Aero-Grundlagen Björn Hänssler

Aerodynamik am Rennrad

Aero-Grundlagen: Aerodynamik – Was macht wirklich schnell?

Wer seinen Luftwiderstand reduziert, fährt schneller Rad. Oder spart Körner. RB hat im Windkanal getestet, welche Maßnahmen die Aerodynamik verbessern. Erfreuliche Erkenntnis: Schneller muss nicht teuer sein.

Aerodynamik-Serie

Testübersicht

Aero-Grundlagen

Warum ist Aerodynamik so wichtig? Einfache Antwort: Nichts bremst den Rennradfahrer so stark wie der Luftwiderstand. Und der wird größer, je schneller man fährt. Das heißt: Für dauerhaft hohes Tempo ist gute Aerodynamik erheblich wichtiger als weniger Rollwiderstand oder geringeres Gewicht. Doch welche Maßnahmen machen wirklich schnell, und was darf oder muss gute Aerodynamik kosten? Um solche Fragen zu beantworten, hat RB mit Experten gesprochen – und erstmals Messungen im Windkanal durchgeführt. Die Ergebnisse präsentiert RB in den kommenden Ausgaben in einer Aerodynamik-Serie. Den Auftakt bilden grundlegende Überlegungen zum Thema. Erste Frage: Warum profitieren Radsportler von guter Aerodynamik? „Bei identischer Leistung ist man schneller bzw. man muss für dieselbe Geschwindigkeit weniger treten“, erklärt Jean-Paul Ballard, Ex-Formel-1-Ingenieur und Gründer der Firma Swiss Side, die Triathlon-Profis, WorldTour-Teams und Hersteller berät. „Schneller machen eine Verkleinerung der Angriffsfläche, das Vermeiden von Luftverwirbelungen und ein Ausnutzen des sogenannten Segeleffekts.“ Als solchen bezeichnet man das Phänomen, dass Rad und vor allem Laufräder bei Wind schräg von vorn durch Ausnutzung der Luftströme zum Vortrieb beitragen können.

Größtes Problem beim Thema Aerodynamik: Es ist sehr komplex. Pauschale Aussagen lassen sich nur bis zu einem gewissen Grad treffen. Grund: „Der Fahrer mit seiner Haltung auf dem Rad, seinem Helm und der Bekleidung hat den weitaus größten Einfluss auf die Aerodynamik, nämlich satte 75 Prozent“, so Swiss-Side-Experte Ballard. Und Körperproportionen und Sitzhaltungen sind nun mal unterschiedlich. Insofern kann man geteilter Meinung darüber sein, wie sinnvoll Vergleichstests von Rennrädern im Windkanal sind.

Immerhin geben deren unterschiedliche Geometrien auch unterschiedliche Fahrerhaltungen vor, und die beeinflussen maßgeblich den Gesamtluftwiderstand eines Set-ups – und der ist am Ende der wesentliche Faktor. Mit Fahrer leidet die Messgenauigkeit, ohne Fahrer der Aussagewert.

Realitätsnahe Tests

Erklärtes Ziel der Windkanal-Messungen von ROADBIKE war deshalb, sich so nah wie möglich an lesernahen Fragestellungen zu orientieren. Entsprechend wurde ein Standard-Set-up, wie es Tausende Rennradfahrer tagtäglich nutzen, Schritt für Schritt aerodynamisch optimiert.

Was ergaben die Messungen? Zwischen dem Ausgangs-Set-up und kompletter Aero-Optimierung liegen 70 Watt bei 45 km/h Messgeschwindigkeit. Klingt beeindruckend – wie die oft ähnlich lautenden Werbebotschaften der Hersteller. Aber 45 km/h? Wenn schon Radprofi Erik Zabel im Film „Höllentour“ über die eigene Leistung im Einzelzeitfahren sinniert „42er-Schnitt – weißte eigentlich, wie schlecht das ist?“, welchen Wert haben solche Messgeschwindigkeiten dann für Hobbysportler?

