Persönliches Testprogramm: mein großer Hügelland-Pendel-Vergleich

[BastlerWilly]

Im Winter ist die Straße natürlich häufiger feucht als im Sommer.

Und häufiger verschmutzt. Ich hab heute mal drauf geachtet und hab erstaunlich oft gebremst oder bewusst langsam gemacht um nicht auszurutschen.

 

[DePälzer]

Wassertropfen auf der Karosserie verschlechtern sicherlich die Aerodynamik.

Glaub das wird net so dramatisch sein, weil sich die Tropfen doch nur langsam bewegen.
Unerwähnt blieben bisher aber der Einfluss der Regentropfen auf die Dichte. Mit 1000 kg/m3 für Wasser zu 1,2 kg/m3 für Luft hat man bei Starkregen vermutlich auch schnell mal doppelte Gesamtdichte. Weil der Regen ausserdem net wie Luft die Oberfläche umströmt sondern draufklatscht und wegspritzt kommt noch ein Impuls oberdrauf.
Beim Rollwiderstand bin ich mir dagegen sicher, dass feuchter Fahrbahnbelag die Reibung reduziert, weil die Haftung abnimmt. Klar, wenn Wasser verdrängt wird, dann kostet das Energie. Merkt man ja im Auto beim Durchfahren einer tiefen Wasserlache.

 

[Jake]

sehr interessante Tabelle!
Einzig die Werte für ein DF als alltagstauglichem Sportvelomobil hätten mich im Vergleich noch sehr interssiert.
Noch ein Aspekt zur Strecke. Meine tägliche Pendelstrecke sind jeweils 7 km (oder15km) hin und zurück quer durch die Stadt.
Jetzt ist dafür fast die beste Jahreszeit, jedenfalls wenn`s einigermaßen trocken ist, weil man ziemlich frei mit um die 27km gleiten kann und kaum auf "Hindernisse" trifft.
Ist dann immer wieder n ziemlicher Alarm, wenn im Frühjahr die ganzen plan- und hilflosen SonntagsradlerInnen wieder aus ihren Löchern gekrochen kommen. Daher dürfte mein Schnitt auf dem Up (MTB.Pedelec) im Winter sogar deutlich besser sein. Bei Überlandfahrten spielt die Radverkehrsdichte wahrscheinlich eher nicht so die Rolle.

 

[Christoph Moder]

Glaub das wird net so dramatisch sein, weil sich die Tropfen doch nur langsam bewegen.

Ich meinte nicht wegen deren Bewegung, sondern weil ein VM voller Regentropfen alles andere als glatt ist, d.h. es sollte mehr Verwirbelungen geben. (D.h. das VM ist auch dann langsamer, wenn der Regen aufgehört hat oder vielleicht sogar schon trockene Straße erreicht hat, aber immer noch dicke Tropfen auf der Karosserie sind.)

Unerwähnt blieben bisher aber der Einfluss der Regentropfen auf die Dichte. Mit 1000 kg/m3 für Wasser zu 1,2 kg/m3 für Luft hat man bei Starkregen vermutlich auch schnell mal doppelte Gesamtdichte. Weil der Regen ausserdem net wie Luft die Oberfläche umströmt sondern draufklatscht und wegspritzt kommt noch ein Impuls oberdrauf.

Für die doppelte Gesamtdichte muss es aber schon gewaltig schütten ... ich vermute, das ist deutlich jenseits dessen, was uns im Alltag passiert.

Mal nachrechnen:

• Als Starkregen gilt: ab 5 l/m^2 in 5 Minuten, also ca. 17 ml pro Sekunde und m^2.
• Ein großer Regentropfen fällt mit ca. 9 m/s (= 32 km/h).
• => Diese 17 ml durchqueren 9 m^3 Luft, bevor sie auftreffen.
• => In der Luft sind also knapp 2 ml Wasser pro m^3 Luft, also knapp 2 g Wasser pro 1.2 kg Luft.
• Also sollte die Dichte nur um 1.5 Promille höher sein.
• Bei 200 Watt Tretleistung, von denen die Hälfte in den Luftwiderstand geht, beträgt dieser also 100 W.
• Dieser um 1.5 Promille erhöht wären dann 0.15 W. Also völlig vernachlässigbar.

