Fahrradleistung - Bicycle performance

Bradley Wiggins im Gelben Trikot , der das Critérium du Dauphiné 2011 beendete .

Ein Schwerlast Transportrad hergestellt von SCO kann Dänemark mehr als 100 kg (220 lb) tragen.

Die Leistung eines Fahrrads ist außerordentlich effizient. Bezogen auf den Energieaufwand, den eine Person für eine bestimmte Strecke aufwenden muss, gilt das Fahrrad als das effizienteste autarke Fortbewegungsmittel . In Bezug auf das Verhältnis von Frachtgewicht ein Fahrrad auf dem Gesamtgewicht tragen kann, es ist auch ein effizienteste Mittel zur Güterbeförderung.

Mechanischer Wirkungsgrad

Aus mechanischer Sicht werden bis zu 99 % der vom Fahrer in die Pedale abgegebenen Energie auf die Laufräder übertragen (saubere, geschmierte neue Kette mit 400 W), die durch den Einsatz von Getrieben jedoch um 1 – 7 % reduziert wird (saubere , gut geschmierte Schaltwerke ), 4–12% (Kette mit 3-Gang-Naben) oder 10–20% (Wellenantrieb mit 3-Gang-Naben). Die höheren Wirkungsgrade in jedem Bereich werden bei höheren Leistungsstufen und im Direktantrieb (Nabenschaltung) oder mit großen angetriebenen Zahnrädern (Umwerfer) erreicht.

Energieeffizienz

Ein Mensch, der mit einem Fahrrad mit 16–24 km/h (10–15 mph) unterwegs ist und nur die zum Gehen erforderliche Kraft verbraucht, ist das energieeffizienteste Verkehrsmittel, das allgemein verfügbar ist. Der Luftwiderstand , der mit dem Quadrat der Geschwindigkeit zunimmt, erfordert im Verhältnis zur Geschwindigkeit immer höhere Leistungsabgaben . Ein Fahrrad, bei dem der Fahrer in Rückenlage liegt, wird als Liegerad oder, wenn es mit einer aerodynamischen Verkleidung versehen ist , um einen sehr geringen Luftwiderstand zu erzielen, als Streamliner bezeichnet .

Rennräder sind leicht, ermöglichen freie Beweglichkeit der Beine, halten den Fahrer in einer angenehm aerodynamischen Position und zeichnen sich durch hohe Übersetzungen und geringen Rollwiderstand aus.

Auf festem, ebenem Untergrund benötigt eine 70 kg schwere Person etwa 60 Watt , um mit 5 km/h (3,1 mph) zu gehen. Dieselbe Person auf einem Fahrrad, auf demselben Boden, mit derselben Leistung kann mit einem normalen Fahrrad mit 15 km/h (9,3 mph) fahren die gleiche Entfernung. Die Geschwindigkeiten bergauf und bergab variieren je nach Steigung der Steigung und der Anstrengung des Fahrers. Bergauffahren erfordert mehr Kraft, um die Schwerkraft zu überwinden, und die Geschwindigkeiten sind daher niedriger und die Herzfrequenz ist höher als bei flachen Fahrbedingungen. Mit mittlerer Anstrengung kann ein Radfahrer 8-10 km/h eine leichte Steigung hinauffahren. Das Fahren auf Gras, Sand, Schlamm oder Schnee wird einen Fahrer ebenfalls verlangsamen. Ohne bergab in die Pedale zu treten, kann ein Fahrradfahrer leicht Geschwindigkeiten von 20-40 km/h bei einer sanften Steigung von 5% und Geschwindigkeiten von über 50 km/h bei steileren Steigungen erreichen.

Energieausgang

Aktive Menschen können zwischen 1,5 Watt pro Kilogramm Körpermasse (untrainiert), 3,0 W/kg (fit) und 6,6 W/kg (männliche Spitzensportler) produzieren. 5 W/kg ist ungefähr das Niveau, das von der höchsten Stufe männlicher Amateure über längere Zeiträume erreicht werden kann. Die maximale Dauerleistung während einer Stunde reicht von etwa 200 W ( NASA- Versuchsgruppe "gesunde Männer") bis 500 W ( Stundenweltrekord der Männer ).

