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PERSÖNLICHER TRANSPORT: BODEN, WASSER, LUFT
Über die Effizienz des Fahrrads. Persönlicher Transport
Verzeichnis / Personenverkehr: Land, Wasser, Luft Die Effizienz eines Fahrrads ist sowohl biologisch als auch mechanisch sehr hoch. Die Forscher errechneten, dass ein Fahrrad gemessen an der Energiemenge, die ein Mensch für die Bewältigung einer bestimmten Strecke aufwenden muss, das effizienteste selbstfahrende Fahrzeug ist. Aus mechanischer Sicht werden bis zu 99 % der Energie von den Pedalen auf die Räder übertragen, wobei sich dieser Anteil durch den Einsatz einer Gangschaltung um 10–15 % reduzieren lässt. Gemessen am Verhältnis der Nutzlast, die ein Fahrrad tragen kann, zum Gesamtgewicht ist das Fahrrad auch das effizienteste Transportmittel für Güter. Energieeffizienz Eine Person, die mit niedrigen bis mittleren Geschwindigkeiten (16–24 km/h) Fahrrad fährt, verbraucht die gleiche Menge an Kraft, die zum Gehen benötigt wird, sodass das Fahrrad das energieeffizienteste verfügbare öffentliche Verkehrsmittel ist. Der Luftwiderstand, der ungefähr mit dem Quadrat der Geschwindigkeit zunimmt, erfordert mehr Leistung im Verhältnis zur Geschwindigkeit, da mit zunehmender Geschwindigkeit des Fahrrads die erforderliche Leistung kubisch zunimmt, da Leistung gleich Geschwindigkeit mal Kraft ist: P = F * v (Abb. 1.). Ein Fahrrad, bei dem sich der Fahrer in liegender Position befindet, wird Ligerad (alternativ auch Rickambent genannt) genannt. Wenn das Fahrrad über eine aerodynamische Verkleidung verfügt, mit der ein sehr geringer Luftwiderstand erreicht wird, wird es Streamliner genannt. Diagramm der erforderlichen Leistung gegenüber der Fahrradgeschwindigkeit
Auf einer harten, ebenen Fläche benötigt eine 70 kg schwere Person etwa 30 Watt Energie, um sich mit einer Geschwindigkeit von 5 km/h fortzubewegen. Dieselbe Person kann sich auf einem Fahrrad, auf derselben Oberfläche und mit derselben Kraft, mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 15 km/h fortbewegen, so dass der Energieverbrauch in kcal/(kg*km) etwa dreimal geringer ist. Die folgenden Zahlen werden üblicherweise verwendet: 1.62 kJ / (km * kg) zum Radfahren, 3.78 kJ / (km * kg) zum Gehen / Laufen, 16.96 kJ / (km * kg) zum Schwimmen. Amateurradfahrer können typischerweise über eine Stunde lang 3 W/kg entwickeln (z. B. etwa 210 W für einen 70 kg schweren Fahrer), die besten Amateure entwickeln 5 W/kg und Spitzensportler können über ähnliche Zeiträume 6 W/kg erreichen. Elite-Sprint-Bahnradfahrer können kurzzeitig Spitzenleistungen von etwa 2000 Watt oder mehr als 25 Watt/kg erreichen; Elite-Rennradfahrer können die Spitzenleistung kurzzeitig von 1600 Watt auf 1700 Watt steigern, um am Ende eines fünfstündigen Straßenrennens sofort ins Ziel zu kommen. Selbst bei moderaten Geschwindigkeiten wird die meiste Energie für die Überwindung des Luftwiderstands aufgewendet, der mit dem Quadrat der Geschwindigkeit zunimmt. Somit steigt die Kraft, die zur Überwindung des Luftwiderstands erforderlich ist, mit der Potenz der Geschwindigkeit. Typische Fahrradgeschwindigkeiten Typische Geschwindigkeiten für Fahrräder liegen zwischen 15 und 30 km/h. Mit einem schnellen Rennrad kann der durchschnittliche Fahrer für kurze Zeit auf ebenem Untergrund mit 50 km/h fahren. Die höchste offiziell gemessene Geschwindigkeit für ein durch Muskelenergie angetriebenes Fahrzeug beim Fahren auf ebener Fläche bei ruhigem Wetter und ohne fremde Hilfe (das heißt, es bewegte sich kein Auto oder Motorrad vor dem Fahrzeug) betrug 133,284 km/h. Dieser Rekord wurde 2009 von Sam Whittingham in Varna aufgestellt. Im Jahr 1989 durchquerte eine Gruppe muskelbetriebener Fahrzeuge bei einem