Aerodynamik

Aerodynamik steht im Mittelpunkt unserer Arbeit bei Cervélo. Dieses Unternehmen wurde mit dem Ziel gegründet, Radrennfahrer schneller zu machen, und Aerodynamik ist der beste Weg, um dieses Ziel zu erreichen. Unsere System-Anwendung umfasst die Aerodynamik des Fahrrads, des Fahrers und alle Komponenten. Ein Fahrrad fährt nie von selbst. Deshalb entwickeln und testen wir kein Fahrrad ohne den Fahrer. Das bedeutet, dass unsere Fahrräder nicht nur im Windkanal schnell sind, sondern auch draußen auf der Straße mit Ihnen als Fahrer.

Der Luftwiderstand ist der größte Faktor, der ein Fahrrad und seinen Fahrer betrifft – er kann bis zu 90 % der allgemeinen Widerstände ausmachen, die ein Fahrer überwinden muss. Es gibt verschiedene Widerstandsarten, die für uns relevant sind. Zuerst der Druck-Widerstand. Wenn ein Körper (in diesem Fall das Fahrrad und der Fahrer) fährt, zwingt er die Luftmoleküle aus seiner Fahrbahn, Diese Moleküle drücken auf den Körper und verursachen Druck. Ein Teil dieses Drucks, der nach hinten gerichtet ist (auf den Rücken des Körpers) nennt man Druck-Widerstand.

Zweitens gibt es den Reibungswiderstand Luft, wie alle anderen Flüssigkeiten, hat eine Viskosität (oder „Dichte”). Die Luftmoleküle, die mit den Körper in Kontakt geraten, bleiben an der Körperoberfläche haften. Während der Fahrt kommen andere Moleküle mit den fest haftenden Molekülen in Berührung, während sie um den Körper in verschiedenen Lagen auf parallelen Bahnen umfließen. Das ist die laminare Grenzschicht. Die zähflüssige Art der Luft erzeugt eine Kraft oder Reibungswiderstand.

An einem gewissen Punkt kann der laminare Fluss bei fast allen Körpern nicht aufrecht erhalten werden und die Luftmoleküle purzeln ab und vermischen sich anstatt glatt dahinzufließen. Der Übergangspunkt ist dort wo diese turbulente Grenzschicht beginnt. Die Verhaltensweise dieses Flusses wird mit einem Parameter verbunden, der Reynolds-Zahl genannt wird, der von verschiedenen physischen Eigenschaften des Flusses bestimmt wird. Der laminare Fluss besteht bis zu den Reynolds-Zahlen von ungefähr 10.000. Über die Reynolds-Zahl 10 hinaus kommt es zum „turbulenten” Fluss, wie weiter unten abgebildet.

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Auf Grund seiner Masse hat die Luft eine Trägheit und kann deshalb stark gebogenen Rundungen nicht so leicht folgen. Unter diesen Bedingungen trennt sich die Luft vom Körper und erzeugt Bereiche mit niedrigem Druck, die an der Oberfläche „ziehen“ und zu mehr Luftwiderstand beitragen. Wenn die Hinterkante des Körpers die Luft nicht ordentlich wieder zusammenführt, ergibt sich eine „Verzögerung” – ein Bereich von zirkulierender Luft mit niedrigem Druck. Dieser niedrige Druck zieht ebenfalls an der Oberfläche und erhöht den Luftwiderstand noch mehr.

Bei der Entwicklung unserer Fahrräder und Komponenten gibt es zwei verschiedene Parameter, bei denen wir den Luftwiderstand reduzieren können. Der erste ist der Luftwiederstand Koeffizient. Das ist ein Faktor, der sich auf die Körperform und den Fluss der Luft darum bezieht. Unterschiedliche Formen haben unterschiedliche Auswirkungen auf den Luftwiderstand. Zum Beispiel hat eine runde Form ca. 24 Mal mehr Luftwiderstand als unsere TruAeroTM-Röhrenform. Die Orientierung der Röhrenformen im Bezug auf den Fluss der Luft wirkt sich auch auf den Luftwiderstand aus: Die Sattelstütze und das Unterrohr bilden zum Beispiel einen Winkel. Die Luft tritt also auf eine Form ähnlich einer Ellipse und das ändert den Luftwiderstand-Koeffizient.

Der andere Parameter, den wir kontrollieren können, ist der vordere Bereich. Das ist unmittelbar: je größer der Bereich, desto größer ist der Luftwiderstand. Unsere Ingenieure berücksichtigen dies: So sind beispielsweise unsere Zeitfahr-, Triathlon- und Aero-Rennräder so konzipiert, dass Fahrer und Fahrrad (als integriertes System) eine möglichst kleine Stirnfläche aufweisen, um einen maximalen aerodynamischen Vorteil zu erzielen.

Der Luftwiderstand-Koeffizient CD und der frontale Bereich A beziehen sich auf den gesamten Luftwiderstand, dem ein Körper bei der folgenden Gleichung gegenübersteht:

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Die anderen Parameter in dieser Gleichung sind die Schnelligkeit des Körpers durch die Luft, V, und die Luftdichte p (Rho). Das ist auch der Grund, warum viele Geschwindigkeitsrekordversuche auf dem Rad in hohen Höhen unternommen werden. Eine niedrigere Luftdichte hat eine direkte Auswirkung auf die Verminderung des Luftwiderstands.

Diese aerodynamischen Kräfte sind die größten Quellen für den Luftwiderstand bei Fahrern und Fahrrädern, bis zu 90 % des gesamten Widerstandes, dem sie ausgesetzt sind. Das bedeutet für die Entwicklung unserer Fahrräder und Komponenten, dass eine Reduzierung des Luftwiderstandes durch die Verringerung von sowohl CD als auch A eine wirksame Methode erzielt wird, um den Fahrer schneller zu machen. Eine Reduzierung des Luftwiderstandes am Fahrer durch die Körperposition, das Komponenten-Design oder andere Mittel ist jedoch ebenfalls wichtig und deshalb wird eine systematische Anwendung benötigt, um die schnellsten allgemeinen Ergebnisse erzielen zu können. Ein Fahrrad fährt nie von selbst. Deshalb entwickeln und testen wir kein Fahrrad ohne den Fahrer.

Weitere Informationen darüber, wie unser Systemansatz zur Aerodynamik uns dabei hilft, die schnellsten Fahrräder zu bauen, finden Sie in unseren Aerodynamik-Tech-Papers.