Die Mechanik des Rollwiderstands
Wir legen grossen Wert auf die Reifenwahl, denn Reifen sind wahrscheinlich die einzelne Komponente, die den grössten Einfluss auf die Performance eines Fahrrads haben kann.
Obwohl der Rollwiderstand in den meisten Fällen einen kleineren Anteil am Gesamtwiderstand ausmacht als der Luftwiderstand, können die Unterschiede durch Reifenwahl und Reifendruck oft grösser sein als die Verbesserungen, die sich durch aerodynamische Optimierungen erzielen lassen.
Walkarbeit und innere Verluste
Die Walkarbeit des Reifens ist meist das Erste, woran man beim Thema Rollwiderstand denkt.
Wenn wir uns die Aufstandsfläche eines Reifens anschauen, wird der Reifen im vorderen Bereich der Aufstandsfläche zusammengedrückt und dehnt sich im hinteren Bereich wieder aus. Während dieses Verformungszyklus wird jedoch ein Teil der Energie durch innere Reibung in Wärme umgewandelt. Dadurch gibt der Reifen beim Ausdehnen nicht mehr die gesamte Energie zurück, die zuvor für seine Verformung aufgewendet werden musste.
Dies beeinflusst auch die Druckverteilung innerhalb der Aufstandsfläche. Während man erwarten könnte, dass die Druckverteilung um die Radachse symmetrisch ist, trifft dies bei einem rollenden Reifen nicht zu. Aufgrund der Hysterese des Reifenmaterials ist der Druck im vorderen Bereich der Aufstandsfläche in der Regel höher als im hinteren.
Wenn wir den Druck über die gesamte Aufstandsfläche integrieren, erhalten wir die gesamte vertikale Kraft, mit der das Rad abgestützt wird. Da der Angriffspunkt dieser resultierenden Kraft gegenüber der Radachse nach vorne verschoben ist, entsteht ein Drehmoment, das der Rotation des Rades entgegenwirkt.
Dieses bremsende Drehmoment ist die Art und Weise, wie sich die inneren Energieverluste des Reifens als Rollwiderstand bemerkbar machen.
Diese Verluste werden üblicherweise auf Prüfständen mit rotierenden Trommeln gemessen, einer Methode, die seit Jahrzehnten in der Reifenprüfung eingesetzt wird. Lange Zeit dominierten solche Trommeltests die Bewertung und Diskussion des Rollwiderstands im Radsport. Da ein höherer Reifendruck auf glatten Oberflächen in der Regel die Verformung des Reifens und die damit verbundenen Energieverluste reduziert, wurde ein hoher Reifendruck zum Synonym für einen niedrigen Rollwiderstand.
Oberflächenunebenheiten und Vibrationen
Sobald wir auf einer Oberfläche fahren, die nicht vollkommen glatt ist, treten zusätzliche Verluste auf.
Wenn unser Rad auf eine Unebenheit trifft, wirkt eine Kraft auf das Rad, die hauptsächlich nach oben, aber auch leicht entgegen der Fahrtrichtung gerichtet ist. Fahren wir sehr langsam, wirkt beim Herunterrollen von der Unebenheit eine ähnliche Kraft, deren horizontale Komponente nun allerdings in Fahrtrichtung zeigt. In diesem Fall kann ein grosser Teil der Energie, die zum Anheben des Rades benötigt wurde, beim Herunterrollen wieder zurückgewonnen werden.
Bei üblichen Fahrgeschwindigkeiten kann die Kraft beim Herunterrollen jedoch deutlich kleiner sein als beim Auftreffen auf das Hindernis. Die Masse von Fahrrad und Fahrer muss beim Überfahren einer Unebenheit nach oben beschleunigt werden, wodurch die Kontaktkraft zunimmt. Bewegt sich das Rad anschliessend wieder nach unten, kann die Trägheit die Kontaktkraft reduzieren. Im Extremfall verliert das Rad den Kontakt zum Untergrund vollständig. Die Kontaktkraft beträgt dann auf dem Weg nach unten null, bis das Rad wieder auf dem Boden auftrifft.
Wir können uns diesen Vorgang auch anhand unseres zuvor besprochenen Modells der Reifenaufstandsfläche vorstellen. Wenn das Rad auf eine Unebenheit trifft, entsteht eine hohe Druckspitze vor der Radachse, die ein bremsendes Drehmoment erzeugt. Wird dieses nicht durch ein entsprechendes, in Fahrtrichtung wirkendes Drehmoment beim Überrollen der Unebenheit ausgeglichen, wird Energie aus der Vorwärtsbewegung des Fahrrads in vertikale Bewegung und Vibrationen übertragen.
Zusätzlich wirkt die Kraft auf das Rad nun nicht mehr rein vertikal. Beim Auftreffen auf ein Hindernis besitzt die Kontaktkraft auch eine horizontale Komponente, die entgegen der Fahrtrichtung wirkt. Diese trägt direkt zum Widerstand bei, den das Fahrrad erfährt, unabhängig davon, ob die Kraft ein Drehmoment um die Radachse erzeugt.
Beim Fahren über rauen Asphalt, Kopfsteinpflaster oder Schotter wiederholt sich dieser Vorgang mit hoher Frequenz. Dadurch entstehen die Schwingungen, die wir als Vibrationen wahrnehmen. Ein grosser Teil der Energie, die durch diese kleinen, aber häufigen Stösse übertragen wird, wird schliesslich im Körper des Fahrers, im Fahrrad und in seinen Komponenten in Wärme umgewandelt.
