Wielrennen: hoe hard kun je?

Onderwerp: Aerodynamica, Kracht en beweging, Onderzoek doen
Begrippen: Kracht, Snelheid

Drommen mensen verdringen zich achter de dranghekken. De race kan beginnen! In augustus 2022 zal in Utrecht het startsein klinken voor de tijdrit van de Vuelta – de ronde van Spanje. Mooi om te zien hoe wielrenners bij wedstrijden alles uit de kast halen om te winnen. Wat kunnen ze allemaal doen om de winst te pakken? En hoe weten ze dat?

Rondom wielrennen – en veel andere sporten – is een complete wetenschap ontstaan. Op topniveau worden kosten noch moeite gespaard om houding, fiets en wielrenkleding te optimaliseren. Maar hoe weet je wat leidt tot de beste prestaties? Wat is de bijvoorbeeld de beste houding en wat is de rol van kleding en fietshelm? Allemaal vragen die onderzoek vergen. Onderzoek waarbij heel wat natuurkunde komt kijken!

Wielrenners
Figuur 1: Wielrenners tijdens een wielerwedstrijd. Bron: Pixabay.

Luchtweerstand en stroming

Zo hard mogelijk fietsen begint bij het verkleinen van de luchtweerstand. Fietsen wielrenners 50 kilometer per uur op een vlakke weg, dan is de luchtweerstand verantwoordelijk voor ongeveer 90% van de totale weerstand die ze ondervinden. Hoe kleiner dus de luchtweerstand op de wielrenner, hoe beter. De luchtweerstand (Fw) hangt af van de luchtdichtheid (ρ), de snelheid (v) van de renner, het frontale oppervlak (A) en de weerstandscoëfficiënt (Cw).

$F_{w} = \frac{1}{2}\cdot \rho \cdot A\cdot C_{w}\cdot v^{2}$

Op de luchtdichtheid, die varieert afhankelijk van temperatuur en luchtdruk, heb je geen invloed. Wel heb je tot op zeker hoogte invloed op het frontale oppervlak van jezelf en je fiets. Deze wil je het liefst zo klein mogelijk hebben. De weerstandcoëfficiënt zegt iets over hoe goed de lucht langs je lichaam en de fiets stroomt. Voor een optimale rit moet alles goed gestroomlijnd – oftewel aerodynamisch – zijn.

Onderzoek windtunnel

Hoe beoordeel je nu hoe groot de luchtweerstand is als gevolg van je fiets, houding, kleding en helm? Dat kan door onderzoek te doen in een windtunnel. In een windtunnel kan de wielrenner – of een nagemaakt model hiervan – op een gemonteerde fiets zitten of ‘fietsen’. Ventilatoren blazen vervolgens lucht met een gecontroleerde snelheid hier doorheen. Met een balans kun je dan meten hoe groot de kracht op de wielrenner is. Zo testen ze bijvoorbeeld verschillende lichaamshoudingen, maar ook wielrenkleding en helmen.

Figuur 2: Hoe maak je als wielrenner je frontale oppervlak echt heel klein? Dat zie je hier! Bron: YouTube.

Uit de wind

Niet alleen het effect van een enkele renner op de luchtweerstand telt. Het maakt ook uit of er voor of achter de wielrenner iemand fietst. De luchtweerstand is namelijk lager als er iemand voor je fietst. Dit voordeel gebruiken renners bij grote tourritten: zo houden ze elkaar in het peloton uit de wind.

Maar ook als er iemand achter je rijdt, kun je hier voordeel van hebben. Als je alleen rijdt, ontstaat achter je een gebied met onderdruk, waardoor je licht naar achteren wordt getrokken. Fietst er iemand direct achter je, dan is de onderdruk minder. Ook dit kun je testen in een windtunnel. Zo kun je zelfs de beste volgorde van wielrenners bepalen voor een tijdrit!

Ring of fire

Meten in een ‘gewone’ windtunnel levert veel interessante inzichten op. Toch sluit de situatie niet helemaal aan bij de werkelijkheid. De fietser kan hierin niet echt fietsen of bochten maken. Je meet alleen aan een stilstaande en dus statische situatie. Ook de luchtcondities zijn anders dan in werkelijkheid.

Dat bracht onderzoekers bij de TU Delft in 2015 op het idee om een nieuw type windtunnel te ontwikkelen, waarmee wel in een echte situatie gemeten zou kunnen worden. Eerst bouwden onderzoekers een testopstelling. Hierin maakten ze de luchtstroming rond een eenvoudig object – een bol – zichtbaar door een wolk van zeepbelletjes die met een laser verlicht werd. Het meetprincipe bleek te werken. Vervolgens ontwierpen ze een mobiele windtunnel die ze konden opbouwen op een trainingslocatie. Ze noemden het de ‘Ring of Fire’ een verwijzing naar de brandende hoepel waar leeuwen in het circus doorheen springen, hier fietsen wielrenners door een verlichte belletjeswolk.

Wielrennen door de Ring of Fire
Figuur 3: Renners rijden door de ring of fire. Bron: TU Delft.

Met de Ring of Fire doen onderzoekers nu metingen in reële trainingssituaties. De renners fietsen door de tunnel, waarna uit metingen van de luchtstroming de weerstand berekend kan worden.  Metingen met de Ring of Fire geven een veel beter beeld van de werkelijke situatie tijdens een tourrit. Geen wonder dat de sportwereld enthousiast is over deze handige meetmethode!

Met dank aan Wouter Terra