„Bei hohen Geschwindigkeiten ist die Messgenauigkeit größer, da die Kräfte im Quadrat der Geschwindigkeit zunehmen: doppelte Geschwindigkeit gleich achtfacher Widerstand“, erklärt Simon Smart, wie Ballard Aerodynamik-Experte mit Formel-1-Vergangenheit, „aber der ermittelte Widerstandsbeiwert (CdA) bleibt immer gleich. Man profitiert also auch bei geringerem Tempo von besserer Aerodynamik.“

RB hat die Ergebnisse der Windkanalmessungen auf ein realitätsnäheres Beispiel umgerechnet: 26 km/h Durchschnittsgeschwindigkeit dank 200 Watt Tretleistung auf 100 Kilometer Strecke mit 1500 Höhenmetern. Ergebnis: Voll aero-optimiert, fährt man die Strecke über 9 Minuten schneller.

Intelligent investieren

Erfreuliche Erkenntnis: Erhebliche Verbesserungen von bis zu 40 Watt bzw. über fünf Minuten Zeitvorteil lassen sich schon zum Nulltarif erreichen – oder zumindest für vergleichsweise kleines Geld. Die Kosten-Nutzen-Tabelle bietet Ihnen eine Orientierung, wie Sie ein bestimmtes Budget bestmöglich und sinnvoll investieren können.

Wer aerodynamisch ans Limit gehen will, muss das auch in finanzieller Hinsicht tun. Simon Smart, der für Bekleidungshersteller Endura Zeitfahranzüge und Renneinteiler für das Team Movistar entwickelt, sagt: „Verbesserungen von zehn Watt mit einer einzigen Maßnahme gibt es irgendwann nicht mehr, deshalb muss man versuchen, zehnmal ein oder zwanzig Mal ein halbes Watt einzusparen.“ Jean-Paul Ballard von Swiss Side nennt ein Beispiel: „Triathletin Laura Philipp wäre kürzlich bei Windkanal-Messungen bereit gewesen, ihren Zopf abzuschneiden, wenn sie das schneller gemacht hätte.“

Aber sind solche Detailoptimierungen und „Marginal gains“ auch für Sportler relevant, die mit dem Radfahren nicht ihr Geld verdienen? Das muss wohl jeder für sich entscheiden. Wer mit hohen Ansprüchen an sich selbst bei Radmarathons, Amateur- oder Jedermannrennen startet oder gar Zeitfahren und Triathlons absolviert, sollte sinnvollerweise auch das Thema Aerodynamik angehen – sich hier zu verbessern ist oft leichter als sich noch mehr Leistungsvermögen anzutrainieren.

Wer weniger ergebnisorientiert Rennrad fährt, kann es auch in Sachen „Aero“ etwas lockerer angehen. Denn hier kommt noch ein weiterer Aspekt zum Tragen: Gute Aerodynamik ist zwar mess-, aber tatsächlich kaum spürbar. Anders ausgedrückt: Geht es „nur“ um die Freude am Fahren, vermittelt ein besonders leichtes Rennrad, dessen Agilität bei jedem Antritt zu spüren ist, oft mehr Fahrspaß als ein aero-optimiertes Set-up – auch wenn man damit wohl schneller wäre. Dass man drei Minuten gespart hat, sieht man eher am Ende der Tour auf dem Tacho, unterwegs wird man sich dessen selten bewusst. „Man muss schon an Zahlen glauben“, räumt Simon Smart ein. Also ist es auch eine Typfrage, wie wichtig man das Aerodynamik-Thema nimmt, und welchen Aufwand man bereit ist zu treiben.

* Ergebnisse der RB-Messungen ** Mittelwerte der Modelle in RB-Vergleichstests bzw. der entsprechenden Produkte der laut RB-Leserbefragung beliebtesten Marken.

Aerodynamik – ein Fazit

Am Ende gilt: Die Aerodynamik entscheidet maßgeblich darüber, wie schnell man auf dem Rennrad unterwegs ist, und es ist ohne Zweifel sinnvoll, die eigene Haltung auf dem Rad ebenso wie die Ausrüstung im Hinblick auf ihre Windschlüpfigkeit zu überprüfen und gegebenenfalls zu optimieren. Andererseits wird mit dem komplexen Thema Aerodynamik auch viel Schindluder getrieben: Einheitliche Messstandards gibt es nicht, die Versprechungen der Hersteller lassen sich nur selten überprüfen. Unabhängige Vergleichstests sind wegen einer Vielzahl von Variablen nur bei wenigen Produkten sinnvoll, pauschale Aussagen sollte man mit Vorsicht genießen.

