Wo geht deine Energie hin?
Wir haben das Fahrrad als Maschine beschrieben, und wissenschaftlich gesehen ist es genau das: ein Gerät, das die Kraft verstärken kann (was es leichter macht, bergauf zu fahren) oder die Geschwindigkeit. Es ist auch eine Maschine in dem Sinne, dass es Energie von einer Form (was auch immer du gegessen hast) in eine andere umwandelt (die kinetische Energie, die dein Körper und dein Fahrrad haben, wenn sie beschleunigen).Jetzt hast du wahrscheinlich von einem physikalischen Gesetz gehört, das sich Energieerhaltung nennt und besagt, dass man Energie nicht aus dem Nichts erschaffen oder spurlos verschwinden lassen kann: Man kann sie nur von einer Form in eine andere umwandeln. Wohin geht also die Energie, die Sie beim Radfahren verbrauchen? In der Wissenschaft sagen wir, dass sie in „Arbeit“ umgewandelt wird – aber was bedeutet das in der Praxis?
Radfahren kann sich manchmal wie harte Arbeit anfühlen, vor allem, wenn es bergauf geht.
In der Wissenschaft bedeutet „harte Arbeit“, dass man manchmal ziemlich viel Kraft aufwenden muss, um eine Strecke zurückzulegen. Wenn Sie bergauf fahren, müssen Sie gegen die Schwerkraft arbeiten. Wenn du schnell fährst, musst du gegen den Luftwiderstand (Luftwiderstand) arbeiten, der gegen deinen Körper drückt. Manchmal muss man über Unebenheiten auf der Straße fahren; das erfordert mehr Kraft und verbraucht ebenfalls Energie (Unebenheiten verringern die kinetische Energie, indem sie die Geschwindigkeit reduzieren).
Foto: Fahrräder sind deshalb so gut für den menschlichen Körper geeignet, weil sie die Kraft unserer großen und sehr starken Beinmuskeln nutzen. Liegeräder (Fahrräder, auf denen man im Liegen fährt) sehen vielleicht ultramodern und ein bisschen seltsam aus, aber sie sind mindestens 100 Jahre alt. Sie sind schneller als herkömmliche Fahrräder, weil ihre Fahrer eine viel aerodynamischere, schlauchartige Haltung einnehmen, die den Luftwiderstand minimiert. Da die Pedale höher stehen, können die Kurbeln länger sein, so dass man eine größere Hebelwirkung hat und die Muskeln länger und effizienter Leistung erbringen können. Foto von Robin Hillyer-Miles mit freundlicher Genehmigung der US Navy.
Aber egal, ob man bergauf oder bergab, schnell oder langsam, auf einer glatten oder holprigen Straße fährt, es gibt noch eine andere Art von Arbeit, die man immer leisten muss, damit sich die Räder drehen. Wenn ein Rad auf dem Boden aufliegt und eine Last wie einen Fahrer auf einem Fahrrad trägt, wird der Reifen an einigen Stellen zusammengedrückt und an anderen Stellen ausgebeult. Während der Fahrt werden die verschiedenen Teile des Reifens abwechselnd zusammengedrückt und gewölbt, und das Gummi, aus dem sie bestehen, wird in alle Richtungen gezogen und gedrückt.Das wiederholte Zusammendrücken eines Reifens auf diese Weise ist ein bisschen wie das Kneten von Brot: Es kostet Energie – und diese Energie ist das, was wir als Rollwiderstand kennen. Je mehr Last auf dem Reifen lastet (je schwerer Sie sind oder je mehr Sie tragen), desto höher ist der Rollwiderstand. Etwa 80-90 Prozent des Rollwiderstands werden durch die Verformung des Reifens selbst verursacht, der Rest durch den Luftwiderstand des Reifens und die Art und Weise, wie er auf dem Boden gleitet.
