Sind aerodynamische Felgen zusätzliches Gewicht wert?

Offensichtlich scheinen die Preise die Idee zu unterstützen, dass Aerodynamik mehr als ein paar hundert Gramm Gewicht ausmacht, aber ab wann gleicht das zusätzliche Gewicht den Gewinn aus?

Eine genaue Berechnung hängt von der Gesamtmasse von Ihnen und Ihrem Fahrrad ab, Ihrer Geschwindigkeit, dem Wind, seinem Winkel, ob Sie bergauf, in der Ebene oder bergab fahren, und von der Geschwindigkeit, mit der Sie fahren (oder von der Leistung, die Sie wieder aussetzen). Wir können jedoch grobe Schätzungen vieler dieser Variablen vornehmen, um eine ungefähre Antwort zu erhalten.

Nehmen wir an, die Aero-Laufräder erhöhen die Gesamtmasse um 100 Gramm im Vergleich zu den "serienmäßigen" Laufrädern und reduzieren im Gegenzug Ihre Luftwiderstandsfläche, CdA, um 0,005 m^2. Das ist eine ungefähre Verbesserung für ein einigermaßen aerodynamisches Laufrad im Vergleich zu einer Standard-Boxfelge, obwohl Sie bei extrem gut konstruierten Laufrädern vielleicht den doppelten Unterschied (~ 0,01 m ^ 2) oder mehr sehen können, insbesondere bei hohen Gierwinkeln.

Die Leistungsgleichung für ein Fahrrad ist gut verstanden und wurde in dieser Bicycles Stackexchange-Antwort gegeben . Um den Punkt zu bestimmen, an dem es vorzuziehen ist, geringeres Gewicht gegen Luftwiderstand einzutauschen, können wir geeignete Werte für Masse, Geschwindigkeit, Neigung usw. ersetzen und die Energieeinsparungen darstellen, wie es hier getan wird.

Die folgende Abbildung vergleicht ein 80 kg schweres Fahrrad mit Fahrer plus Fahrrad mit Standard-Boxfelgen mit einem 80,1 kg schweren Fahrrad mit Fahrer plus Fahrrad mit Aero-Felgen. Wir gehen davon aus, dass die Aero-Felgen 0,005 m² Luftwiderstand im Vergleich zu den Standardfelgen einsparen. Drei gepunktete Linien zeigen die Energieeinsparungen für einen Anstieg von 5 %, eine flache Straße und einen Abstieg von 5 %. Die x-Achse zeigt die Geschwindigkeit des Fahrers in km/h, während die y-Achse die Einsparungen für die leichteren Räder zeigt – wenn die gepunktete Linie über der durchgezogenen horizontalen Nulllinie liegt, ist es besser, leichtere Räder zu haben; Wenn die gepunktete Linie unter die durchgezogene horizontale Nulllinie fällt, ist es besser, die aerodynamischeren Räder zu haben.

Wie Sie sehen können, sind leichtere Räder nur für steile Anstiege mit niedriger Geschwindigkeit vorzuziehen. Für diesen speziellen Vergleich von Gewichtseinsparungen und Luftwiderstandseinsparungen ist der Vorteil jedoch gering, weniger als ein Watt. Mit zunehmender Geschwindigkeit sinkt die gepunktete Linie schließlich unter Null und es wird besser, sich für die Aero-Einsparungen zu entscheiden.

Das war für einen steilen Hügel. In der Ebene und bei Abfahrten fährt man fast immer mit den aerodynamischeren Laufrädern besser.

Beachten Sie, dass die Energieeinsparungen immer noch relativ bescheiden sind. Bei Rennen können sogar kleine Vorteile entstehen, um über Sieg oder Niederlage zu entscheiden, aber beim normalen Freizeitfahren sollten Sie vielleicht die Größenordnung leichterer Räder im Vergleich zu Aero-Laufrädern im Auge behalten, insbesondere wenn Ihr Budget begrenzt ist. Nur Sie können entscheiden, ob der relative Nutzen kosteneffektiv ist.

Ich dachte, ich könnte diesen sehr guten und umfassenden Beispielen für Aero-V-Gewichtsszenarien, die Robert letztes Jahr bereitgestellt hat, einige zusätzliche Kommentare hinzufügen.

Insbesondere das dynamische Szenario von Beschleunigungen auf flachem Gelände, das etwas komplexer ist als das Radfahren im stationären Zustand.

Einige mögen denken, dass leichte Laufräder besser beschleunigen würden als schwerere Aero-Laufräder, aber das muss nicht unbedingt der Fall sein. Tatsächlich ist eher das Gegenteil der Fall, denn sobald Sie mit hoher Geschwindigkeit unterwegs sind, wird der Energiebedarf von zwei Faktoren dominiert; Änderungen der kinetischen Energie (einschließlich Rotation) und Überwindung eines erheblichen und ständig zunehmenden Luftwiderstands.

Reduziert man den Energiebedarf zur Überwindung des Luftwiderstands, kann die dafür benötigte Energie stattdessen zur Erhöhung der kinetischen Energie genutzt werden.

Ob das zu einem Leistungsgewinn führt, hängt von der Anfahrgeschwindigkeit, der Dauer der Beschleunigung sowie der Größe der Aerodynamik- und Massenunterschiede ab.