Rennen quer durch Amerika die Vereinigten Staaten in nur sechs Tagen. Die offiziell gemessene Höchstgeschwindigkeit beim Fahrradfahren mit einem normal aufrecht stehenden Fahrer lag unter sonst gleichen Bedingungen bei 6 km/h über eine Distanz von mehr als 82,52 Metern. Dieser Rekord wurde 200 von Jim Glover auf einem „Multon AM1986“-Fahrrad beim dritten internationalen wissenschaftlichen Symposium für muskelbetriebene Fahrzeuge in Vancouver aufgestellt. Gewicht gegen Leistung In einem großen Wettbewerb ging es darum, das Gewicht von Rennrädern durch den Einsatz moderner Materialien und Komponenten zu reduzieren. Darüber hinaus verfügen moderne Laufräder über reibungsarme Lager und andere Funktionen zur Reduzierung des Luftwiderstands. In unseren Tests hatten diese Komponenten jedoch kaum oder gar keinen Einfluss auf die Leistung des Fahrrads beim Fahren auf ebener Straße. Beispielsweise hat die Reduzierung des Gewichts eines Fahrrads um 0,45 kg bei einem 40-km-Zeitfahren auf einer ebenen Straße den gleichen Effekt wie das Entfernen aller Vorsprünge, deren Profilfläche die Größe eines Bleistifts hat. Darüber hinaus legt der Internationale Radsportverband eine Grenze für das Mindestgewicht eines Fahrrads fest, das für Rennen zugelassen wird, um zu verhindern, dass Fahrräder so dünn werden, dass ihre Verwendung unsicher ist. Aus diesem Grund wurden bei der Entwicklung der neuesten Fahrradmodelle alle Anstrengungen darauf gerichtet, den Luftwiderstand durch die Verwendung aerodynamisch geformter Rohre, flacher Speichen an den Rädern und die Verwendung von Lenkern so zu reduzieren, dass sie der Position des Oberkörpers und der Hände des Fahrers entsprechen minimaler Luftwiderstand. Diese Änderungen können sich erheblich auf die Leistung auswirken und die Zeit zum Absolvieren der Distanz verkürzen. Weniger Gewicht führt zu einer großen Zeitersparnis beim Bergauffahren in hügeligem Gelände. Kinetische Energie eines sich drehenden Rades Betrachten Sie die kinetische Energie und die „rotierenden Massen“ eines Fahrrads, um den Einfluss der Rotationsenergie auf nicht rotierende Massen zu untersuchen. Die kinetische Energie eines Objekts in Translationsbewegung wird durch die Formel bestimmt E = 0.5 mV2 Wobei E – Energie in Joule, m – Masse in Kilogramm, v – Geschwindigkeit, m/s. Für rotierende Massen (zum Beispiel für ein Rad) ist die kinetische Rotationsenergie definiert als E=0.5Iω2 Dabei ist I das Trägheitsmoment und ω die Winkelgeschwindigkeit im Bogenmaß pro Sekunde. Für ein Rad, dessen gesamte Masse am Außenrand liegt (wir verwenden diese Näherung für ein Fahrradrad), beträgt das Trägheitsmoment Ich = 0.5 mr2 Wobei r der Radius in Metern ist. Die Winkelgeschwindigkeit hängt von der Vorwärtsgeschwindigkeit und dem Reifenradius ab. Liegt kein Schlupf vor, wird die Winkelgeschwindigkeit nach folgender Formel bestimmt: ω=v/T Wenn sich rotierende Massen entlang der Straße bewegen, ist die gesamte kinetische Energie gleich der Summe der kinetischen Energie der Translations- und Rotationsbewegungen: E = 0.5 mV2 + 0.5Iω2 Durch Einsetzen von I und ω in den vorherigen Ausdruck erhalten wir E = 0.5 mV2 +0.5 mr2 *v2/r2 Der Term r2 kürzt sich heraus, und als Ergebnis erhalten wir den Ausdruck E = 0.5 mV2 +0.5 mV2 = mw2 Mit anderen Worten: Die kinetische Energie der rotierenden Massen der Räder ist doppelt so groß wie die Energie der stationären Massen des Fahrrads. An dem alten Sprichwort „Ein Pfund von den Rädern entspricht 2 Pfund vom Rahmen“ ist etwas Wahres dran. Dies hängt natürlich alles davon ab, wie genau der dünne Reifen ein ungefähres Modell eines Fahrradlaufrads darstellt. Tatsächlich kann nicht die gesamte Masse in der Felge konzentriert werden. Zum Vergleich: Das