Bei einem Rennrad, das schnell fährt, gehen etwa 80 Prozent der Arbeit, die der Radfahrer leistet, in die Überwindung des Luftwiderstands, während der Rest für den Kampf gegen den Rollwiderstand verwendet wird; bei einem Mountainbiker, der viel langsamer über unwegsames Gelände fährt, gehen 80 Prozent der Energie in den Rollwiderstand und nur 20 Prozent in den Luftwiderstand verloren. Es gibt auch kleine Reibungsverluste in Dingen wie der Kette und der Schaltung, aber wie auch immer und was auch immer Sie fahren, solange es einigermaßen gut gewartet ist, ist die auf diese Weise verlorene Energie in der Regel nicht der Mühe wert.
Diagramm: Langsame Mountainbikes verschwenden die meiste Energie durch den Rollwiderstand, schnellere Rennräder mehr durch den Luftwiderstand.
Wie viel Energie ist hier eigentlich im Spiel? Einer faszinierenden Analyse von Training Peaks zufolge verbrauchen die Spitzenfahrer bei der Tour de France im Durchschnitt etwa 300 bis 400 Watt, was der Leistung von 3 bis 4 altmodischen 100-Watt-Lampen oder etwa 15 Prozent der Leistung entspricht, die man für den Betrieb eines Wasserkochers bräuchte. Zum Vergleich: Mit einem handgekurbelten Stromgenerator kann man etwa 10 Watt erzeugen, allerdings kann man so einen Generator nicht lange benutzen, ohne zu ermüden. Was sagt uns das? Es ist viel einfacher, mit den großen Beinmuskeln über längere Zeit große Mengen an Energie zu erzeugen als mit den Händen und Armen. Deshalb sind Fahrräder so clever: Sie nutzen die stärksten Muskeln unseres Körpers.
Wie ein Fahrradrahmen funktioniert
Angenommen, ein Erwachsener wiegt 60-80 kg, dann muss der Rahmen eines Fahrrads ziemlich robust sein, wenn er nicht gleich beim Aufsteigen brechen oder sich verziehen soll. Gewöhnliche Fahrräder haben Rahmen aus stabilem, preiswertem Stahlrohr (wörtlich: hohle Stahlrohre, die nichts als Luft enthalten) oder aus leichteren Legierungen auf Stahl- oder Aluminiumbasis.
Foto: Der umgekehrte A-Rahmen des Fahrrads ist eine unglaublich starke Struktur, die dazu beiträgt, das Gewicht zwischen den Vorder- und Hinterrädern zu verteilen.
Es hilft, sich nach vorne zu lehnen oder sogar aufzustehen, wenn es bergauf geht, damit man maximale Kraft auf die Pedale ausüben und das Gleichgewicht halten kann.
Man könnte meinen, dass ein Fahrradrahmen aus Aluminiumrohren viel schwächer ist als einer aus Stahl – aber nur, wenn die Rohre ähnlich groß sind.In der Praxis muss jedes Fahrrad stark genug sein, um das Gewicht des Fahrers und die Belastungen, denen es bei verschiedenen Fahrmanövern ausgesetzt ist, zu tragen.
Für ein Aluminiumfahrrad werden also Rohre mit einem größeren Durchmesser und/oder dickeren Wänden verwendet als für ein Fahrrad aus Stahlrohren.
Der Rahmen stützt Sie nicht einfach nur: Seine dreieckige Form (oft sind es zwei Dreiecke, die zu einer Raute zusammengefügt sind) ist sorgfältig darauf ausgelegt, Ihr Gewicht zu verteilen. Obwohl der Sattel viel näher am Hinterrad positioniert ist, lehnt man sich nach vorne, um den Lenker zu halten. Die abgewinkelten Lenker im Rahmen sind so konstruiert, dass Ihr Gewicht mehr oder weniger gleichmäßig auf das Vorder- und das Hinterrad verteilt wird. Wenn Sie darüber nachdenken, ist das wirklich wichtig. Wenn dein ganzes Gewicht auf dem Hinterrad lastet und du versuchst, bergauf zu treten, würdest du nach hinten kippen; ebenso würdest du jedes Mal, wenn du bergab fährst, mit dem Kopf voraus fahren, wenn zu viel Gewicht auf dem Vorderrad lastet!
