Snelheid en weerstand

1. Mechanische weerstand :

In tegenstelling tot wat velen denken is de mechanische weerstand van een goed onderhouden fiets totaal ondergeschikt aan de luchtweerstand, tenminste als je over snelheden praat van meer dan 20 km/h. De mechanische weerstand wordt bepaald de kwaliteit van de overbrenging. Een (goed onderhouden) ketting is hier met zijn rendement van 98% niet te verbeteren. Reeds vele ontwerpers hebben getracht om met tandriemen, cardanassen, hydraulische overbrengingen en andere vernuftige bedenksels deze simpele ketting te vervangen. Het is ze niet gelukt.

Een minimale kettingweerstand bereikt men door :

Tussenrollen moeten uiteraard goed gelagerd zijn. Daarnaast is ook hun diameter van belang : hoe groter hoe beter. De hoek waarover de ketting afgebogen wordt is niet van belang ! De wrijving doet zich immers voor op het draaipunt van de schakels, en dit is alleen bij het begin- en eindpunt waar de ketting zich op de rol legt. De mechanische weerstand is ongeveer evenredig met de snelheid .

2. De rolweerstand :

Wordt bepaald door de diameter van het wiel, het type band, het type wegdek en de druk in de band. De rolweerstand is ook evenredig met de snelheid. Het grootste deel van de rolweerstand (80%) wordt veroorzaakt door het vervormen van de band als hij in aanraking komt met het wegdek. Hieruit volgt dat deze vervorming zo klein mogelijk moet gehouden worden. Dit kan worden bereikt door een hoge druk (7 bar en hoger) en ook door een grotere wieldiameter. Daarnaast speelt de hardheid van het gebruikt rubber ook een rol. Uiteraard kiezen we voor slicks. Alle mogelijke noppen en insnijdingen geven toch alleen maar meer rubbervervorming en dus meer verlies. Maar ook hier geldt weer dat de rolweerstand maar een fractie bedraagt van de luchtweerstand !

3. De luchtweerstand :

De formule voor de luchtweerstand : F = A*Cw*Ro*V²/2

F = Kracht (N) ; A = Frontaal oppervlak (m²); Cw = Weerstandcoëfficient ; Ro = De luchtdichtheid (kg/m³) ; V= de snelheid (m/sek). Dit is voor een snelheidsfreak de formule die hij zeker niet mag vergeten ! Enkele richtwaarden voor het frontale oppervlak A, en de CW waarde en hun produkt A*CW :

Type voertuig A (m²) Cw A*Cw
Bukfietser ; rechtop 0.5 1 0.5
Triathlon fiets 0.34 0.9 0.31
Ligfiets ; lage racer 0.25 0.9 0.23
Moderne auto 1.8 0.30 0.54
Sportvliegtuig 5 0.12 0.60

Helaas, de Cw-waarde van een fietser is rampzalig ! Als je de A*Cw waarden vergelijkt, dan zie je dat een moderne auto evenveel luchtweerstand heeft als een bukfietser ! Opmerkelijk is dat de Cw-waarde van een sportvliegtuig slechts 0.12 bedraagt. Duidelijk is dat er met een stroomlijk zeer veel bereikt kan worden. Bram Moens claimt zelfs een Cw waarde kleiner dan 0.1 voor zijn laatste creatie. Ook een staartpuntje kan de Cw-waarde dadelijk naar 0.7 of 0.8 brengen.

Een tweede belangrijke factor is de luchtdichtheid Ro. Deze varieert met de temperatuur, de luchtdruk en de relatieve vochtigheid. De invloed van de vochtigheid is marginaal. De invloed van de temperatuur echter is niet te verwaarlozen : 15° temperatuurstijging geeft reeds 5% dichtheidsvermindering ! Ook de invloed van de luchtdruk is groot : de typische variatie hier is +/- 30 mbar, of +/- 3% dichtheidsverandering ! Als je voor een rekord gaat moet je dus een dag uitzoeken met een relatief hoge temperatuur, laten we zeggen 20° tot 25°C (niet te hoog, want dan daalt je afgegeven vermogen vanwege oververhitting van jezelf), en een diepe depressie, laten we zeggen 980 mbar. Helaas is er dan nog een derde eis, en dat is een minimale windsnelheid. Dit gaat meestal niet samen met een lage luchtdruk.

Welk vermogen hebben we nodig voor een bepaalde snelheid ?

Volgt weeral uit de eenvoudige formule : P = (Frol + Fmech + Flucht)*V. Omwille van de eenvoud gaan we de mechanische weerstand en de rolweerstand even vergeten. De formule wordt dan : P=Flucht*V= Cw*A*V*V*V/2

In een grafiekje heb ik even de vermogens voor drie verschillende fietstypes gezet :

Grafiek vermogen in functie van snelheid

Voor een vermogen geleverd van 200 Watt haalt de bukfietser ca 7m/sek, de triathlonfiets ca 9m/sek en de lage racer 12 m/sek. Om de snelheid in km/h te weten moet je vermenigvuldigen met 3.6. Een vermogen van 200 Watt kan een geoefend fietser gedurende langere tijd volhouden. Ook duidelijk te zien is het exponentioneel verband tussen snelheid en vermogen : voor een verdubbeling van de snelheid is het achtvoudige vermogen nodig !

Invloed van de wind

Wind speelt altijd in het nadeel, als men in aanmerking neemt dat men de plaats van vertrek terug wil bereiken. Men is meestal in de veronderstelling dat wat verloren wordt bij wind tegen, teruggewonnen wordt als men wind mee heeft. Dit is onjuist. Laten we even een eenvoudig rekenvoorbeeld nemen :

Windstil, een fietssnelheid van 30 km/h en een afstand van 30km heen en 30 km terug. Totale tijdsduur van de rit is dan 2 uur.

Windsnelheid van 10km/h, fietssnelheid van 20 km/h heen (wind tegen) en 40 km/h (wind mee) terug. Tijdsduur heen is dan 1 h 30 min, terug duurt dan 45 min. Totale tijdsduur : 2h en 15 minuten !

Helaas, maar zo is het. Dus voor een rekordpoging moet er ook zo weinig mogelijk wind zijn !

Back