Energiezufluss

Die Energiezufuhr zum menschlichen Körper erfolgt in Form von Nahrungsenergie , die normalerweise in Kilokalorien [kcal] oder Kilojoule [kJ=kWs] angegeben wird. Dies kann auf eine bestimmte zurückgelegte Strecke und auf das Körpergewicht bezogen werden, was Einheiten wie kJ/(km∙kg) ergibt. Die Nahrungsaufnahmerate, dh die während eines bestimmten Zeitraums verbrauchte Menge, ist die Eingangsleistung. Dies kann in kcal/Tag oder in J/s = W (1000 kcal/d ~ 48,5 W) gemessen werden.

Diese Eingangsleistung kann durch Messung der Sauerstoffaufnahme oder der langfristigen Nahrungsaufnahme bestimmt werden, wenn keine Gewichtsveränderung angenommen wird. Dazu gehört die Energie, die nur zum Leben benötigt wird, der so genannte Grundumsatz BMR oder grob der Ruheumsatz .

Der Nahrungsbedarf lässt sich auch berechnen, indem man die Ausgangsleistung durch die Muskelleistung dividiert . Das sind 18–26 %. Aus obigem Beispiel, wenn eine 70 kg schwere Person mit 15 km/h radelt, indem sie 60 W verbraucht und eine Muskeleffizienz von 20 % angenommen wird, wird ungefähr 1 kJ/(km∙kg) zusätzliche Nahrung benötigt. Für die Berechnung der Gesamt Essen während der Reise erforderlich ist , muss der BMR zuerst auf die Eingangsleistung hinzugefügt werden. Wenn die 70 kg-Person eine alte, kleine Frau ist, könnte ihr BMR 60 W betragen, in allen anderen Fällen etwas höher. So gesehen in diesem Beispiel die Effizienz effektiv halbiert wird und in etwa 2 kJ / (km ∙ kg) Gesamt Lebensmittel erforderlich ist.

Dies zeigt zwar einen großen relativen Anstieg des Nahrungsbedarfs für das Radfahren mit geringer Leistung, wird jedoch in der Praxis kaum wahrgenommen, da die zusätzlichen Energiekosten einer Stunde Radfahren mit 50 g Nüssen oder Schokolade gedeckt werden können. Bei langen und schnellen oder bergauf Radfahren wird der zusätzliche Nahrungsbedarf jedoch deutlich.

Um die Effizienzberechnung abzuschließen, bestimmt die Art der verzehrten Lebensmittel die Gesamteffizienz. Dabei muss der Energiebedarf für die Herstellung, Verteilung und Zubereitung der Lebensmittel berücksichtigt werden.

Typische Geschwindigkeiten

Dies ist ein Diagramm, das die variable Fahrradgeschwindigkeit auf hügeligem Gelände zeigt.

Beim Utility Cycling gibt es große Unterschiede; ein älterer Mensch auf einem aufrechten Roadster könnte weniger als 10 km/h (6,2 mph) fahren, während ein fitter oder jüngerer Mensch auf demselben Fahrrad leicht das Doppelte schaffen könnte. Für Radfahrer in Kopenhagen beträgt die durchschnittliche Fahrradgeschwindigkeit 15,5 km/h (9,6 mph). Die Trittfrequenz des Fahrers, Fahrradreifengrößen, Übersetzungsverhältnisse, Steigung des Geländes beeinflussen die Gesamtgeschwindigkeit des Fahrers. Fahrräder, die für flache städtische Umgebungen ausgelegt sind, können über ein festes Getriebe oder drei Gänge verfügen, und Fahrräder, die für hügeliges Gelände, das Transportieren von Gewicht oder für schnelleres Fahren ausgelegt sind, haben mehr Gänge. Im Wettkampfradsport wird eine nachhaltig hohe Geschwindigkeit durch zusätzliche Gänge, größere Kettenblätter, aerodynamisches Design und die aerodynamischen Effekte des Pelotons erhöht . Die Gruppe kann über längere Distanzen eine viel höhere Geschwindigkeit halten, da sich verschiedene Radfahrer gegen den Wind abwechseln und dann zurückfallen, um sich auszuruhen. Ein Mannschaftszeitfahren erzeugt den gleichen Effekt.

Moderne Radfahrer verwenden einen Tachometer oder Fahrradcomputer , um verschiedene Variablen zu messen, aufzuzeichnen und zu teilen, darunter Geschwindigkeit, Steigung, Distanz, Zeit, Trittfrequenz, Steigung, Watt, Leistung, Temperatur, GPS-Daten, Route und sogar Herzfrequenz.