Das mit dem Impuls-Übertrag glaube ich aber schon:

• Mit obigem Regen: Tropfen fallen mit 9 m/s.
• Dazu noch Gegenwind mit ebenfalls 9 m/s, und das VM fährt ebenfalls 9 m/s.
• => Tropfen kommen in einem Winkel von 30° von oben bzw. vorne.
• In der Luft sind knapp 2 ml Wasser pro m^3.
• Pro Sekunde legt man horizontal 18 m gegen den Regen zurück, durchquert also 18 m^3.
• => Man durchquert Luft mit 32 ml Wasser.
• Ein Velomobil hat eine Querschnittsfläche von ca. 0.4 m^2.
• => 13 ml Wasser treffen pro Sekunde auf das Velomobil, welches ca. 13 g wiegt.
• Dieses Wasser muss auf Fahrgeschwindigkeit beschleunigt (+ von Windgeschwindigkeit abgebremst) werden, d.h. 18 m/s.
• => Kinetische Energie = 1/2 * 13 g * (18 m/s)^2 = 2 Joule
• => 2 Joule pro Sekunde = 2 Watt

Naja, ist ja doch nicht so viel.

Beim Rollwiderstand bin ich mir dagegen sicher, dass feuchter Fahrbahnbelag die Reibung reduziert, weil die Haftung abnimmt. Klar, wenn Wasser verdrängt wird, dann kostet das Energie. Merkt man ja im Auto beim Durchfahren einer tiefen Wasserlache.

Pfütze: Stimmt schon, das ist aber was anderes. Wenn du eine tiefe Pfütze durchfährst, muss ja der Reifenquerschnitt * Fahrstrecke vom Wasser befreit werden; das ist dann schnell ein Liter, der beiseite geschaufelt werden muss. Diesen Fall habe ich aber nicht betrachtet, weil man nicht andauernd durch Pfützen fährt.

Reibung: Stimmt, dass Wasser als Schmiermittel wirkt; allerdings betrifft das Gleitreibung. Die ja beim normalen Fahren kaum auftreten sollte. Solange der Reifen nicht rutscht, spielt das keine Rolle.

Ich meinte aber eher die Adhäsionskraft. D.h. wenn man auf nasser Fahrbahn ohne Pfützen fährt, muss man keine nennenswerte Wassermenge zur Seite schieben; aber ich vermute, dass der Reifen wegen des Wassers stärker auf der Fahrbahn klebt, d.h. das Abheben hinter dem Reifenlatsch kostet mehr Leistung. Ich weiß aber nicht, wie man das berechnen könnte.

 

[DePälzer]

Solange der Reifen nicht rutscht

Ich stelle mir vor, dass der Reifen am Rand vom Latsch immer minimal rutscht, der unterschiedliche Abrollumfang also nicht komplett durch Verformung kompensiert wird. Daher resultiert ja auch der Verschleiß.
Ansonsten Respekt für die Rechnung , Christoph halt. Falls ich mal wirklich ne ruhige h finde, dann versuch ichs auch mal.

 

[DePälzer]

. D.h. wenn man auf nasse

Was halt immer noch fehlt, ist das Spritzwasser. Das wird ja auf dem Boden aufgenommen und beschleunigt, bis es sich dann vom Reifen löst. Ein Teil klatscht dann leider nochmal in die Radkästen und Karosse und frisst da erneut Energie. Eventuell ist das der grosse Bremseffekt?
Dann müsste zwischen profitiertem und glattem Profil der Rollwiderstand zwischen nass und trocken nochmal deutlicher auseinander gehen?