Rahmen sind nicht so konstruiert, dass sie zu 100 Prozent starr sind: Das würde den Fahrkomfort erheblich beeinträchtigen. fast alle Fahrradrahmen biegen sich ein wenig, um einen Teil der Stöße abzufangen. Man sollte auch nicht vergessen, dass der menschliche Körper selbst ein bemerkenswert effizientes Federungssystem ist. Wenn Sie mit einem Mountainbike über einen unebenen Weg fahren, werden Sie sich sehr schnell bewusst, wie Ihre Arme als Stoßdämpfer wirken können! In der Tat kann es recht lehrreich sein, den Körper als eine Erweiterung (oder Ergänzung) des Grundrahmens des Fahrrads zu betrachten, der auf ihm balanciert wird.
Wie Fahrradräder funktionieren
Foto: Wie ein Autorad ist auch ein Fahrradrad ein Geschwindigkeitsvervielfacher. Die Pedale und Zahnräder drehen die Achse in der Mitte. Die Achse dreht sich nur eine kurze Strecke, aber durch die Hebelwirkung des Rades dreht sich die äußere Felge in der gleichen Zeit viel weiter. So hilft dir ein Rad, schneller zu fahren.
Wenn du unseren Artikel über die Funktionsweise von Rädern gelesen hast, weißt du, dass ein Rad und die Achse, um die es sich dreht, ein Beispiel für das ist, was Wissenschaftler eine einfache Maschine nennen: Es vervielfacht Kraft oder Geschwindigkeit, je nachdem, wie du es drehst. Fahrradräder haben in der Regel einen Durchmesser von über 50 cm (20 Zoll) und sind damit größer als die meisten Autoräder. Je größer die Räder sind, desto stärker multiplizieren sie die Geschwindigkeit, wenn man sie an der Achse dreht. Deshalb haben Rennräder die größten Räder (typischerweise 70 cm oder 27,5 Zoll im Durchmesser).
Die Räder tragen letztendlich dein gesamtes Gewicht, aber auf eine sehr interessante Art und Weise.Wenn die Räder fest wären, würden sie nach unten gedrückt (komprimiert), wenn du auf dem Sitz sitzt, und wieder nach oben drücken, um dich zu stützen. Die Räder der meisten Fahrräder bestehen jedoch aus einer starken Nabe, einer dünnen Felge und etwa 24 stark gespannten Speichen. Fahrräder haben Speichenräder anstelle von Vollmetallrädern, um sie sowohl stabil als auch leicht zu machen und den Luftwiderstand zu verringern (manche Fahrer verwenden flache oder ovale Speichen anstelle der traditionellen runden Speichen, um den Luftwiderstand noch weiter zu verringern).
Es ist nicht nur die Anzahl der Speichen, die wichtig ist, sondern auch die Art und Weise, wie sie zwischen der Felge und der Nabe verbunden sind. Wie die Fäden eines Spinnennetzes oder die baumelnden Seile einer Hängebrücke steht ein Fahrradrad unter Spannung – die Speichen sind fest angezogen. Da die Speichen kreuz und quer von der Felge zur gegenüberliegenden Seite der Nabe verlaufen, ist das Rad nicht so flach und fadenscheinig, wie es scheint, sondern tatsächlich eine erstaunlich starke, dreidimensionale Struktur. Wenn Sie auf einem Fahrrad sitzen, drückt Ihr Gewicht auf die Naben, wodurch einige der Speichen etwas mehr und andere etwas weniger gedehnt werden. Wenn Sie 60 kg wiegen, drücken etwa 30 kg auf jedes Rad (das Eigengewicht des Fahrrads nicht mitgerechnet), und die Speichen verhindern, dass die Räder einknicken.