Ich gehe dieses Thema in diesem Blogbeitrag, den ich letztes Jahr verfasst habe, ausführlicher durch:

http://alex-cycle.blogspot.com.au/2013/02/the-sum-of-parts.html

Darin vergleiche ich 10 Sekunden lange Beschleunigungen aus dem Stillstand und aus einer Startgeschwindigkeit von 30 km/h. In den Beispielen habe ich einen typischen aerodynamischen Unterschied verwendet, den ich zwischen solchen Rädern gemessen habe, und einen übertriebenen Unterschied in der Radmasse von 0,5 kg.

Die Ergebnisse werden in Diagrammen dargestellt.

Es stellt sich heraus, dass, wenn Sie den Sprint aus der Geschwindigkeit (in diesem Fall 30 km / h) rollen, die schwereren Aero-Laufradfahrer sofort nach vorne schieben und ihr Vorsprung weiter wächst. Das schwerere Aero-Laufrad ist in diesem Szenario immer die bessere Wahl (ungeachtet der unzähligen anderen Faktoren für die Laufradauswahl - die ich im verlinkten Beitrag skizziere):

Es unterscheidet sich jedoch ein wenig von einem Stillstand, bei dem der Fahrer mit dem leichteren Laufrad einen anfänglichen Vorteil hat, der Fahrer mit dem schwereren Aero-Laufrad jedoch beginnt, den Fahrer mit dem leichteren Laufrad nach etwa 7 Sekunden einzuholen und zu überholen, und danach vom Fahrer mit dem leichteren Laufrad wegfährt .

Ein Hot-Dog-Crit mit den fast toten Stoppkurven stellt also ein interessantes Dilemma dar und könnte vielleicht von einer individuelleren Bewertung profitieren. Andernfalls, wenn das Rennen in Kurven nie wirklich langsamer wird, ist ein Aero-Laufradsatz fast immer schneller und / oder benötigt weniger Energie und beschleunigt schneller.

Natürlich hängt das genaue Szenario für jeden Einzelnen von der Form seiner Sprintleistung im Vergleich zur Zeit ab, da einige Fahrer eine höhere Spitzenleistung haben, einige Fahrer einen schnelleren Leistungsabfall erfahren und so weiter.

Die Prinzipien ändern sich jedoch nicht, da die Natur und die Gesamtform der Plots ähnlich sein werden, da die Energieversorgung festgelegt ist und es darum geht, die Summe aller Energiebedarfsfaktoren zu überwinden, dh Änderungen der kinetischen Energie, Überwindung des Luftwiderstands, Rollwiderstand , potenzielle Energieänderungen (Schwerkraft), Antriebsstrangreibung. Benötigen weniger Energie für den einen, und mehr steht für die anderen zur Verfügung.

In diesem Punkt behandle ich auch die Auswirkungen von Unterschieden in der Rotationsradmasse / im Trägheitsmoment, was sich als so kleiner Faktor herausstellt, dass er fast vernachlässigbar ist.

Ich denke, es kommt auf die Strecke an, die du fährst. Profis haben mehrere Laufradsätze und verwenden je nach Strecke, auf der sie an diesem Tag fahren, unterschiedliche Laufräder. Das Gewicht macht wirklich nur einen großen Unterschied, wenn Sie klettern oder beschleunigen. Für einen Kurs mit vielen Steigungen, bei dem der Luftwiderstand sowieso am geringsten ist, greifen sie daher oft zu einem sehr leichten Laufradsatz ohne Aerodynamikfelgen. Auf flachen Strecken und Zeitfahren, wo die Aerodynamik einen größeren Vorteil bietet, werden sie mit den etwas schwereren aerodynamischen Laufrädern fahren.

Ich habe kürzlich eine zusätzliche Analyse der in meiner vorherigen Antwort erwähnten Modellierung durchgeführt, diesmal unter Verwendung einer realistischen Leistungsabgabekurve für Beschleunigungen aus dem Stand und aus zwei rollenden Startszenarien anstelle der angenommenen flachen 1000 W, die im früheren Modell verwendet wurden.

Den vollständigen Link finden Sie hier: http://alex-cycle.blogspot.com.au/2014/12/the-sum-of-parts-ii.html

Aber kurz gesagt, die Schlussfolgerungen sind die gleichen, nur geringfügige Unterschiede im genauen Timing, wann Aero bei einem stehenden Start vorteilhafter wird. Wenn Sie bereits auf flachem Gelände rollen, ist dies immer die bessere Wahl, und ich habe ein drittes Szenario hinzugefügt, eine Beschleunigung einen Hügel hinauf von einer niedrigen Startgeschwindigkeit (denken Sie an eine kritische Kehrtwende am Fuß des Hügels). In diesem Fall gewinnt das Aero-Rad immer noch, es sei denn, die Ziellinie befindet sich in der Nähe der Kurve.

Beachten Sie, dass die Energieeinsparungen immer noch relativ bescheiden sind. Bei Rennen können sogar kleine Vorteile entstehen, um über Sieg oder Niederlage zu entscheiden, aber beim normalen Freizeitfahren sollten Sie vielleicht die Größenordnung leichterer Räder im Vergleich zu Aero-Laufrädern im Auge behalten, insbesondere wenn Ihr Budget begrenzt ist. Nur Sie können entscheiden, ob der relative Nutzen kosteneffektiv ist.