Wer sein eigenes Set-up bestmöglich optimieren möchte, kommt deshalb nicht umhin, in ein individuelles Aero-Fitting mit einem Experten zu investieren. „Aerodynamik ist enorm wichtig, aber auch komplex. Wer die bestmögliche Optimierung möchte, sollte in ein individuelles Aero-Fitting investieren.“ Hier geht es zum kompletten Interview mit Aerodynamik-Experten Jean-Pail Ballard.

So testet Roadbike

Erstmals testete ROADBIKE im Windkanal und wurde dabei von den Aerodynamik-Experten von Swiss Side unterstützt.

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Der Windkanal: ROADBIKE testete im GST-Windkanal in Immenstaad am Bodensee. Es handelt sich um einen offenen Kanal, der die Luft von außen ein- und am Testaufbau vorbeisaugt. Schwankungen bei der Außentemperatur oder Luftfeuchtigkeit lassen sich herausrechnen.

Die Messungen: Die Messgeschwindigkeit betrug jeweils 45 km/h, gemessen wurde jeweils in einem Anströmwinkel von 0 und 10 Grad. Jeder Testaufbau wurde zweimal gemessen, ein Durchlauf umfasst neun Einzelmessungen à zehn Sekunden sowie Nullpunktmessungen jeweils zu Beginn und am Ende. Bei jeder Messung werden pro Sekunde 4000 Daten erfasst. Eine Sechs-Komponenten-Waage misst dabei alle drei Kraftrichtungen (X, Y, Z) und drei Momente (Mx, My, Mz), die Messgenauigkeit liegt bei einem Gramm. Alle Messungen wurden mit demselben Fahrer durchgeführt (1,90 m, 75 kg). Der Prüfstand ist dynamisch: Das Vorderrad wird automatisch, das Hinterrad vom Testfahrer angetrieben. Damit der Fahrer exakt seine Position hält, sieht er sich selbst per Videoübertragung vor sich auf dem Boden. Dort sind seine Konturen aufgezeichnet, die er während der Messung so exakt wie möglich halten muss. Die Messgenauigkeit: 3,5 Watt.

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Die Auswertung: RB testete unter Anleitung von Aerodynamik-Experte Jean-Paul Ballard von Swiss Side. Der ermittelte Widerstandsbeiwert (CdA) lässt sich in Simulationen auf bestimmte Strecken, Höhenmeter, Leistungswerte und Durchschnittsgeschwindigkeiten umrechnen.

Die Aussagekraft: Die angegebenen Wattwerte beziehen sich jeweils auf die Set-ups, die von RB getestet wurden. Pauschale Aussagen lassen sich ableiten, da vergleichbare Änderungen der Sitzhaltung bei anderen Fahrerproportionen ähnliche Aero-Vorteile ergeben würden. Gleiches gilt für die Verwendung konstruktiv ähnlicher Produkte. Die genauen Zahlen anderer Set-ups können über oder unter den RB-Messungen liegen und müssten individuell ermittelt werden.

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Aerodynamischer in sechs Schritten

ROADBIKE optimierte Schritt für Schritt ein alltägliches Set-up aus Fahrer, Bekleidung und Rad. Erklärtes Ziel: prüfen, welche Maßnahmen wie viel bringen (und zu welchem Preis). Die Zahlenwerte beziehen sich ausschließlich auf die hier von ROADBIKE gemessenen Set-ups. Wer vergleichbare Schritte unternimmt, verbessert seine Aerodynamik signifikant, die exakten Zahlen können allerdings variieren. Sie hängen unter anderem von der Statur des Fahrers, der Geometrie und Aerodynamik des Rades sowie der gewählten Ausrüstung ab. Wer es genau wissen möchte, muss sich individuell aerodynamisch optimieren lassen.

Messung Ausgangssituation

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Roadbike geht von einem Set-up aus, das Hobbyradsportler in ähnlicher Form tagtäglich nutzen.

ROADBIKE geht bei seiner Ausgangsmessung von einem Set-up aus, das Hobbyradsportler in ähnlicher Form tagtäglich nutzen. So auch ROADBIKE-Redakteur Moritz Pfeiffer, der (mit Ausnahme des Rades) regelmäßig mit vergleichbarer Ausrüstung unterwegs ist. Er trug Bibshorts und Trikot – durchaus eng, dennoch mit leichtem Faltenwurf an Schultern und Armen (ROADBIKE-Teambekleidung von Castelli). Die Socken von Q36,5, Schuhe von Luck, Brille von Smith und der Helm von Bell sind nicht explizit auf Aerodynamik ausgelegt, die engen Handschuhe von Endura kommen immerhin ohne Klettverschluss aus.