Foto: Entgegen dem Anschein ist ein Fahrradrad weder flach noch schwach. Die Nabe ist viel breiter als der Reifen, die Speichen stehen unter Spannung, sie kreuzen sich und schließen tangential an die Nabe an. All dies macht es zu einer starren dreidimensionalen Struktur, die sich nicht verdrehen, verformen oder verbiegen lässt. Foto von David Danals mit freundlicher Genehmigung der US-Marine.
Da jedes Rad ein paar Dutzend Speichen hat, könnte man meinen, dass jede Speiche nur einen Bruchteil des Gesamtgewichts tragen muss – vielleicht nur 1-2 kg, wenn es 30 Speichen gibt, was sie leicht schafft. In Wirklichkeit tragen die Speichen das Gewicht ungleichmäßig: Die wenigen Speichen, die sich in der Nähe der Vertikalen befinden, tragen viel mehr Last als die anderen. (Unter Fahrradwissenschaftlern wird immer noch darüber diskutiert, wie die Last tatsächlich getragen wird und ob es besser ist, sich ein Fahrrad so vorzustellen, dass es an den Speichen oben hängt oder auf die Speichen unten drückt.) Wenn sich das Rad dreht, nähern sich die anderen Speichen der Vertikalen an und übernehmen einen größeren Teil der Belastung. Die Belastung jeder einzelnen Speiche steigt und fällt bei jeder Umdrehung des Rades dramatisch, so dass nach vielen tausend Zyklen wiederholter Belastung und Beanspruchung, bei denen sich jede Speiche in schnellem Wechsel dehnt und entspannt, eine der Speichen (oder ihre Verbindung zum Rad oder zur Nabe) wahrscheinlich durch Metallermüdung versagt. Dadurch erhöht sich die Belastung der übrigen Speichen sofort und dramatisch, so dass auch sie eher versagen und eine Art „Domino-Effekt“ entsteht, der das Rad ausbeulen lässt.
Wie Fahrradschaltungen funktionieren
Foto: Ein Getriebe ist ein Räderpaar mit Zähnen, die ineinandergreifen, um die Leistung oder Geschwindigkeit zu erhöhen.Beim Fahrrad wird das Räderpaar nicht direkt angetrieben, sondern ist durch eine Kette verbunden. An einem Ende ist die Kette fest um das Hauptzahnrad (zwischen den Pedalen) geschlungen. An ihrem anderen Ende schaltet sie zwischen einer Reihe größerer oder kleinerer Zahnräder hin und her, wenn man den Gang wechselt.
Ein typisches Fahrrad hat drei bis dreißig verschiedene Gänge – Räder mit Zähnen, die durch die Kette verbunden sind und die Maschine schneller (auf der Geraden) oder leichter zu treten (bergauf) machen. Größere Räder helfen auch, auf der Geraden schneller zu fahren, aber sie sind ein großer Nachteil, wenn es bergauf geht. Das ist einer der Gründe, warum Mountainbikes und BMX-Räder kleinere Räder haben als Rennräder. Die Pedale sind mit dem Hauptzahnrad durch ein Paar Kurbeln verbunden: zwei kurze Hebel, die ebenfalls die Kraft verstärken, die man mit den Beinen ausüben kann.
Getriebe können einen unglaublichen Unterschied in der Geschwindigkeit ausmachen. Bei einem typischen Rennrad zum Beispiel kann das Übersetzungsverhältnis (die Anzahl der Zähne am Pedalrad geteilt durch die Anzahl der Zähne am Hinterrad) bis zu 5:1 betragen, so dass du mit einer einzigen Pedalumdrehung etwa 10 m die Straße hinunterfahren kannst. Wenn man davon ausgeht, dass man seine Beine nur so schnell bewegen kann, kann man sehen, dass die Gangschaltung effektiv dafür sorgt, dass man mit jeder Pedalumdrehung schneller vorankommt.
Lesen Sie mehr in unserem Hauptartikel über Gangschaltungen.
