Leistung)
  • Windschattenfahren, 2 Personen, Vordermann (CdA=0,27 m^2): 149 W (-10 %, 50 % der FTP-Leistung); der Vordermann profitiert vom Hintermann, der durch die eigene Fahrgeschwindigkeit Luft nach vorne drückt und den CdA-Wert um 0,03 m^2 reduziert
  • Windschattenfahren, 5 Personen hintereinander, Gesamtverbund (CdA=0,2 m^2): 141 W (-34 %, 36 % der FTP-Leistung)
  • Windschattenfahren im Feld > 20 Fahrer, Gesamtverbund (CdA=0,18 m^2): 100 W (-60 %, 33 % der FTP-Leistung)

Der Steigungswiderstand

ist das Produkt aus Systemgewicht (Fahrer & Rad), Erdbeschleunigung, Fahrgeschwindigkeit und Steigung (%).

Steigungswiderstände bei variierten Fahrgeschwindigkeiten, Systemgewichten und :

  • v = 20 km/h, Systemgewicht 78 kg, 7 % Steigung: 297 W
  • v = 20 km/h, Systemgewicht 78 kg, 3 % Steigung: 127 W
  • v = 15 km/h, Systemgewicht 78 kg, 7 % Steigung: 223 W
  • v = 15 km/h, Systemgewicht 78 kg, 3 % Steigung: 95 W
  • v = 15 km/h, Systemgewicht 88 kg, 7 % Steigung: 251 W
  • v = 15 km/h, Systemgewicht 88 kg, 3 % Steigung: 107 W
  • v = 15 km/h, Systemgewicht 98 kg, 7 % Steigung: 280 W
  • v = 15 km/h, Systemgewicht 98 kg, 3 % Steigung: 120 W

Allein aus diesen Berechnungen wird deutlich, dass neben der Fahrgeschwindigkeit, ein um 10 kg höheres Systemgewicht, die Leistungsanforderung deutlich erhöht, auch schön bei mäßigen Steigungen im Bereich 3 %.

Fazit

Betrachtet man die 4 Widerstandsarten im Zusammenspiel wird klar, dass die größten Verbesserungsansätze in der Reduzierung des Luftwiderstandes (vgl. „Geheimwissenschaft Bike Fitting“, Gruppentaktik) bzw. Steigungswiderstandes liegen. Abhängig vom Steigungsgrad des Geländes variiert letzterer im Anteil an der Gesamtleistung zwischen 0 % (Steigung = 0 %), 47 % (Steigung = 2 %) und 90 % (Steigung = 8 %).

Demgegenüber sind der Rollwiderstand und der mechanische Widerstand von nachrangiger Bedeutung. Der ernsthafte Radsportler wird dennoch dafür sorgen, dass er ein gewissenhaft gewartetes und bereiftes Ross unter dem Gesäß hat – für Profis ist das selbstverständlich Standard.

Abhängig vom sportlichen Ziel ist es ratsam zu hinterfragen, ob die Investition in neues Material wirklich den erwarteten oder werblich angekündigten Effekt (Leistungsverbesserung pro Euro!) hat. Insbesondere vor einer Transalp-Challange kann eine Reduzierung des Körpergewichts (bei mindestes gleicher Leistungsfähigkeit) die Effektvollste sein!

An dieser Stelle unbeleuchtet ist die Effektstärke diverser Unterfaktoren auf die Gesamtleistung (z.B. Rahmenform, Laufräder, Helm, Pedaltechnik, Bewegungstechnik etc.). Das Thema werde ich in den kommenden Monaten vertiefen und – insofern Euch das ebenso interessiert – an dieser Stelle weitergeben.