Geschwindigkeitsrekorde beim Radfahren

Die Höchstgeschwindigkeit, die offiziell für ein kraftbetriebenes Fahrzeug (HPV) auf ebenem Boden und bei Windstille und ohne externe Hilfsmittel (wie z. 89,59 mph) im Jahr 2016 von Todd Reichert im Eta Speedbike, einem stromlinienförmigen Liegerad. Beim Race Across America 1989 durchquerte eine Gruppe von HPVs die Vereinigten Staaten in nur 5 Tagen. Die höchste offiziell gemessene Geschwindigkeit für ein Fahrrad, das in einer konventionellen aufrechten Position unter vollständig verkleideten Bedingungen gefahren wurde, betrug 100 km/h (62 mph) von Alale (be mola) über 200 m. Dieser Rekord wurde 1986 von Jim Glover auf einem Moulton AM7 bei den Human Powered Speed Championships während der Expo86 World Fair in Vancouver aufgestellt. Die schnellste Fahrradgeschwindigkeit im Windschatten beträgt 296 km/h (183,9 mph), die 2018 von Denise Mueller-Korenek auf den Bonneville Salt Flats eingestellt wurde. Dies beinhaltete Windschatten hinter einem Dragster.

Reduzierung von Gewicht und rotierender Masse

Es gab einen großen Unternehmenswettbewerb, das Gewicht von Rennrädern zu senken, um schneller bergauf und beschleunigt zu sein. Die UCI legt eine Grenze von 6,8 kg für das Mindestgewicht von Fahrrädern fest, die bei sanktionierten Rennen verwendet werden dürfen.

Vorteile der reduzierten Masse

Für das Radfahren auf der Ebene mit konstanter Geschwindigkeit spart eine große Gewichtsreduzierung nur eine vernachlässigbare Menge an Leistung und es ist im Gegenteil von Vorteil, Masse in Form von aerodynamischen Verbesserungen hinzuzufügen . Aber beim steilen Aufstieg ist jede Gewichtsreduktion direkt zu spüren. Eine Reduzierung des Gesamtgewichts des Systems um 10 % (Fahrrad, Fahrer und Gepäck zusammen) spart beispielsweise fast 10 % Energie.

Auch beim Beschleunigen ist eine reduzierte Masse direkt zu spüren. Der Analytic Cycling-Rechner gibt beispielsweise für einen Sprinter mit 500 g leichteren Rädern einen Zeit-/Distanzvorteil von 0,16 s/188 cm. Wenn ein Fahrer in einem Kriteriumsrennen in jeder Kurve bremsen muss, wird dies als Hitze verschwendet. Für ein flaches Kriterium bei 40 km/h, 1 km Rundkurs , 4 Kurven pro Runde, 10 km/h Geschwindigkeitsverlust an jeder Kurve, eine Stunde Dauer, wären es 160 Kurvensprünge. Für 90 kg Fahrer und Fahrrad bedeutet dies etwa ein Drittel Kraftaufwand im Vergleich zur gleichen Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit, und eine Massenreduzierung von 10 % des Gesamtsystemgewichts (Fahrrad, Fahrer und Gepäck zusammen) könnte somit etwa 3 . ergeben % Vorteil.

Vorteile von leichten Rädern

Die Masse von Reifen und Felgen muss linear und rotatorisch beschleunigt werden . Es kann gezeigt werden, dass der Einfluss von Felgen- und Reifenmasse typischer Speichenräder effektiv verdoppelt wird. Die Reduzierung ihrer Masse macht sich daher besonders bei Sprints und Kurvensprüngen in einem Kriterium bemerkbar .

Strom erforderlich

Im Radsport sind hitzige Debatten über die relative Bedeutung von Gewichtseinsparung und Optimierung von Reifen und Aerodynamik an der Tagesordnung . Durch die Berechnung des Kraftbedarfs zum Bewegen von Fahrrad und Fahrer können die relativen Energiekosten von Luftwiderstand, Rollwiderstand, Steigungswiderstand und Beschleunigung bewertet werden.