Beim Rennrad handelt es sich um ein Giant TCR Advanced – ein klassisches Race-Bike mit schlanken, oft runden Rohren. Der Laufradsatz ist mit 30 Millimeter hoher, leicht bauchiger Felge bereits ansatzweise „aero“. Am Lenker, mit separatem Vorbau geklemmt, sind Di2-Kabel und Bremszüge außen geführt, ehe sie im Rahmen verschwinden. Die erste Messung erfolgte in bequemer, nicht zu gestreckter Bremsgriffhaltung.

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Getestet: Unterlenker

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75 Prozent des Luftwiderstands verursacht der Fahrer mit Bekleidung und Helm.

Zur Erinnerung: 75 Prozent des Luftwiderstands verursacht der Fahrer mit Bekleidung und Helm, das Optimierungspotenzial über die Fahrerhaltung ist entsprechend gewaltig. Satte 18 Watt brachte bei den ROADBIKE-Messungen allein der Griff in den Unterlenker. Doch auch in Bremsgriffhaltung ließe sich noch mehr rausholen, wenn man die Ellenbogen im 90-Grad-Winkel beugt und sich beim Treten flach zusammenkauert.

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Moritz Pfeiffer, Roadbike-Redakteur: „Dass man allein mit der Bekleidung so viel einsparen kann, hat mich doch überrascht. Darauf werde ich künftig sicher genauer achten.“

Auch eine gestrecktere Haltung dank eines längeren Vorbaus oder enger zusammengezogene Schultern plus schmalerem Lenker bringen aerodynamische Vorteile. Aber Vorsicht, „Aero“ ist nicht alles: Die Sitzposition muss immer so gewählt werden, dass der Fahrer sich wohlfühlt und noch genügend Kraft aufs Pedal bringt. Das erfuhr kein Geringerer als Tony Martin, der vor der Saison 2016 seine Position auf dem Zeitfahrrad deutlich aerodynamischer wählte, in der Folge aber in seiner Paradedisziplin hinterherfuhr. Vor der Zeitfahr-Weltmeisterschaft in Katar machte Martin die Änderung entnervt rückgängig – und raste wie entfesselt zu Gold.

Vorteil: 18 Watt bei 45 km/h Messgeschwindigkeit und 02:13 Minuten bei 26 km/h auf 100 km, 1500 Hm, 200 W Durchschnittsleistung

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Getestet: Aero-Helm

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Im RB-Test holte der Scott Cadence Plus immerhin 6,5 Watt raus.

Mancher Aero-Helm erinnert optisch an die ersten Fahrradhelme aus den 1980er-Jahren. Dessen ungeachtet sparen windschnittige Helme für vergleichsweise wenig Geld einige Watt. Im RB-Test holte der Scott Cadence Plus immerhin 6,5 Watt raus. Wichtig ist jedoch der korrekte Sitz mittig auf dem Kopf – keinesfalls zu weit im Nacken – nicht nur für die Aerodynamik, sondern auch für den Schutz im Fall eines Sturzes. Alle Aero-Vorteile macht man schnell zunichte, wenn die Riemen im Wind flattern: also festziehen, eng am Kopf führen und überflüssiges Material abschneiden. Vor dem Kauf sollte man prüfen, ob die Belüftung ausreicht.

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Getestet: Aero-Einteiler

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Der Encapsulator Suit von Endura sparte bereinigt 16 Watt, in einzelnen Messungen sogar bis knapp 20.

Nicht zuletzt an der Bekleidung kann man den Paradigmenwechsel im Profiradsport beobachten: Wurde noch vor wenigen Jahren oft um das letzte Gramm Gewicht gefeilscht, dafür aber mit flatterndem Trikot gefahren, stecken die Radprofis heute fast ausnahmslos in engen Rennpellen.

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Moritz Pfeiffer, Roadbike-Redakteur: „Dass man allein mit der Bekleidung so viel einsparen kann, hat mich doch überrascht. Darauf werde ich künftig sicher genauer achten.“

Der Encapsulator Suit von Endura sparte bereinigt 16 Watt, in einzelnen Messungen sogar bis knapp 20. Solche Vorteile bringen allerdings nur Einteiler. Wer sich da nicht hineinzwängen möchte, sollte zumindest auf eng anliegende Trikots ohne Faltenwurf achten. Stoff ist übrigens schneller als nackte Haut, weitere Watt sparen Zeitfahrüberschuhe und rasierte Beine.

