Wie schnell kann ein Mensch Rad fahren?

Der britische Radrennfahrer Neil Campbell stellte vor kurzem einen neuen Rekord für das "schnellste Fahrrad im Windschatten" der Männer auf, indem er eine atemberaubende Geschwindigkeit von 280 km/h erreichte.

Neil Campbells rekordverdächtige LeistungBei diesem Rekord geht es darum, einen Radfahrer im Schlepptau eines Zugfahrzeugs auf Geschwindigkeit zu bringen, dann das Fahrrad loszulassen und die Zeit des Fahrers über eine Strecke von 200 Metern zu messen. Der Gesamtrekord liegt bei 296 km/h und wurde im September 2018 von Denise Mueller-Korenek aufgestellt, die von einem Dragster auf den Bonneville Salt Flats in Utah abgeschleppt wurde. Doch inwieweit sind diese hohen Radfahrgeschwindigkeiten auf die menschliche Leistung zurückzuführen? Braucht es einen überragenden Athleten, um diese Geschwindigkeit nach dem Loslassen aufrechtzuerhalten, oder erledigt das Fahrzeug die ganze harte Arbeit? Und wenn ja, bedeutet das, dass noch schnellere Rekorde möglich sind? Wenn wir die Energiezufuhr und den Energiebedarf für Campbells neuen Rekord bei den Männern betrachten, können wir die relativen Beiträge von Mensch und Maschine besser einschätzen. Bei diesem Rekord stammt die Energie sowohl aus der Verbrennung des Kraftstoffs im Auto als auch aus der menschlichen Kraft. Die zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Geschwindigkeit erforderliche Leistung hängt von der Widerstandskraft ab, die der Vorwärtsbewegung des Fahrers entgegenwirkt. Auf einer flachen Strecke mit konstanter Geschwindigkeit gibt es zwei Schlüsselkomponenten:

• Luftwiderstand, auch als aerodynamischer Widerstand bezeichnet
• Rollwiderstand, der im Wesentlichen die Reibung zwischen Rädern und Straße, die Reibung in den Radlagern und die Effizienz der Kraftübertragung von den Pedalen über die Kette auf die Räder umfasst.

Entscheidend ist, dass der Luftwiderstand mit dem Quadrat der Luftgeschwindigkeit zunimmt, d. h. er steigt mit zunehmender Geschwindigkeit sehr schnell an. Der Rollwiderstand hingegen nimmt linear mit der Geschwindigkeit zu, d. h. er steigt mit zunehmender Geschwindigkeit viel weniger schnell an. Benjamin Thiele, leitender Systemingenieur des Monash Human Power Teams an der Monash University, erklärt dies folgendermaßen:

Wenn Sie schnell fahren wollen und die Möglichkeit haben, eine der Widerstandskräfte aus der Physik auszuschließen, wäre es ratsam, die aerodynamische Komponente zu entfernen.