Es gibt bekannte Gleichungen, die die zum Überwinden der verschiedenen Widerstände erforderliche Leistung hauptsächlich in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit angeben :

Diagramm der Teilleistungskomponenten vs. Geschwindigkeit mit typischen Werten
Die Luftwiderstandsleistung ist anfänglich sehr gering und nimmt mit der Kubik der Geschwindigkeit zu.
Die Rollwiderstandskraft ist zunächst höher, steigt aber nur langsam an.
Das Steigen einer Steigung von 5 % ist fast gleichbedeutend mit einer kontinuierlichen Beschleunigung mit 0,5 m/s ² .

Luftwiderstand

Die zum Überwinden des Luftwiderstands oder -widerstands erforderliche Leistung beträgt: $P_{D}$

P_{D}\,={\tfrac {1}{2}}\,\rho\,v_{r}^{3}\,C_{D}\,A

in stiller Luft, oder

P_{D}\,={\tfrac {1}{2}}\,\rho\,v_{a}^{2}\,v_{r}\,C_{D}\,A

bei Gegenwind,

wo

\rho

ist die Luftdichte, die auf Meereshöhe etwa 1,225 kg/m^3 und 15 Grad beträgt. C.

$v_{r}$ ist die Geschwindigkeit relativ zur Straße,

$v_{a}$ ist der scheinbare Gegenwind, und

$C_{D}\,A$ ist eine charakteristische Fläche mal ihrem zugehörigen Luftwiderstandsbeiwert .

Das Konzept des scheinbaren Windes ist hier nur dann direkt anwendbar, wenn er von echtem Gegen- oder Rückenwind stammt. Dann ist die Skalarsumme von und dem Gegenwind oder der Differenz zwischen und dem Rückenwind. Wenn dieser Unterschied negativ ist, muss er eher als Hilfe denn als Widerstand gewertet werden. Hat der Wind jedoch eine seitliche Komponente, muss der scheinbare Wind mit einer Vektorsumme berechnet werden und insbesondere bei stromlinienförmigen Fahrrädern wird die Berechnung von Seiten- und Luftwiderstandskräften komplexer; eine sachgerechte Behandlung beinhaltet die Berücksichtigung der Kräfte auf den Oberflächen wie die Kräfte auf Segeln . $v_{a}$ $v_{r}$ $v_{r}$ $P_{D}$

Der Luftwiderstandsbeiwert hängt von der Form des Objekts und von der Reynolds-Zahl ab , von der selbst abhängt . Wenn jedoch die Querschnittsfläche , kann für übliche Fahrradgeschwindigkeiten eines Fahrers auf einem aufrechten Fahrrad grob als 1 angenähert werden. $v_{a}$ $A$ $C_{D}$

Rollwiderstand

Die Leistung zur Überwindung der Rollwiderstände der Reifen ergibt sich aus: $P_{R}$

P_{R}=v_{r}\,mg\cos(\arctan s)C_{rr}\approx v_{r}mgC_{rr}

wobei g die Schwerkraft, nominell 9,8 m/s^2, und m die Masse (kg) ist. Die Näherung kann mit allen normalen Rollwiderstandsbeiwerten verwendet werden . Normalerweise wird davon ausgegangen, dass dies unabhängig von (Geschwindigkeit des Fahrrads auf der Straße) ist, obwohl erkannt wird, dass es mit der Geschwindigkeit zunimmt. Messungen an einem Rollenmechanismus ergeben Niedriggeschwindigkeitskoeffizienten von 0,003 bis 0,006 für eine Vielzahl von Reifen, die bis zu ihrem empfohlenen Höchstdruck aufgepumpt sind, was bei 10 m/s um etwa 50 % ansteigt. $C_{rr}$ $v_{r}$

Kletterkraft

Die vertikale Steigleistung am Hang ist gegeben durch $P_{S}$ $s$

P_{S}=v_{r}mg\sin(\arctan s)\approx v_{r}mgs

.

Diese Näherung nähert sich der realen Lösung für kleine, dh normale Noten. Bei extrem steilen Hängen wie 0,35 ergibt die Näherung eine Überschätzung von etwa 6%.

Da diese Kraft verwendet wird, um die potentielle Energie von Fahrrad und Fahrer zu erhöhen , wird sie beim Bergabfahren als Antriebskraft zurückgegeben und geht nicht verloren, es sei denn, der Fahrer bremst oder fährt schneller als gewünscht.