Vorteil: 6,5 Watt bei 45 km/h Messgeschwindigkeit und 00:50 Minuten bei 26 km/h auf 100 km, 1500 Hm, 200 W Durchschnittsleistung

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Messung Aero-Laufräder

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Die Zipp 404 NSW brachten bei der Messung „nur“ sieben Watt.

Fans von Hochprofil-Laufrädern müssen jetzt ganz stark sein: Die von vielen heiß geliebten Hingucker zeigten das schlechteste Kosten-Nutzen-Verhältnis im RB-Test. Zwar machen auch sie schneller, allerdings brachten die bei den Messungen montierten Zipp 404 NSW „nur“ sieben Watt. Mit einem anderen Aero-Modell und ähnlicher Felgenhöhe läge der Vorteil vergleichbar hoch.

Zur Ehrenrettung des Hochprofils sei gesagt, dass der im Ausgangs-Set-up montierte Laufradsatz schon in Ansätzen aerodynamisch war – bei einem weniger windschlüpfigen Referenzmodell könnte der Gewinn über zehn Watt betragen – dennoch zum stolzen Preis. Weitere Argumente für Aero-Laufräder trotz des finanziellen Aufwands: Bei hohem Tempo sind sie leichter in Schwung zu halten als flache Felgen, bei Seitenwind können sie Fahrer und Rad „anschieben“ (Segeleffekt).

Gute Ergebnisse liefern dabei Felgenhöhen um 60 Millimeter, Zeitfahrer und Triathleten gehen bis auf 80 Millimeter. Aber Vorsicht: Drückt Seitenwind gegen das Vorderrad und richtet sich der Fahrer zur Stabilisierung des Rads auf, ist jeder aerodynamische Effekt passé! Also gilt es, den besten Kompromiss aus Alltagstauglichkeit und Aerodynamik zu finden. Und zu akzeptieren, dass sich der Kauf auch mit Prestige, Optik und Fahrgefühl rechtfertigen lässt …

Vorteil: 7 Watt bei 45 km/h Messgeschwindigkeit und 00:56 Minuten bei 26 km/h auf 100 km, 1500 Hm, 200 W Durchschnittsleistung

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Messung Aero-Rahmen

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Michael Rich, Roadbike-Technik-Experte: „Windkanaltests von Rennrädern ohne Fahrer zeigen deren Luftwiderstand auf einem Dachgepäckträger – wertlos fürs reale Leben.“

Bei keiner Messung im RB-Test verbesserte sich die Aerodynamik im Vergleich zum vorherigen Set-up so stark: 23 Watt spart der Umstieg auf einen Aero-Rahmen. Als Testrad wählte ROADBIKE dabei bewusst Giants Aero-Modell Propel. Hintergrund: Es hat die gleiche Geometrie wie das bei den vorherigen Messungen verwendete TCR Advanced; Redakteur Pfeiffer saß mit identischer Vorbaulänge, Lenkerbreite und Sattelhöhe in exakt derselben Position auf dem Rad.

Die bessere Aerodynamik ist also ausschließlich auf das Rad zurückzuführen: die strömungsgünstigen Querschnitte von Rahmenset und Lenker-Vorbau-Einheit, der Verzicht auf Lenkerband am Oberlenker sowie die vollständige Integration von Bremsleitungen und Di2-Kabeln. Ein auf die Spitze getriebenes Aero-Rad macht also nochmals deutlich schneller, die gesparten Watt haben aber ihren Preis. Auch der Umstieg auf ein Aero-Rad mit abweichender Geometrie kann sinnvoll sein – wenn die neue Fahrerhaltung aerodynamisch und biomechanisch nicht schlechter ist.

Vorteil: 23 Watt bei 45 km/h Messgeschwindigkeit und 03:05 Minuten bei 26 km/h auf 100 km, 1500 Hm, 200 W Durchschnittsleistung

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Gesamtvorteil: 70 Watt bei 45 km/h Messgeschwindigkeit und 09:10 Minuten bei 26 km/h auf 100 km, 1500 Hm, 200 W Durchschnittsleistung

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