Artwork: Fahrräder vor der Schaltung: Frühe Fahrräder wie diese (bekannt als „Penny Farthings“ oder „High Wheels“) hatten ein riesiges Vorderrad, das die Geschwindigkeit effektiv vervielfachte und es ermöglichte, auf der Geraden sehr schnell zu fahren.Es gab keine Gangschaltung: Das Vorderrad drehte sich jedes Mal, wenn man mit den Beinen auf die Kurbeln (Pedale) drückte. Bergab zu fahren war ziemlich schwierig (es sei denn, man nahm die Füße von den Kurbeln) und bergauf zu fahren war so gut wie unmöglich!Ausschnitt eines Originalgemäldes, um 1887, von Henry „Hy“ Sandham, mit freundlicher Genehmigung der US Library of Congress.
Wie Fahrradbremsen funktionieren
Foto: Felgenbremsen: Die Gummibacken (Klötze) dieser Fahrradbremse klemmen sich an die Metallfelge des Rades, um die Geschwindigkeit zu verringern. Wenn man an Geschwindigkeit verliert, verliert man auch Energie. Wohin geht die Energie? Sie verwandelt sich in Wärme: Die Bremsklötze können unglaublich heiß werden!
Egal wie schnell man fährt, irgendwann muss man anhalten. Die Bremsen eines Fahrrads arbeiten mit Reibung (Reibungskraft zwischen zwei Dingen, die aneinander vorbeigleiten, während sie sich berühren). Obwohl einige Fahrräder jetzt Scheibenbremsen haben (ähnlich wie bei Autos), mit separaten Bremsscheiben, die an den Rädern befestigt sind, benutzen viele immer noch traditionelle Felgenbremsen mit Bremssätteln und Backen.
Wenn man die Bremshebel betätigt, klemmt ein Paar Gummibacken (manchmal auch Klötze genannt) auf der inneren Metallfelge des Vorder- und Hinterrads. Da die Bremsklötze fest an den Rädern reiben, wandeln sie deine kinetische Energie (die Energie, die du hast, weil du dich fortbewegst) in Wärme um, die dich abbremst.
Felgenbremsen im Vergleich zu Scheibenbremsen
Felgenbremsen mit Bremssattel drücken auf die Außenkante des Rades, wo es sich am schnellsten dreht, aber mit der geringsten Kraft. Das bedeutet, dass sie relativ wenig Bremskraft benötigen, um die Räder zu verlangsamen (daher können sie klein und leicht sein), obwohl man immer noch kräftig drücken und diese Kraft länger aufbringen muss, um sich und das Fahrrad zum Stillstand zu bringen. Ein großer Nachteil von Felgenbremsen ist, dass sie dem Regen von oben, der Seite und der Gischt von den Rädern voll ausgesetzt sind. Wenn die Bremsbacken und die Räder nass und schlammig sind, gibt es eine beträchtliche Schmierung, die Reibung zwischen den Bremsen und den Rädern kann bis zu zehnmal geringer sein als bei trockenen Bedingungen (laut David Gordon Wilsons Bicycling Science), und der Bremsweg wird viel länger.
Scheibenbremsen arbeiten näher an der Nabe und müssen daher eine größere Bremskraft aufbringen, was die Gabel und die Speichen belasten kann. Außerdem sind sie schwerer (was sich auf das Fahrverhalten des Fahrrads auswirken kann) und mechanisch komplizierter, aber sie sind bei nassem Wetter und schlammigen Bedingungen effektiver.
In Online-Fahrradforen finden Sie sehr unterschiedliche Meinungen darüber, welche Art von Bremsen für verschiedene Fahrradtypen, Gelände und Wetterbedingungen am besten geeignet ist. Manche Leute mögen Scheibenbremsen, weil sie das Fahrrad besser aussehen lassen; andere mögen Felgenbremsen, weil sie so einfach und unkompliziert sind.