Kraft zum Beschleunigen

Die Leistung zum Beschleunigen des Fahrrads und des Fahrers mit der Gesamtmasse m mit der Beschleunigung a und rotatorisch auch der Räder mit der Masse beträgt: $P_{A}$ $m_{w}$

P_{A}\approx v_{r}(m+m_{w})a

Die Näherung gilt, wenn angenommen wird, dass sie sich auf die Felgen und Reifen konzentriert und diese nicht rutschen. Die Masse solcher Räder kann somit unabhängig von der Radgröße für diese Berechnung doppelt gezählt werden. $m_{w}$

Da diese Kraft verwendet wird, um die kinetische Energie von Fahrrad und Fahrer zu erhöhen , wird sie beim Verzögern zurückgegeben und geht nicht verloren, es sei denn, der Fahrer bremst oder fährt schneller als gewünscht.

Totale Kraft

P\,=(P_{D}\,+P_{R}\,+P_{S}\,+P_{A}\,)/\eta\,

wo ist der mechanische Wirkungsgrad des am Anfang dieses Artikels beschriebenen Antriebsstrangs. $\eta\,$

Mit dieser vereinfachten Gleichung kann man einige interessierende Werte berechnen. Bei Windstille erhält man beispielsweise folgende Ergebnisse für die an die Pedale abgegebene Leistung (Watt):

175 W für ein 90 kg schweres Fahrrad + Fahrer, um 9 m/s (32 km/h oder 20 mph) auf der Ebene (76% der Anstrengung, um den Luftwiderstand zu überwinden) oder 2,6 m/s (9,4 km/h oder 5,8 .) zu fahren mph) bei einer Steigung von 7 % (2,1 % der Anstrengung, um den Luftwiderstand zu überwinden).
300 W für ein 90 kg schweres Fahrrad + Fahrer bei 11 m/s (40 km/h oder 25 mph) in der Ebene (83% der Anstrengung, um den Luftwiderstand zu überwinden) oder 4,3 m/s (15 km/h oder 9,5 mph) auf einer Steigung von 7 % (4,2 % der Anstrengung, um den Luftwiderstand zu überwinden).
165 W für ein 65 kg schweres Fahrrad + Fahrer, um 9 m/s (32 km/h oder 20 mph) in der Ebene (82% der Anstrengung, um den Luftwiderstand zu überwinden) oder 3,3 m/s (12 km/h oder 7,4 .) zu fahren mph) bei einer Steigung von 7 % (3,7 % der Anstrengung, um den Luftwiderstand zu überwinden).
285 W für ein 65 kg Fahrrad + Fahrer bei 11 m/s (40 km/h oder 25 mph) in der Ebene (87 % der Anstrengung, um den Luftwiderstand zu überwinden) oder 5,3 m/s (19 km/h oder 12 mph) auf einer Steigung von 7 % (6,1 % der Anstrengung, um den Luftwiderstand zu überwinden).

Eine Reduzierung des Gewichts von Fahrrad + Fahrer um 1 kg würde die Geschwindigkeit um 0,01 m/s bei 9 m/s auf der Ebene (5 Sekunden in einem 32 km/h (20 mph) , 40 km (25 Meilen) TT) erhöhen ) . Die gleiche Reduzierung bei einer Steigung von 7% würde 0,04 m/s (90 kg Fahrrad + Fahrer) bis 0,07 m/s (65 kg Fahrrad + Fahrer) betragen. Wenn man 1 Stunde klettert, würde die Einsparung von 1 lb zwischen 69 m (225 ft) und 110 m (350 ft) gewinnen – weniger Effekt für die schwerere Kombination aus Fahrrad und Fahrer (z. B. 0,06 km/h (0,04 mph) * 1 h * 1.600 m (5.200 Fuß) /mi = 69 m (226 Fuß)). Als Referenz haben die großen Anstiege bei der Tour de France und dem Giro d'Italia folgende Durchschnittsnoten:

Giro d'Italia

Stilfser Joch = 7,45 % über 24,3 km;
Colle delle Finestre = 9,1 % über 18,6 km;
Colle dell'Agnello = 6,5% über 22 km;
Passolanciano-Maielletta , auch Blockhaus genannt = 9,4% auf 22 km;
Kronplatz = 10 % über 5,2 km;
Mortirolo = 10,4% über 12,5 km;
Monte Zoncolan = 12% über 10,1 km;

Tour de France

Turmalett = 7%
Galibier = 7,5%
Alpe d'Huez = 8,6%
Mont Ventoux = 7,1 %.

Siehe auch

Verweise

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