De gestroomlijnde fiets: aerodynamica onbemind maar toch belangrijk


In het vorig artikel leerden we hoe ons wereldbeeld beïnvloed werd door informatie die we al dan niet kregen, of die door de media werd geselecteerd. Nu bekijken we de zaak langs de wetmatige kant: we analyseren een wetmatigheid, een natuurwet, die als fysische formule is gedefinieerd en we trekken onze conclusies daaruit.

Een natuurwet is per definitie een wet die opgesteld is aan de hand van nauwkeurige waarnemingen die op hun beurt zijn omgezet in een bruikbare vorm. In het beste geval is dit een formule.

Luchtweerstand

Het werd al even aangehaald: bij het fietsen heeft men te maken met een algemeen gekend fenomeen dat door de meerderheid van de mensen nogal eens verkeerd wordt ingeschat: de weerstand van de lucht.

Toch is dit een veelvuldig onderzocht probleem dat nauwkeurig in een natuurwet in formulevorm is gegoten. De kracht F die de lucht uitoefent op een voorwerp in beweging is bij benadering:

waarin:

F = kracht die de weerstand op het voorwerp uitoefent tijdens de beweging [N]

?

v = snelheid ten opzichte van het medium waarin het zich bevindt [m/s]

A = geprojecteerde oppervlakte van het voorwerp loodrecht op de bewegingsrichting [m²]

Cw = weerstandscoëfficiënt [-]

Wanneer we deze formule wat nader bekijken, blijken er een aantal mogelijkheden te zijn om de kracht voor het fietsen te verminderen. De verschillende factoren in deze formule worden met elkaar vermenigvuldigd; daarom zal elke factor die we kunnen verkleinen, de benodigde kracht verkleinen. Laten we deze even overlopen:

Men kan in het luchtledige fietsen, daar is de dichtheid ?

De volgende mogelijkheid is de snelheid v verlagen, maar dat is ook geen optie want daar willen we nu net aan werken. De snelheid is trouwens een kwadratische factor: dit heeft als gevolg dat de berekende kracht oploopt met het kwadraat de snelheid. Hierdoor worden de verschillen in fysieke mogelijkheden van de sporter minder uitgesproken afgelezen uit de topsnelheid van de fietser. Om nog een beetje sneller te kunnen rijden moet je relatief veel meer arbeid leveren.

Vervolgens komen we bij A, de geprojecteerde oppervlakte. Als fietser probeer je deze factor deels met enig automatisme te verbeteren, zeker bij wat snelheid of met wind op kop. Voorover gebogen met het hoofd vooruit probeer je het frontaal oppervlak zo klein mogelijk te maken. Echter de fiets en de houding erop zijn hierbij beperkende factoren. A zal nooit in de buurt van nul geraken want ons lichaam heeft nu eenmaal een bepaalde omvang en daar komen we niet onderuit. Maar we kunnen ons wel zodanig positioneren dat A een heel stuk kleiner wordt. Dat is één van de beweegredenen om een ligfiets te overwegen.

= dichtheid van de stof waarin het voorwerp zich voortbeweegt [kg/m³] (rho) = 0 en wordt de ganse formule gelijk aan 0. Spijtig genoeg is dat enkel weggelegd voor kosmonauten, astronauten en marsmannetjes. We kunnen de lucht niet vervangen door iets anders, dus dit is een vaste factor. De enige mogelijkheid om deze factor te beïnvloeden is door op hoge hoogte of bij lage luchtdruk te fietsen, dan is ? wat lager. Vandaar de recordpogingen van menig sporter op grotere hoogten. Records breken bij lage luchtdruk op zee niveau is zeer moeilijk omdat er in een lagedrukgebied al snel te veel wind ontstaat om een record geldig te laten zijn.

Dan rest ons nog te onderzoeken wat we met Cw kunnen doen. Cw is de weerstand die een voorwerp genereert wanneer het door een medium, in dit geval lucht, beweegt. Een gestroomlijnd voorwerp heeft een lagere weerstand dan een niet gestroomlijnd voorwerp. In de literatuur vinden we de volgende gegevens:

 

Er blijkt nogal wat verschil te zitten in de weerstandscoëfficiënt. Bij het I-profiel halen we met gemak een factor 2, een kogel of bal haalt 0.47 en hoger terwijl we bij vleugelprofielen lager dan 0.1 kunnen gaan. De vorm maakt een factor 20 verschil in de kracht bij een gelijke snelheid.

