7 Gesetze zur Aerodynamik: Das Geheimnis des Luftwiderstands

​Wenn die Geschwindigkeit steigt, wird die Luft zum Gegner. Was bei niedrigerem Tempo kaum ins Gewicht fällt, entwickelt sich auf schnellen Abfahrten, im Rennen oder auf langen flachen Passagen zu einer der größten Kräfte, gegen die ein Radfahrer anarbeiten muss. Bis etwa 15 km/h übertrumpfen Rollwiderstände und andere Verluste den Stellenwert der Aerodynamik. Ab etwa 20 bis 25 km/h jedoch wird die Rolle des Luftwiderstands zunehmend dominant. Ab etwa 30 km/h ist er meist bereits die größte bremsende Kraft und ab 40 km/h macht der Luftwiderstand typischerweise den größten Teil des benötigten Antriebs aus.

Dabei ist Aerodynamik weit mehr als die Frage nach tiefen Felgen, windschnittigen Rahmenrohren oder einem möglichst kleinen Frontbereich. Oft liegen die größten Einsparpotenziale dort, wo man sie zunächst nicht vermutet. Wer verstehen möchte, warum ein Fahrrad schnell durch die Luft gleitet, muss daher einen Schritt zurückgehen und die grundlegenden Gesetzmäßigkeiten betrachten. Entscheidend ist das komplexe Zusammenspiel aus Fahrer, Fahrrad und der umgebenden Strömung. Wir geben einen Überblick über wichtige physikalische Gesetze der Aerodynamik.

Fazit

Mountainbikes werden immer schneller: Bergauf, bergab und in der Ebene. Dass sich nun auch Cross-Country-Racer mit dem Stellenwert der Aerodynamik beschäftigen ist nur konsequent. Wer schnell sein will, muss gegen die Luft kämpfen. Das Thema ist nicht nur eines für Profis mit Zugang zu einem Windkanal-Prüfstand. Auch “Normalos” können bei guter Aerodynamik viel Energie sparen. - Jan Timmermann, BIKE-Redakteur

1. Der Luftwiderstand steigt quadratisch mit der Geschwindigkeit

Die wichtigste Grundregel der Fahrradaerodynamik lautet: Je schneller man fährt, desto überproportional größer wird der Luftwiderstand. Vereinfacht lässt er sich mit der Formel F=1/2ρCAv² beschreiben. Entscheidend ist dabei das Quadrat der Geschwindigkeit. Erhöht man das Tempo beispielsweise von 30 auf 40 km/h, steigt der Luftwiderstand nicht um ein Drittel, sondern um den Faktor (40/30)² ≈ 1,78. Man muss also bei 40 km/h rund 78 Prozent mehr aerodynamischen Widerstand überwinden als bei 30 km/h. Das erklärt, warum aerodynamische Optimierung vor allem bei schnellen Fahrten, im Zeitfahren, auf flachen Strecken und im Rennsport relevant wird.

2. Die benötigte Leistung steigt ungefähr mit der dritten Potenz der Geschwindigkeit

Noch eindrucksvoller wird der Zusammenhang, wenn man nicht den Widerstand, sondern die benötigte Leistung betrachtet. Leistung ist Kraft mal Geschwindigkeit: P = F x v. Da der Luftwiderstand mit v² wächst, steigt die dafür notwendige Leistung näherungsweise mit v³. Wer also von 30 auf 40 km/h beschleunigt, muss für den Luftwiderstand ungefähr den Faktor (40/30)² ≈ 2,37 aufbringen. Das bedeutet nicht, dass die gesamte Tretleistung um 137 Prozent steigt – Rollwiderstand, Antrieb und Steigung spielen ebenfalls eine Rolle. Es zeigt aber, warum die letzten zusätzlichen Stundenkilometer auf flacher Strecke so viel Energie kosten.

​3. Die Stirnfläche ist ein entscheidender Faktor

Neben Geschwindigkeit und Luftdichte bestimmt vor allem die effektive Stirnfläche A, wie viel Luftwiderstand entsteht. Dabei geht es nicht ausschließlich um die tatsächliche Fläche, die man von vorne sieht. Entscheidend ist die Kombination aus Körperform, Ausrichtung und Strömung – deshalb spricht man häufig von der effektiven Stirnfläche beziehungsweise dem CdA-Wert (Widerstandsbeiwert × Fläche). Eine kompakte Körperposition mit tiefem Oberkörper und möglichst wenig exponierter Fläche kann den Widerstand deutlich reduzieren. Wichtig ist allerdings, dass eine Position nicht nur aerodynamisch, sondern auch über längere Zeit fahrbar sein muss: Eine theoretisch perfekte Position bringt wenig, wenn man sie nur wenige Minuten halten kann.

​4. Der Fahrer ist das größte aerodynamische Bauteil

Beim Fahrrad ist nicht der Rahmen das größte Hindernis für die Luft, sondern der Mensch darauf. Fahrer und Fahrrad bilden gemeinsam ein komplexes Strömungssystem, wobei der Körper einen erheblichen Teil des Gesamtwiderstands verursacht. Deshalb haben Änderungen an der Sitzposition, dem Oberkörper, den Armen oder der Kleidung häufig einen größeren Effekt als kleine Optimierungen am Rahmen. Ein aerodynamisch optimiertes Fahrrad kann beispielsweise durch eine ungünstige, aufrechte Körperhaltung einen großen Teil seines Vorteils wieder verlieren. Umgekehrt kann ein Fahrer auf einem konventionelleren Fahrrad durch eine gute Position überraschend schnell sein.

​5. Eine möglichst glatte Oberfläche ist nicht automatisch am aerodynamischsten

Intuitiv könnte man annehmen, dass eine möglichst glatte Oberfläche immer den geringsten Luftwiderstand erzeugt. Die Realität ist komplizierter. Bei bestimmten Körperformen kann eine kontrollierte Turbulenz dafür sorgen, dass die Strömung länger an der Oberfläche anliegt, bevor sie sich ablöst. Dadurch kann sich der Druckwiderstand verringern. Ein klassisches Beispiel außerhalb der Welt des Radsports ist der Golfball. Bei Fahrrädern wird dieses Prinzip unter anderem bei speziellen Textilien, Laufradprofilen und Rohrformen genutzt. Entscheidend ist dabei immer die konkrete Form und der jeweilige Strömungszustand.

​6. Hinter dem Fahrrad entsteht ein turbulenter Nachlauf

Wenn Luft auf Fahrer und Fahrrad trifft, kann sie der Kontur nicht überall folgen. An bestimmten Stellen löst sich die Strömung ab und hinter dem Objekt entsteht ein turbulenter Nachlauf mit niedrigerem Druck. Dieser Bereich ist ein wesentlicher Bestandteil des Luftwiderstands. Gute Aerodynamik versucht deshalb nicht nur, die Vorderseite möglichst klein zu machen, sondern auch die Strömung kontrolliert um das Objekt herumzuführen und anschließend wieder zusammenzuführen. Besonders wichtig ist das am Körper des Fahrers, an Rahmenrohren, Laufrädern und hinter Komponenten wie Sattelstütze oder Trinkflaschen. Die Form eines aerodynamischen Bauteils wird deshalb immer als Ganzes betrachtet und nicht nur anhand seiner Frontansicht.

​7. Seitenwind verändert die Aerodynamik erheblich

In der Realität fährt ein Fahrrad nur selten bei vollkommenem Gegenwind. Schon ein relativ geringer Seitenwind verändert die relative Windrichtung, die das Fahrrad tatsächlich „spürt“. Ein Bauteil kann deshalb bei exakt frontalem Wind sehr geringe Widerstandswerte besitzen, bei einem schrägen Anströmwinkel aber völlig anders reagieren. Besonders deutlich wird das bei tiefen oder hohen Laufradprofilen. Hier geht es nicht nur um möglichst wenig Widerstand, sondern auch um Seitenkraft und Lenkverhalten. Moderne Aero-Laufräder werden deshalb nicht nur bei 0° Anströmung betrachtet, sondern über einen ganzen Bereich von Anströmwinkeln. Ein gutes aerodynamisches Design muss folglich einen Kompromiss zwischen geringem Widerstand, stabiler Strömung und kontrollierbarem Fahrverhalten finden.

Wie ist das bei euch: Habt ihr euch schon mal um die Aerodynamik eures Fahrrads oder eurer Kleidung Gedanken gemacht? Schreibt es uns in die Kommentare!