andere Extrem wäre ein Rad, dessen Masse gleichmäßig über die gesamte Scheibe verteilt ist. In diesem Fall ist I = 0.5mr2, und daher wird die gesamte resultierende kinetische Energie gleich E = 0.5 mv2 +0.25 mV2 = 0.75 mV2. Eine Reduzierung des Radgewichts um ein Kilogramm entspricht einer Gewichtsreduzierung des Fahrradrahmens um 1,5 kg. Die Parameter der meisten Räder echter Fahrräder liegen irgendwo in der Mitte zwischen diesen beiden Extremen. Eine weitere interessante Erkenntnis aus dieser Gleichung ist, dass bei Fahrradrädern, die beim Bewegen nicht durchrutschen, die kinetische Energie unabhängig von ihrem Radius ist. Mit anderen Worten: Der Vorteil von 650-mm-Rädern liegt in ihrem geringen Gewicht und nicht in ihrem kleineren Durchmesser, wie oft behauptet wird. Die kinetische Energie der anderen rotierenden Massen am Fahrrad ist im Vergleich zur kinetischen Energie der Räder sehr klein. Wenn Sie beispielsweise mit etwa einem Fünftel der Geschwindigkeit der Räder in die Pedale treten, beträgt ihre kinetische Energie etwa 1/5 (pro Gewichtseinheit) der Energie der Räder. Da sich ihr Massenschwerpunkt auf einem kleineren Radius bewegt, verringert sich ihre Energie weiter. In Kilokalorien umrechnen Angenommen, ein sich drehendes Rad kann man sich als die Summe der Massen von Felge und Reifen plus weitere 2/3 der Masse der Speichen vorstellen, dann ist dies alles auf der Felge/dem Reifen zentriert. Für einen 82 kg schweren Fahrer auf einem 8 kg schweren Fahrrad (Gesamtgewicht beträgt 90 kg) bei 40 km/h beträgt die kinetische Energie 5625 Joule für den Fahrer plus 94 Joule für durchdrehende Räder (1,5 kg ist das Gesamtgewicht der Felgen, Reifen und Speichen). Wenn wir Joule in Kilokalorien umrechnen (dazu müssen Sie die Joule mit 0,0002389 multiplizieren), erhalten wir 1,4 Kcal (das sind Lebensmittelkalorien). Diese 1,4 kcal sind die Energiemenge, die benötigt wird, um das Fahrrad aus dem Stand zu beschleunigen, bzw. die beim Bremsen bis zum Stillstand als Wärme abgegeben wird. Diese 1,4 Kilokalorien reichen aus, um 1 kg Wasser um 1,4 Grad Celsius zu erhitzen. Da die Wärmekapazität von Aluminium 21 % der von Wasser beträgt, reicht diese Energiemenge aus, um eine 800 Gramm schwere Felge aus einer Aluminiumlegierung bei einem Schnellstopp um 8 °C zu erhitzen. Beim Anhalten auf einer ebenen Straße werden die Felgen nicht sehr heiß. Um den Energieverbrauch eines Radfahrers zu berechnen, wird der Wirkungsgrad mit 24 % angenommen. Daraus ergibt sich, dass 5,8 kcal erforderlich sind, um das Fahrrad und den Fahrer auf eine Geschwindigkeit von 40 km/h zu beschleunigen, was etwa 0,5 % der zum Fahren benötigten Energie erfordert mit einer Geschwindigkeit von 40 km/h. h für eine Stunde. Dieser Energieaufwand erfolgt in 15 Sekunden mit einer Rate von etwa 0,4 kcal pro Sekunde, während bei konstanter Fahrt mit 40 km/h 0,3 Kilokalorien pro Sekunde erforderlich sind. Vorteile von Leichtlaufrädern Der Vorteil von leichten Fahrrädern und insbesondere von leichten Laufrädern in Bezug auf die kinetische Energie besteht darin, dass die kinetische Energie erst dann ihre Wirkung entfaltet, wenn sich die Geschwindigkeit des Fahrrads ändert. Daher gibt es zwei Fälle, in denen leichte Laufräder von Vorteil sind: beim Sprinten und beim Verhandeln enge Kurven. im Kriterium. Bei einem 250-m-Sprint bei einer Geschwindigkeit von 36 bis 47 km/h, mit einem Gewicht von Fahrrad und Sportler von 90 kg, plus weiteren 1,75 kg Laufradgewicht (Felgen, Reifen, Speichen), erhöht sich die kinetische Energie um 6360 Joule (6,4 ,500 kcal). Wenn wir das Gesamtgewicht von Felgen, Reifen und Speichen um 35 g reduzieren, verringert sich diese kinetische Energie um 1 J (1,163 kcal = 500 Wattstunden). Die