Zum Vergleich: Im Bahnradsport der Spitzenklasse (wo es natürlich keine Autos gibt, hinter denen man sich verstecken kann!) macht der Luftwiderstand in der Regel etwa 95 % der gesamten Widerstandskraft aus. Das Zugfahrzeug bei Campbells Rekordversuch half ihm also in zweierlei Hinsicht. Erstens brachte es ihn auf Geschwindigkeit und verringerte so seinen Energieaufwand beim Beschleunigen. Zweitens beseitigte die Windschattenanlage des Fahrzeugs (im Grunde eine Mischung aus Spoiler und Zelt, hinter dem Campbell sich während der Fahrt positionierte) einen Großteil des Luftwiderstands, der sonst bei solch schwindelerregenden Geschwindigkeiten unüberwindbar geworden wäre. Durch das Fahren im Kielwasser des Fahrzeugs erfährt der Fahrer sowohl niedrige relative Windgeschwindigkeiten als auch einen geringen aerodynamischen Widerstand. Wenn der Fahrer richtig positioniert ist, kann der Luftstrom im Kielwasser des Fahrzeugs sogar eine aerodynamische Vortriebskraft erzeugen - das Fahrzeug "zieht" also Luft hinter sich her, und der Fahrer kann so mitgesaugt werden. Wie sieht es mit den körperlichen Anforderungen aus, wenn die Geschwindigkeit nach dem Abschleppen beibehalten werden soll? Das hängt in erster Linie von der Größe des verwendeten Getriebes und dem Rollwiderstand ab, der überwunden werden muss. Nach meinen Berechnungen und unter der Annahme, dass der Luftwiderstand hinter dem Abschleppwagen vernachlässigbar ist, würde das Erreichen einer Geschwindigkeit von 300 km/h (der nächste große Meilenstein für die Windschattenrekorde der Männer und Frauen) erfordern, dass der Fahrer eine Leistung von 600 bis 700 Watt für die 2,4 Sekunden aufrechterhält, die er braucht, um die 200 m lange Zeitfalle zu durchfahren. Das scheint machbar zu sein, wenn man bedenkt, dass die Fahrer der Tour de France eine ganze Minute lang oder länger mehr als 1.000 Watt leisten können. Das Zugfahrzeug ist also der entscheidende Faktor und nicht die körperliche Leistung des Fahrers. Wenn der Fahrer aus dem Windschatten herausfährt, nachdem er mit bis zu 300 km/h geschleppt wurde, liegt der Energiebedarf zur Aufrechterhaltung dieser Geschwindigkeit in der Größenordnung von 100 Kilowatt - das entspricht in etwa der Leistung eines leistungsstarken Motorrads!

Wie sieht es mit Rekorden beim Radfahren ohne fremde Hilfe aus?

Angesichts der entscheidenden Bedeutung der Überwindung des Luftwiderstands ist es nicht verwunderlich, dass Elite-Radsportteams so viel in die Forschung und Entwicklung der Aerodynamik investieren. In der Tat ist die Aerodynamik herkömmlicher Fahrräder und Fahrpositionen alles andere als optimal. Dies wird deutlich, wenn man die auf herkömmlichen Fahrrädern erreichten Geschwindigkeiten mit denen eines "verkleideten Liegerades mit menschlichem Antrieb" vergleicht. Dabei handelt es sich um ein modifiziertes Fahrrad, auf dem der Fahrer in liegender Position mit den Pedalen vorne in einer aerodynamischen Verkleidung, der so genannten "Fairing", sitzt.

Der Geschwindigkeitsrekord für ein solches Fahrzeug über eine Strecke von 200 m liegt derzeit bei 144 km/h. Das ist etwa doppelt so schnell wie die Spitzengeschwindigkeiten, die bei Sprints im Velodrom auf einem herkömmlichen Bahnrad erreicht werden. David Burton, Leiter der Windkanal-Forschungseinrichtung der Monash University, sagt, dass der Elite-Radsport "die niedrig hängenden Früchte bereits ausgeschöpft hat, wenn es darum geht, sich durch Aerodynamik einen Wettbewerbsvorteil zu verschaffen", und zwar angesichts der Regeln und Beschränkungen des Sports in Bezug auf das Design der Ausrüstung und die Position des Fahrers. Aber er fügt hinzu, dass es immer noch einige Hightech-Forschungswege zur Leistungsverbesserung gibt, darunter "fortschrittliche experimentelle Testverfahren und hochauflösende numerische Simulationen der Strömungsfelder um die Radfahrer".

Wie wir oben gesehen haben, gibt es wahrscheinlich noch das Potenzial für noch höhere Geschwindigkeiten, wenn es um Windschattenfahren geht. Ich vermute, dass es im Rahmen der derzeitigen menschlichen Spitzenleistung möglich ist, im Windschatten eines Fahrzeugs Geschwindigkeiten von annähernd 400 km pro Stunde zu erreichen. Vielleicht ist die Herausforderung dann letztlich eine psychologische: Würde es jemand wagen, es zu versuchen? Timothy Crouch, Experimenteller Aerodynamiker, Monash-Universität Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative-Commons-Lizenz neu veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.