 

[Christoph Moder]

Vorhin ist mir eingefallen: Warum behandle ich bei der Rechnung einmal das Wasser als Bestandteil der Luft, und einmal nicht? Ist da ein Denkfehler drin?

• Im ersten Fall (Betrachtung der Dichte) ist Wasser ein Teil der Luft und fließt mit ihr um das Fahrzeug herum.
• Im zweiten Fall (Betrachtung des Impulsübertrags) wird Wasser einzeln betrachtet, und fließt nicht um das Velomobil, sondern klatscht drauf und bleibt haften.

Im ersten Fall komme ich auf 0.15 W, im zweiten auf 2 W, bei der gleichen Wassermenge. (Ich habe das Wasser also quasi doppelt einbezogen.) Stimmt das so?

• Wenn das Wasser das Fahrzeug umfließt, wird also nur das 0.075-fache der Leistung benötigt.
• Das entspricht ganz grob dem cW-Wert – beim Umfließen ist es die effektive Querschnittsfläche, beim Auftreffen die tatsächliche.
• Warum ist der cW-Wert in der Realität ungefähr 50% höher?
• Weil die angenommene Leistung von 200 W bei 18 m/s (= 64.8 km/h) gegen den Wind zu niedrig ist.
• Kreuzotter (mit cW*A = 0.05, cR = 0.005) kommt auf über 300 W; bzw. wenn ich den Rollreibungskoeffizient auf 0 setze, auf 148 W.
• 1.5 Promille von 148 W sind 0.22 W; d.h. dann ist der Faktor 0.111.
• => Und das passt recht gut zu einem cW-Wert, wenn die Bezugsfläche 0.4 m^2 ist: dann wäre cW*A = 0.0444 m^2, also nur wenig geringer als die für die Rechnung angenommenen 0.05 m^2.

Ich stelle mir vor, dass der Reifen am Rand vom Latsch immer minimal rutscht, der unterschiedliche Abrollumfang also nicht komplett durch Verformung kompensiert wird. Daher resultiert ja auch der Verschleiß.

Ja, ein minimaler Schlupf wird schon auftreten. Aber ich denke, das ist meist noch elastische Verformung im Reifen, es rutscht gerade noch nicht.

Denn den Unterschied zwischen Haftreibung und Gleitreibung müsste man spüren – dass in Kurven der Seitenhalt deutlich schlechter ist (im Regen das Velomobil also seitlich rutscht) und beim kraftvollen Antritt an den Punkten höchsten Drehmoments (also 90° zu den Totpunkten) das Hinterrad immer kurz ins Rutschen kommt. Merke ich aber nicht. (Auf Schnee merkt man das dagegen sehr deutlich.) Auf nassen Straßen fühlt es sich genauso griffig wie auf trockenen Straßen an, aber irgend etwas frisst Leistung.

Was halt immer noch fehlt, ist das Spritzwasser. Das wird ja auf dem Boden aufgenommen und beschleunigt, bis es sich dann vom Reifen löst. Ein Teil klatscht dann leider nochmal in die Radkästen und Karosse und frisst da erneut Energie. Eventuell ist das der grosse Bremseffekt?
Dann müsste zwischen profitiertem und glattem Profil der Rollwiderstand zwischen nass und trocken nochmal deutlicher auseinander gehen?

Weiß ich nicht. Und auch nicht, wie man das abschätzen könnte. Es kann sich jedenfalls nicht um große Wassermengen handeln.

Wenn ich vorhin auf einen Leistungsverlust von 2 W komme, wenn die gesamte Querschnittsfläche einem Starkregen ausgesetzt ist – wird es im Radkasten auf viel kleinerer Fläche ebenso viel spritzen, wie bei Starkregen auf das ganze Fahrzeug? Die Größenordnung dürfte jedenfalls ähnlich sein, und damit die Verluste.

 

[Woife]

Evtl. noch ein paar Punkte:
Bei Regen ist/wird es meist kühler, kühlt die Reifen sehr effektiv
auch wenn keine Pfützen direkt durchfahren werden muss doch immer Wasser verdrängt werden
eine erhöhte Verformung des Reifens durch auf der Straße stehendes Wasser (wie das Fahren auf eine kleine Kante/Rampe)

 

[M-Elch]

Nochmal zurück zum Anfang: Es muss ja kein Troytech sein, aber gerade am Berg, wo Dein Up für Dich so viel Boden gut macht, spielt Gewicht halt eine entscheidende Rolle, genauso bei kurvigen Strecken mit ständigem Abbremsen und Beschleunigen. Du selbst bist schlank aber groß, und Dein Langtieflieger sicher auch kein Leichtgewicht. Wie viel wiegt es? Schon wenn ich hier durchs Alpenvorland kurve, mit wohl ähnlichem Höhenmeterprofil wie bei Dir, spüre ich wenige Kilo Unterschied bei den Rädern sofort und sehr sehr deutlich. Genauso die Laufradgröße/Bereifung insgesamt. Etcpp. Und das bei etwa 85 Kilo Körpergewicht. Umso stärker wirkt sich das Gewicht der Räder wohl bei Deiner Freundin aus, mal abgesehen vom Training, das es erstmal braucht. Alles nix neues, ich weiß. Genauso wie optimierte Aerodynamik. Aber dass es wirklich so ist, musste ich auch erst selbst er-fahren...

Will nur sagen: Mir scheint, der Schritt vom Standardrennrad zum TT ist in diesem Vergleich wohl deutlich kleiner als der von Deinen privat vorzugsweise genutzten Liegerädern zum Troytech. Ihre extravagante Optik macht sie andererseits sowieso über jeden Vergleich erhaben.

PS: In den engen, kurvigen Straßen und langen Berganstiegen Italiens bin ich teilweise auch lieber auf dem Up unterwegs, bin also offen auch dafür. Aber hier und in Thüringen bin ich mit meinen sportlichen Liegerädern deutlich schneller unterwegs als mit dem Up-Rennrad. Sogar mit den nicht mehr ganz so sportlichen... und teilweise (bis es wirklich knackig wird, denn dann wird Gewicht nochmal wichtiger) sogar am Berg.

 

[BuS velomo]

Hi @M-Elch - ich hab das in der reinen Bestandsaufnahme von #1 noch nicht weiter mit Erklärungsversuchen gefüttert.

Aber in einem Seitenstrang der letzten Langtieflieger-Diskussion (rund um die Auffälligkeiten bei meiner Freundin, Patrick und letztlich mir selbst) hatten wir das schon mal aufgemacht :

• Der Tempo-Unterschied am Berg ist viel zu groß, um allein durch die Gewichte aufgeklärt zu werden.
• Uphill hole ich mit dem RR ~20% raus, obwohl das Systemgewicht "nur" 5-7% niedriger ist als auf dem LTL
• Selbst mit dem UP-Tourer bin ich hochwärts schneller, obwohl der sogar ~5% schwerer ist, Tourenreifen usw. hat.
• ... schieb noch ein paar Prozent auf den Antriebsstrang beim Lieger (mein LTL ist steif!), aber es bleibt ein unerklärlicher Rest für die pure Ergonomie, die ich ja auch komplett unterschiedlich spüre (Oberschenkel vs. Gesamtkondition).
• Auf der Ebene und bergab holt der LTL das unterm Strich wieder raus... d.h. im 10hm/km-Profil kann er noch gewinnen.
• Ob nun beim Aufrüsten auf beiden Seiten...
  • LTL wird Troytech, Birk, Super-MBB whatever
  • RR wird Zeitfahrmaschine
• ... die Differenz kleiner oder größer wird, wage ich noch nicht zu beurteilen. Ich mahne nur an, 2 Dinge nicht zu unterschätzen: 1) meinen Langtieflieger und 2) wie gewaltig der Sprung von üblichem Rennradfahren auf ein ausoptimiertes Zeitfahrrad sein kann (um es einer ausoptimierten offenen Liege gegenüber zu stellen). Ich hatte mal ne Windtunnel-Analyse gesehen, da ging es von 300W auf fast 200W runter für die gleiche Endgeschwindigkeit Standard-RR vs. Highend-TT. Und soviel ist ein Troytech dann nicht besser als mein LTL.