Auswirkung dieser Gewichtseinsparungen auf die Geschwindigkeit oder die zurückgelegte Strecke ist ziemlich schwer zu berechnen. Man muss die vom Sportler entwickelte Kraft und die Länge der Sprintdistanz kennen. Berechnungen zeigen, dass eine Reduzierung des Gewichts der Räder um 0,16 Gramm dem Sprinter einen Zeitgewinn von 188 Sekunden und einen Gewinn an zurückgelegter Strecke von 0,05 cm beschert. Wenn die Räder aerodynamisch gestaltet sind, beträgt der Gewinn 40 km/h. h bei einer Geschwindigkeit von 0,6 km/h ist der Vorteil der Gewichtsreduzierung im Vergleich zum Vorteil der aerodynamischen Form der Räder vernachlässigbar. Im Vergleich dazu erzielen die besten aerodynamischen Laufräder eines Fahrrads einen Vorsprung von etwa 40 km/h bei einer Geschwindigkeit von 500 km/h. Bei einem Sprint lohnt es sich also, einen Satz aerodynamischer Laufräder mit einem Gewicht von XNUMX g oder weniger zu verwenden. Bei einem Kriterium (Gruppenrundenrennen) beginnt der Fahrer häufig nach dem Passieren jeder Kurve schnell zu beschleunigen. Wenn der Radfahrer vor jeder Kurve bremsen muss (anstatt im Leerlauf zu bremsen), geht die kinetische Energie, die bei jeder Beschleunigung hinzugefügt wird, beim Bremsen als Wärme verloren. Bei einem Rennkriterium auf flachem Gelände mit 40 km/h, einer Runde von 1 km Länge und 4 Kurven pro Runde beträgt der Geschwindigkeitsverlust bei jeder Kurve 10 km/h. Die Dauer des Rennens beträgt eine Stunde, das Gewicht des Fahrers beträgt 80 kg, das Fahrrad 6.5 kg, die Felgen, Räder und Speichen wiegen 1.75 kg, bei diesem Rennen müssen 160 Kurven überwunden werden. Dies erfordert zusätzliche 387 kcal gegenüber den 1100 kcal, die erforderlich sind, um mit konstanter Geschwindigkeit über die gleiche Strecke zu fahren. Durch die Gewichtsreduzierung der Räder um 500 g verringert sich der Gesamtenergieverbrauch der Karosserie um 4,4 kcal. Wenn das Hinzufügen zusätzlicher 500 g Gewicht zu den Rädern zu einer Reduzierung des Luftwiderstands um 0,3 % führt (was einer Geschwindigkeitssteigerung von 0,03 km/h bei einer Fahrt mit 40 km/h entspricht), dann muss der Kalorienverbrauch zum Ausgleich des zusätzlichen Gewichts erhöht werden wird durch eine Verringerung des Luftwiderstands ausgeglichen. Auch beim Bergauffahren können leichtere Laufräder einen großen Unterschied machen. Sie können sogar einen Ausdruck wie „Diese Räder haben die Geschwindigkeit um 0,5 bis 1 km/h erhöht“ usw. hören. Aus der Formel zur Leistungsberechnung folgt, dass 450 Gramm eingesparte Masse eine Geschwindigkeitssteigerung von 0,1 km/h ergeben Bei einer Bergauffahrt mit 4° Steigung und einer Gewichtsersparnis von 1,8 kg ergibt sich für einen leichten Sportler eine Geschwindigkeitssteigerung von nur 0,4 km/h. Was ist also der wesentliche positive Effekt der Gewichtsreduzierung der Räder? Einige behaupten, dass es keine Einsparungen gibt, sondern dass es einen „Placebo-Effekt“ gibt. Es wurde auch vermutet, dass die Geschwindigkeitsänderung bei jedem Pedaltritt beim Bergauffahren den daraus resultierenden Vorteil erklärt. Allerdings wird bei Geschwindigkeitsänderungen Energie gespart – während der Tretphase beschleunigt das Fahrrad leicht, während sich kinetische Energie ansammelt, und in den „toten Zonen“ während des Tretens am höchsten Punkt des Hubs wird das Fahrrad langsamer, so dass kinetische Energie wird wiederhergestellt. Somit kann eine Erhöhung der rotierenden Masse die Schwankung der Fahrradgeschwindigkeit etwas verringern, erhöht jedoch nicht den Bedarf an zusätzlicher Energie. Leichtere Fahrräder steigen leichter, aber der Effekt der „rotierenden Masse“ ist nur beim schnellen Beschleunigen ein Problem und selbst dann ist er gering. Erklärungen Mögliche technische Erklärungen