Wil je de luchtweerstand bij het fietsen verkleinen dat staan je twee dingen te doen: verklein het frontaal oppervlak en verminder de weerstand. Dit is precies wat men heeft gedaan bij het ontwerpen van de velomobiel. Een snelle velomobiel heeft van boven gezien een zo perfect mogelijke benadering van de theoretisch ideale vleugelvorm.

Het gevolg is een zeer lage waarde voor Cw bij een comfortabel volume, dat vervolgens resulteert in een redelijke waarde voor A.

Een normaal buizenframe van een fiets heeft een Cw die al snel het tienvoud is van het vleugelprofiel

De waarden in de afbeelding hiernaast tonen ons dat een stukje buis met een diameter 25 mm en een lengte van 250 mm een Cw heeft van 0.82 terwijl een vleugelprofiel met verhouding 3 naar 0.1 gaat.

Daarbij komt, dat er ook nog een fietser op de fiets zit en dat alle accessoires hun eigen aandeel in de weerstand opeisen. Geen wonder dat u zich vermoeit en dat er al snel (of beter gezegd: redelijk traag fietsend) een limiet komt aan uw topsnelheid! Bedenk daarbij dat de weerstand met het kwadraat van de snelheid toeneemt en je weet dat je als gewone (race)fietser geen schijn van kans hebt tegen de aërodynamische vorm van een goede velomobiel. Een vuistregel is dat je met een goede velomobiel 25% sneller bent dan met een racefiets.

Om over na te denken.

Met de auto is een gemiddelde snelheid voor woon/werkverkeer van 60 km/h helemaal niet zo slecht. Dat is amper het dubbele van wat je met een velomobiel op een goed fietspad kan halen. De auto heeft daarvoor gewoonlijk meer dan 100 kW of 100.000 W aan vermogen aan boord. Een fietser kan ongeveer 250 W leveren. Het vermogen van je auto is dus maar liefst 400 x groter dan dat van een fietser. Een auto verbruikt minimaal 5 l/100km of 1/20 benzine. De energie-inhoud van benzine is ongeveer 32 MJ/liter of 47 MJ/kg. Dat komt overeen met 8,9 kWh elektrische energie per liter. Met deze 8.9 kWh kan je dus 20 km rijden met je auto. Met een velomobiel kan je 20 km op een half uur doen en dan heb je 0.125 kW/h verbruikt: dat is een verhouding van 1/70. Stel dat ons lichaam met een rendement van 50% voeding kan omzetten in energie, dan zakt de verhouding tot 1/35 waaruit je moet besluiten dat een verplaatsing met de wagen toch niet ze erg economisch is.

 

Besluit

De wetten van de aërodynamica lijken voor veel mensen iets moeilijks dat ze in het dagelijks leven niet nodig hebben. Maar een vereenvoudigde formule blijkt toch redelijk begrijpbaar en toepasselijk in het dagelijks leven.

Alleen al voor een fietser zijn er niet onbelangrijke voordelen te halen met wat basiskennis van de natuurwetten van de aërodynamica. Natuurwetten zijn opgesteld aan de hand van experimenten. Ze leren ons hoe de wereld werkt. Ze leren ons tevens wat kan en wat niet kan, wat moeilijk gaat en wat gemakkelijk gaat. Een juiste kennis van de natuurwetten kan ons wereldbeeld dus heel wat dichter bij de waarheid brengen.

Dit principe kan doorgetrokken worden voor alle natuurwetten. Natuurwetten worden opgesteld aan de hand van herhaalbare proeven. Meestal worden ze zover uitgewerkt dat ze omgezet zijn in formulevorm zodat ingenieurs ze kunnen gebruiken voor het berekenen en ontwerpen van goed werkende ontwerpen. De formules uit de aërodynamica worden gebruikt om vliegtuigen te ontwerpen. Dat vliegtuigen hun werk goed kunnen doen, hoeft niet meer gezegd. Dagelijks zijn er duizenden vluchten die hun passagiers en lading veilig ter bestemming brengen.

Natuurwetten zijn daarom een zeer solide basis voor uw wereldbeeld, ze zijn een abstractie van de waarheid. Een goede kennis van de natuurwetten kan helpen bij wat u dagelijks doet, bij het overdenken van bepaalde gebeurtenissen, of ze kunnen u helpen bij het ontwerpen van apparaten die u het leven aangenamer kunnen maken. Met wat we in dit artikel besproken hebben, wordt uw rijgedrag misschien veranderd, mogelijk laat je de auto een keer meer staan...

Opmerking

De formule voor de aërodynamische kracht op een voorwerp die wij hier bespraken is een vereenvoudigde vorm waarin men er van uitgaat dat er geen turbulenties in de lucht voorkomen.