Artwork: Scheibenbremsen (vereinfacht). Wenn du den Bremshebel ziehst, betätigt ein Drahtseil oder eine Hydraulikleitung (gelb) die Bremssättel (blau), die die Bremsbeläge gegen eine am Rad befestigte Scheibe, den Rotor (rot), drücken. Da die Bremssättel an einer der Gabeln (grau) befestigt sind und die Bremskraft durch die Speichen (schwarz) geleitet werden muss, um das Rad zu stoppen, belasten Scheibenbremsen die Gabeln und Speichen viel stärker als Felgenbremsen.
Wie Fahrradreifen funktionieren
Die Reibung zwischen den Gummireifen und der Straße, auf der du fährst, wirkt sich auch zu deinem Vorteil aus: Sie sorgt für Grip und macht dein Fahrrad leichter kontrollierbar, besonders an nassen Tagen.
Wie Autoreifen sind Fahrradreifen nicht aus Vollgummi: Sie haben einen inneren Schlauch, der mit komprimierter (gepresster) Luft gefüllt ist. Das bedeutet, dass sie leichter und federnder sind, was zu einem viel angenehmeren Fahrgefühl führt. Luftreifen wurden 1888 von dem schottischen Erfinder John Boyd Dunlop patentiert.
Verschiedene Arten von Fahrrädern haben verschiedene Arten von Reifen.Rennräder haben schmale, glatte Reifen, die für maximale Geschwindigkeit ausgelegt sind (obwohl sie durch ihr „dünnes“ Profil einen höheren Rollwiderstand haben), während Mountainbikes dickere, robustere Reifen mit tieferen Profilen, mehr Gummi in Kontakt mit der Straße und besserem Grip haben (obwohl sie breiter sind und mehr Luftwiderstand erzeugen).
Warum Kleidung wichtig ist
Reibung ist eine großartige Sache bei Bremsen und Reifen, aber sie ist in einer anderen Form weniger willkommen: als Luftwiderstand, der Sie verlangsamt. Je schneller man fährt, desto mehr wird der Luftwiderstand zu einem Problem. Bei hohen Geschwindigkeiten kann sich ein Fahrradrennen anfühlen, als würde man durch Wasser schwimmen: Man spürt die Luft, die gegen einen drückt, und (wie wir bereits gesehen haben) verbraucht man etwa 80 Prozent seiner Energie, um den Luftwiderstand zu überwinden. Ein Fahrrad ist ziemlich dünn und stromlinienförmig, aber der Körper eines Radfahrers ist viel dicker und breiter, und in der Praxis erzeugt der Körper eines Radfahrers doppelt so viel Luftwiderstand wie das Fahrrad. Deshalb tragen Radfahrer enge Neoprenkleidung und spitze Helme, um sich stromlinienförmig zu machen und den Energieverlust zu minimieren.
Foto: Rennräder haben zwei Lenkersätze. Der innere Lenker ermöglicht es dem Fahrer, den Luftwiderstand zu verringern, indem er die Ellbogen enger zusammenhält.
Sie haben es vielleicht noch nicht bemerkt, aber der Lenker eines Fahrrads ist auch ein Hebel: Ein längerer Lenker bietet eine Hebelwirkung, die das Schwenken des Vorderrads erleichtert.Aber je weiter Sie Ihre Arme auseinander halten, desto mehr Luftwiderstand erzeugen Sie.Deshalb haben Rennräder zwei Lenkersätze, die dem Fahrer helfen, die beste, stromlinienförmigste Position einzunehmen. Es gibt einen konventionellen, äußeren Lenker zum Lenken und einen inneren Lenker zum Festhalten auf der Geraden. Die meisten Radfahrer tragen heute Helme, sowohl aus Sicherheitsgründen als auch zur Verbesserung der Aerodynamik.
Fahrräder sind Physik in Aktion
Fassen wir kurz mit einem einfachen Diagramm zusammen, das all diese verschiedenen Teile der Fahrradwissenschaft in Aktion zeigt:
