NAQI® AERO SPEED GEL erhöht die Radfahrgeschwindigkeit durch Verringerung des Luftwiderstands bei Radfahrern

Die Bedeutung der Aerodynamik im Radsport darf nicht unterschätzt werden. Im professionellen Radsport sind Geschwindigkeiten über 40 km/h die Regel. Im Zeitfahren (TT) sind Durchschnittsgeschwindigkeiten über 50 km/h üblich. Bei 40 km/h werden 85 % der Kraft des Radfahrers zur Bekämpfung des Luftwiderstands eingesetzt. Rollwiderstand und mechanischer Widerstand machen nur 15 % aus. Bei 50 km/h macht der Luftwiderstand 90 % der Gesamtkraft aus.

Es ist klar, dass das größte Potenzial zur Geschwindigkeitssteigerung eines Radfahrers in der Optimierung des Luftwiderstands liegt. Anzüge, Schuhe, Fahrräder und Helme eines Radfahrers sind bereits auf den Luftwiderstand optimiert. Die freiliegende Haut ist ein potenziell interessanter Bereich für aerodynamische Optimierungen.

 

I. DIE WISSENSCHAFT HINTER DER AERODYNAMIK IM RADSPORT

 

Ein aerodynamischer Widerstand [1]: Wenn Sie durch die Luft fahren, müssen Ihr Fahrrad und Ihr Körper die Luft um Sie herum verdrängen. Dadurch entsteht vor Ihnen ein höherer Druck und hinter Ihnen ein niedrigerer Druck. Aus diesem Grund übt die Luft beim Fahren eine Nettokraft auf Sie aus. Es gibt einige Dinge, die bestimmen, wie viel Kraft die Luft auf Sie ausübt. Je schneller Sie fahren (Geschwindigkeit V (m/s), desto mehr Kraft drückt und zieht die Luft auf Sie. Sie und Ihr Fahrrad stellen der Luft eine bestimmte Frontfläche A (m2) dar. Je größer diese Frontfläche ist, desto mehr Luft müssen Sie verdrängen und desto größer ist die Kraft, die die Luft gegen Sie drückt. Aus diesem Grund bemühen sich Radfahrer und Fahrradhersteller sehr, die Frontfläche in einer aerodynamischen Position zu minimieren. Die Luftdichte Rho (kg/m3) ist ebenfalls wichtig; je dichter die Luft, desto mehr Kraft übt sie auf Sie aus.

Schließlich gibt es noch weitere Effekte, wie die Glätte Ihrer Kleidung und das Ausmaß, in dem die Luft laminar statt turbulent um Sie und Ihr Fahrrad strömt. Auch die Optimierung Ihrer aerodynamischen Positionen trägt dazu bei. Diese weiteren Effekte werden in einem dimensionslosen Parameter erfasst, dem Luftwiderstandsbeiwert (Cw).

Die Formel für den auf einen Radfahrer wirkenden Luftwiderstand in metrischen Einheiten lautet:

F (N) = 0,5 · Cd · A · Rho · V 2

Dabei ist A die Stirnfläche des Radfahrers in m², Rho die Luftdichte in kg/m³, V die Geschwindigkeit des Radfahrers in m/s und Cd der Luftwiderstandsbeiwert. Die Leistung P cyclist (Watt), die den Rädern Ihres Fahrrads zur Überwindung der Gesamtwiderstandskraft Fresist (N) bei Vorwärtsfahrt mit Geschwindigkeit V zugeführt werden muss, beträgt:

P = F · V

mit

F (N) = F + F + F . .

F drag ist die bei weitem dominierende Kraft in dieser Gleichung. Ein Beispiel: Für einen typischen Fahrer mit 70 kg Gewicht, einem 7 kg schweren Fahrrad, einer Stirnfläche A von 0,0509 m², einem Luftwiderstandsbeiwert Cw von 0,63, einer Steigung von 0 %, normaler Luftdichte und einer Geschwindigkeit von 50 km/h ergibt sich: F drag = 38 N (527 Watt), F rolling = 3,8 N (53 W). Anders ausgedrückt: Bei 50 km/h fließen bei normaler Körperhaltung und unter normalen Bedingungen fast 90 % der von ihm aufgebrachten Kraft in die Überwindung des Luftwiderstands.

 

II. AEROSPEED GEL-KONZEPT

Das NAQI Aero Speed ​​Gel Konzept funktioniert ähnlich wie die Dimples eines Golfballs. Durch Aufrauen der Oberfläche eines runden Objekts können die Turbulenzen in der Grenzschicht erhöht werden. Diese erhöhte Turbulenz führt dazu, dass die Strömung widerstandsfähiger gegen Ablösung wird. Dieser Widerstand gegen Ablösung führt dazu, dass die Strömung länger an der Oberfläche haftet und dadurch eine kleinere Nachlaufströmung hinter dem Objekt erzeugt. Diese kleinere Nachlaufströmung führt zu einem kleineren Bereich mit geringerem Druck hinter dem Objekt und somit zu einem geringeren Luftwiderstand.

Durch die Zugabe von Wirbelgeneratoren zu einem Gel, das auf Arme und/oder Beine eines Radfahrers aufgetragen wird, tragen diese speziellen Partikel zur Erzeugung von Turbulenzen in den Grenzschichten bei und verzögern so die Strömungsablösung hinter den Armen und/oder Beinen des Radfahrers. Abbildung 2 zeigt die Strömungsablösung um ein kugelförmiges Objekt mit zwei verschiedenen Ablösepunkten, die durch rote Pfeile markiert sind.

Um den Einfluss der Luftgeschwindigkeit auf die Turbulenzen zu untersuchen, wurden vier verschiedene Luftgeschwindigkeiten getestet, die jeweils mit den jeweiligen Radgeschwindigkeiten korrelierten. Die gewählten Windkanalgeschwindigkeiten waren 10,4, 11,8, 13,3 und 14,8 m/s. Dies entspricht Radgeschwindigkeiten von 37,5, 42,5, 47,9 und 53,3 km/h. Die gemessene Widerstandskraft am Zylinder wurde zum besseren Vergleich in Watt umgerechnet.

Jede Messung wurde viermal wiederholt. Zweimal mit einer Messzeit von 30 Sekunden und zwei Mal mit einer Messzeit von 60 Sekunden. Dies diente der Überprüfung der Wiederholbarkeit des Versuchsaufbaus. Die Differenz zwischen den vier Messungen lag stets unter 0,1 N, was eine hervorragende Wiederholbarkeit belegt.

 

II I. AEROSPEED GEL MESSPHASE 1

Alle aerodynamischen Widerstandstests wurden in der hochmodernen Niedriggeschwindigkeits-Windkanalanlage im Bike Valley durchgeführt. Die ersten Prototypen wurden zunächst auf einem mit Schweinehaut umwickelten Zylinder getestet. Die zweite Testphase wurde an echten Radfahrern durchgeführt.

 

1. Setup 1, Aero Speed ​​Gel auf Schweinshaut

Um ein Referenzobjekt zu testen, das ein Bein oder einen Arm eines Radfahrers simuliert, wurde ein Zylinder mit einem Durchmesser von 100 mm gewählt. Dieser Zylinder wurde mit Schweinehaut umwickelt, da diese der menschlichen Haut sehr ähnlich ist. Ziel dieses Testprotokolls war die Optimierung der Trägerflüssigkeit und des Wirbelgenerators in der Flüssigkeit.

1. Messergebnisse

Abbildung 4 zeigt deutlich, dass alle NAQI Aero Speed ​​Gel-Prototypen bereits eine Verbesserung gegenüber der unbehandelten Basislinie (hellblau) zeigten. Die leistungsstärksten Wirbelgeneratoren wurden für die nächste Testphase ausgewählt.

I V. VERBESSERUNG DER AEROSPEED GEL MESSUNG PHASE 1

A. Setup Aero Speed ​​Gel-Test an echten Athleten

Die zweite Testphase wurde mit echten Radfahrern durchgeführt. Es wurde entschieden, mit einem Radfahrer in TT-Position und -Kleidung, mit Standardkleidung in einer Position für normales Straßenradfahren und mit Triathlonanzug auf einem Triathlonrad zu testen. 5 Athleten dienten als Testpersonen. Es wurde auch entschieden, das Gel je nach spezifischer Kleidung und Disziplin (TT, Straße, Triathlon) sowohl an Armen als auch an Beinen zu testen. Für diese Testphase wurde entschieden, nur mit einer Luftgeschwindigkeit zu testen. Die gewählte Luftgeschwindigkeit wurde so gewählt, dass sie für die spezifische Disziplin relevant ist. Die gewählte Luftgeschwindigkeit betrug 13,9 m/s oder 50,0 km/h für die TT-Position, 12,4 m/s oder 44,64 km/h für die Standard-Radposition und 10,9 m/s oder 39,2 km/h für Triathlon

Da die Position des Radfahrers mit und ohne Gel exakt identisch sein muss, wurde die Wiederholbarkeit zusätzlich durch zweimalige Messung überprüft. Innerhalb eines Bereichs von etwa 1,5 Watt korrelierten die Ergebnisse gut. Die Position des Radfahrers wurde bei jeder Messung überprüft und angepasst, indem die Konturen der Referenzmessungen vor dem Radfahrer aufgezeichnet wurden. So konnte er seine Position überprüfen und an die Referenzposition anpassen. Siehe auch Abbildung 5.

B. Messergebnisse

In der Zeitfahrposition betrug der durchschnittliche Luftwiderstand 374,5 Watt, ohne NAQI Aero Speed ​​Gel und mit Gel 360,5 Watt. Dies ergibt bei der gewählten Geschwindigkeit einen Unterschied von 14 Watt. Dies entspricht einer Luftwiderstandsreduzierung von fast 4 %. Der Zeitgewinn bei einem 9-km-Zeitfahren mit diesem NAQI Aero Speed ​​Gel beträgt 8,4 Sekunden bzw. 46,6 Sekunden bei einem 50-km-Zeitfahren. Das entspricht fast einer Sekunde pro Kilometer. Dieses Ergebnis wurde durch die ausschließliche Anwendung von NAQI Aero Speed ​​Gel an den Beinen des Radfahrers erzielt.

Ähnliche Tests wurden an einem Triathleten und einem Rennradfahrer in normaler Position und Kleidung durchgeführt. Beim Triathleten betrug der durchschnittliche Basiswiderstand 235,5 Watt. Der Widerstand mit NAQI Aero Speed ​​Gel an Armen, Schultern und Beinen betrug 222 Watt. Es mag widersprüchlich erscheinen, dass die Anwendung des Gels auf Armen und Beinen statt nur auf den Beinen keine zusätzliche Reduzierung des Widerstands bewirkt. Bedenken Sie jedoch, dass der Test beim Triathleten bei 39 km/h statt bei 50 km/h durchgeführt wurde.

Die durchschnittliche Widerstandsreduzierung betrug 13,5 Watt. Dies führt zu einer Zeitersparnis von 307 Sekunden auf der Ironman-Distanz. Das entspricht einer Widerstandsreduzierung von fast 6 %.

In der Standard-Straßenrennposition und -bekleidung betrug der Basiswiderstand 420,7 Watt bei 44,6 km/h. Mit dem NAQI Aero Speed ​​Gel an den Beinen reduzierte sich der Widerstand auf 405,2 Watt. Dies führt wiederum zu einer Widerstandsreduzierung von fast 4 %.

 

V . SCHLUSSFOLGERUNG

Das NAQI ® Aero Speed ​​Gel nutzt Wirbelgeneratoren, um die Turbulenzen in der Grenzschicht des Luftstroms über bestimmte Körperteile des Radfahrers zu verstärken. Diese verstärkten Turbulenzen führen zu einer späteren Strömungsablösung und einem entsprechend kleineren Nachlauf und geringerem Luftwiderstand.

Umfangreiche Tests im Windkanal zeigten eine Reduzierung des Luftwiderstands um fast 4 %, wenn das Produkt nur an den Beinen eines Radfahrers angewendet wurde. Bei der Anwendung auch an Schultern und Armen eines Triathleten konnte eine Reduzierung des Luftwiderstands um fast 6 % erreicht werden.

 

 

REFERENZEN

[ 1] Fage, A. & Warsap, JH (1930), Der Einfluss von Turbulenzen und Oberflächenrauheit auf den Luftwiderstand eines kreisförmigen Zylinders. Aero. Res. Com. London, R. & M. Nr. 1283.

[2] Singh, SP und Mittal, S. (2005), Strömung an einem Zylinder: Scherschichtinstabilität und Widerstandskrise. Int. J. Numer. Meth. Fluids, 47: 75-98. doi:10.1002/fld.807

[3] Alam, Firoz & Chowdhury, Harun & Moria, Hazim & Mazumdar, Himani & Subic, Aleksandar. (2010). Eine experimentelle Studie zur Aerodynamik von Golfbällen. 1-4. Tagungsband des 13. Asiatischen Kongresses für Strömungsmechanik vom 17. bis 21. Dezember 2010, Dhaka, Bangladesch

[4] Luftwiderstand einer Kugel, NASA, https://www.grc.nasa.gov/www/K-12/airplane/dragsphere.html

[5] Zgoren, Muammer & Dogan, Sercan & Okbaz, Abdulkerim & Sahin, Besir & Akilli, Huseyin. (2011). Untersuchung der Oberflächenrauheit der Strömungsstruktur um ein Gewässer. Internationale Luft- und Raumfahrtkonferenz in Ankara. September 2011

[6] Achenbach, E. (1971). Einfluss der Oberflächenrauheit auf die Querströmung um einen Kreiszylinder. Journal of Fluid Mechanics, 46(2), 321-335.

[7] Crouch, Timothy N.; Burton, David; LaBry, Zach A. und Blair, Kim B. „Riding Against the Wind: eine Überprüfung der Aerodynamik im Wettkampfradsport.“ Sports Engineering (Mai 2017).

AUTOREN

Erstautor – Nikolaas Van Riet, Berater für Radsport-Aerodynamik, ehemaliger Leiter der Windkanal-Testanlage im Bike Valley, N ikolaas.vanriet@gmail.com

Zweiter Autor – Greet Claes, Leiter für Forschung und Entwicklung bei NAQI, G.Claes@naqi.com