Ein grösseres Reifenvolumen und ein niedrigerer Reifendruck ermöglichen es dem Reifen, Unebenheiten besser aufzunehmen. Dadurch werden weniger Vibrationen auf Fahrrad und Fahrer übertragen.
Dies erklärt mit, weshalb Reifen in den letzten Jahren immer breiter geworden sind und weshalb der optimale Reifendruck einen Kompromiss zwischen der Minimierung der inneren Verluste im Reifen und der Reduktion der durch Vibrationen verlorenen Energie darstellt.
Verformung des Untergrunds
Die dritte Komponente des Rollwiderstands, die erstaunlich wenig Beachtung findet, ist die Verformung des Untergrunds.
Wenn wir eine bleibende Reifenspur hinterlassen, haben wir offensichtlich Energie aufgewendet, um den Untergrund zu verformen. Jeder, der schon einmal durch tiefen Sand oder eine aufgeweichte Wiese gefahren ist, weiss aus eigener Erfahrung, wie gross der dadurch entstehende Widerstand sein kann.
Auch hier können wir unser Modell der Reifenaufstandsfläche verwenden, um zu verstehen, was passiert. Während der Reifen vorwärtsrollt, schiebt er Material vor sich her und verdichtet den Untergrund unter dem Rad. Dadurch nehmen die Kräfte zu, die auf den vorderen Bereich des Reifens wirken. Die resultierende Kontaktkraft verschiebt sich gegenüber der Radachse nach vorne und erzeugt ein grösseres bremsendes Drehmoment. Gleichzeitig besitzen die schräg wirkenden Kontaktkräfte eine horizontale Komponente, die unserer Fahrtrichtung direkt entgegenwirkt.
Im Gegensatz zur Verformung des Reifens selbst, die abgesehen von den inneren Hystereseverlusten weitgehend reversibel ist, kann die Verformung eines weichen oder losen Untergrunds erhebliche Energie erfordern, die nach dem Überrollen nicht wieder zurückgewonnen wird.
Indem wir den Reifendruck reduzieren und grössere Reifen verwenden – sowohl hinsichtlich ihrer Breite als auch ihres Durchmessers –, können wir die Last auf eine grössere Fläche verteilen und reduzieren, wie tief der Reifen in den Untergrund einsinkt. Dadurch lässt sich der Rollwiderstand verringern.
Testmethoden
Trommelprüfstände gehören zu den präzisesten und am besten reproduzierbaren Methoden, um Reifen miteinander zu vergleichen. Bicycle Rolling Resistance veröffentlicht Testergebnisse für eine grosse Auswahl an Reifen und ist damit eine hervorragende Informationsquelle. Wer hauptsächlich auf glattem Asphalt unterwegs ist, trifft mit einer Reifenwahl auf Basis dieser Ergebnisse eine durchaus vernünftige Entscheidung.
Allerdings haben Trommeltests eine wichtige Einschränkung: Sie erfassen hauptsächlich die Walkverluste im Reifen, nicht aber die zusätzlichen Verluste durch Vibrationen oder die Verformung des Untergrunds. Solange man Reifen mit ähnlicher Breite und ähnlichem Durchmesser vergleicht, können Trommeltests dennoch einen guten Anhaltspunkt dafür liefern, welcher Reifen schneller ist – auch ausserhalb des Labors.
Wer alle Formen des Rollwiderstands in seine Tests einbeziehen möchte, hat zwei praktikable Möglichkeiten: Zeitmessungen auf einer definierten Strecke oder die sogenannte Virtual-Elevation-Methode.
Der Versuchsaufbau für eine Zeitmessung ist denkbar einfach: Man wählt eine Strecke, fährt sie mit konstanter Leistung ab und misst die benötigte Zeit. Die saubere Durchführung ist allerdings alles andere als einfach. Über mehrere Durchgänge exakt dieselbe Leistung zu halten, ist schwierig. Zudem können bereits kleine Veränderungen der Windverhältnisse die Ergebnisse beeinflussen, ohne dass man dies überhaupt bemerkt.
Tests mit der Virtual-Elevation-Methode sind etwas aufwendiger. Man benötigt zusätzliche Ausrüstung, beispielsweise einen präzisen Geschwindigkeitssensor und eine Waage zur Bestimmung des Gesamtsystemgewichts, sowie eine geeignete Software.
Der grosse Vorteil dieser Methode ist, dass weder eine konstante Leistung noch eine konstante Geschwindigkeit erforderlich ist. Stattdessen werden die aufgezeichneten Leistungs- und Geschwindigkeitsdaten verwendet, um anhand eines mathematischen Modells der auf das Fahrrad wirkenden Kräfte ein virtuelles Höhenprofil zu berechnen.
Beeinflussen äussere Faktoren wie Wind oder Veränderungen der Sitzposition die Messung, lassen sich diese häufig anhand von Abweichungen zwischen den berechneten Höhenprofilen verschiedener Testdurchgänge erkennen. Dadurch können fehlerhafte Messungen leichter identifiziert und ausgeschlossen werden. Allerdings lassen sich auch mit dieser Methode nicht sämtliche Fehlerquellen eliminieren.
Aus diesen Gründen verwenden wir für unsere eigenen Tests die Virtual-Elevation-Methode. Sie ist nicht perfekt, aber nach unserer bisherigen Erfahrung die beste praktikable Methode, um die Performance verschiedener Komponenten unter realen Fahrbedingungen miteinander zu vergleichen.