für die vielfach behaupteten Vorteile von Leichtbaukomponenten im Allgemeinen und Leichtbaurädern im Besonderen sind folgende: 1. Leichtgewichtige gewinnen bei Rennen mit erheblichen Anstiegen, weil schwerere Fahrräder den Energieverlust bergab oder flach nicht ausgleichen können: Der Fahrer auf dem leichteren Fahrrad rollt einfach aus. Wenn außerdem zwei identische Radfahrer auf einem schweren und einem leichten Fahrrad nach dem Aufstieg zur Ziellinie gleichzeitig den Tiefpunkt erreichen, geht der gesamte Vorteil auf das leichte Fahrrad über. Dies ist bei hügeligen Zeitfahren (oder Solofahrten) nicht der Fall, wo der Vorteil schwererer, aber aerodynamischerer Räder die bei Anstiegen verlorene Distanz leicht ausgleicht. 2. Leichte Fahrräder gewinnen Sprints, weil sie leichter zu beschleunigen sind. Beachten Sie jedoch, dass schwerere Aero-Räder zu erheblichen Geschwindigkeitsgewinnen führen und der Sprinter während eines Großteils des Rennens etwas beschleunigt, den größten Teil seiner Anstrengung jedoch auf die Überwindung des Luftwiderstands verwendet. In vielen Sprintsituationen können schwerere, aber aerodynamischere Laufräder zum Sieg beitragen. 3. Geringes Gewicht bietet einen Kriteriumsvorteil aufgrund der konstanten Beschleunigung nach jeder Kurve. Die schwereren, aber aerodynamischeren Laufräder bieten einen leichten Vorteil, da die Fahrer die meiste Zeit in einer Gruppe unterwegs sind. Die Energieeinsparungen durch leichte Laufräder sind minimal, können jedoch erheblich sein, da die Beinmuskeln bei jedem Treten zusätzliche Anstrengungen unternehmen müssen. Es gibt zwei „nichttechnische“ Erklärungen für den Leichtgewichtseffekt. Erstens gibt es den Placebo-Effekt. Da der Radfahrer das Gefühl hat, auf einem besseren (leichteren) Fahrrad zu sitzen, tritt er stärker in die Pedale und fährt daher schneller. Die zweite, nicht-technische Erklärung ist der Triumph der Hoffnung über die Erfahrung des Radfahrers – denn das geringere Gewicht des Fahrrads erhöht seine Geschwindigkeit nicht wesentlich, der Radfahrer glaubt jedoch, schneller zu fahren. Manchmal ist dies auf einen Mangel an realen Daten zurückzuführen, etwa wenn ein Radfahrer mit seinem alten Fahrrad zwei Stunden brauchte, um einen Hügel zu erklimmen, mit seinem neuen Fahrrad schaffte er es jedoch in 01:50. Faktoren wie die Passform des Radfahrers auf dem Fahrrad während dieser beiden Anstiege, ob das Wetter heiß oder windig war, aus welcher Richtung der Wind wehte, wie sich der Fahrer fühlte usw. werden nicht berücksichtigt. Eine andere Erklärung könnten natürlich die Marketingvorteile sein, die mit der Förderung der Idee der Gewichtsabnahme verbunden sind. Schließlich ist das Argument „erhöhter Muskelenergieverbrauch“ das einzige, das die angeblichen Vorteile leichterer Laufräder in Situationen untermauern kann, in denen eine schnelle Beschleunigung erforderlich ist. Dieses Argument müsste besagen, dass, wenn der Radfahrer bei jedem Ruck oder jedem Pedaltritt bereits an der Leistungsgrenze ist, die geringe zusätzliche Kraft, die zum Ausgleich des zusätzlichen Gewichts erforderlich ist, eine erhebliche physiologische Belastung darstellen würde. Es ist nicht klar, ob diese Aussage wahr ist, aber sie ist die einzige Erklärung für die behaupteten Vorteile der Radgewichtsreduzierung (im Vergleich zur Gewichtsreduzierung für den Rest des Fahrrads). Bei diesen Beschleunigungen macht es keinen Unterschied, ob die Laufräder um ein halbes Kilogramm oder das Gewicht von Rad und Sportler um ein Kilogramm leichter geworden sind. Das Wunder leichter Laufräder (im Vergleich zur Gewichtsreduzierung in jedem anderen Teil des Fahrrads) ist kaum zu erkennen.
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