Also ja, Gewicht ist ein Faktor. Es bleibt aber ein größerer Rest, der nur durch Ergonomie aufklärbar ist. Auch ist Aerodynamik auf dem UP keine Pauschale. Sicherlich wird die des vergleichbar ausgereizten Liegers immer noch besser als beim UP sein. Aber wenn es sich einigermaßen verallgemeinern lässt, dass "man" vertikal systematisch mehr Leistung treten kann (sicher individuell variabel), dann kann ein Lieger einem Zeitfahrrad im Saldo selten davon fahren - wenn Hügel im Weg stehen.

Und eine Etage tiefer als die Rennelite kann ich Hi-Liner und Up-Tourer recht gut miteinander vergleichen - ähnliches Gewicht, Bereifung, Umlenkung etc. Dort hilft der Aero-Aufsatz dem UP dazu, die Touren-Liege unter allen Bedingungen zu schlagen - hoch sowieso (~20%), aber auch in der Ebene (~10%)... während mir die Downhillgleichheit (siehe Tabelle) ein Indiz dafür liefert, dass der Luftwiderstand ähnlich ist... und die Differenz an meiner Leistung hängt.

 

[BuS velomo]

die Werte für ein DF

Hab ich nicht, sondern teste ja nur meinen gegebenen Fuhrpark auf meine gegebenen Umstände. Mein 4Q-Winterkleid liefert im Winter leider noch keine Daten, die ich mit den Sommerwerten der Offenen sinnvoll in Vergleich setzen kann, erwarte aber ganz grob, dass er sich an die Spitze einreihen wird bei RR und LTL - aufgrund des 35kg-Bergankers nicht sonderlich davor. Das könnte ich ggfs. von einer leichteren und aerodynamischeren Hi-Trike-Hülle erwarten - aber die muss ich erstmal bauen... und würde sie downhill spürbar langsamer bewegen als das Quad.

Einfluss der Regentropfen

In meinem Testprogramm gibt es hierzu noch eine wichtige Anmerkung: Auf den offenen Rädern (die ich zumeist fahre) macht Regen auf dem Körper sicherlich noch viel viel langsamer als auf der Hülle oder unterm Reifen

 

[spargelix]

Reifen und Wasser : zum einen muss es erst einmal verdrängt, also beschleunigt werden. Hatten wir schon. Aber der Reifen muss sich beim Abrollen auch wieder von der Oberfläche lösen. Adhäsionskräfte sind nicht zu unterschätzen. Sie wirken sich stärker aus, je schneller die Trennung abläuft. Klassischer Versuch ist die Trennung von zwei Glasplatten, zwischen denen sich eine Fluidschicht befindet.

 

[DePälzer]

• In der Luft sind also knapp 2 ml Wasser pro m^3 Luft, also knapp 2 g Wasser pro 1.2 kg Luft.
• Also sollte die Dichte nur um 1.5 Promille höher sein.

Nachgerechnet und gleiches Ergebniss. Das ist ja wirklich nix.

 

[DePälzer]

• => Kinetische Energie = 1/2 * 13 g * (18 m/s)^2 = 2 Joule
• => 2 Joule pro Sekunde = 2 Watt

Hab einfach senkrecht fallenden Starkregen genommen. Der wird dann komplett auf 1 qm VM Fläche von 0 auf 9 m/s beschleunigt. Dann kommt noch weniger Leistung raus .