Damit ein Fahrrad schneller ist, kann man nicht einen stärkeren Motor einbauen, sondern muss es effizienter machen. Und dazu muss man die physikalischen Hintergründe kennen, damit man weiß, wo man optimieren muss und wo man sich Kompromisse erlauben kann.
– im Aufbau –
Die Luftwiderstandskraft wird bestimmt von der Frontfläche, dem Quadrat der Geschwindigkeit und dem Luftwiderstandkoeffizient:
F = A · v2 · cW
Die benötigte Energie ist Kraft mal Weg; die aufzubringende Leistung ist Energie pro Zeit, also Kraft mal Geschwindigkeit. Das bedeutet, die Geschwindigkeit geht beim Energieverbrauch nur quadratisch ein, bei der Leistung jedoch kubisch.
Der Luftwiderstand setzt sich zusammen aus dem Luftstau an der Stirnfläche (normalerweise dominierend) und der Luftreibung an der Seitenfläche (spielt eine Rolle bei aerodynamischen Verkleidungen mit geringem cW-Wert).
Was Energie kostet, sind sich ablösende Wirbel. Bei einer perfekt laminaren Strömung muss man zwar Kraft aufwenden, um die Luft, die den Weg versperrt, zur Seite zu drücken – bekommt diese Kraft (abzüglich der Seitenreibung) aber wieder, wenn die Luft hinter dem Fahrzeug zurückkehrt und dieses dabei vorwärts drückt. Wenn sich jedoch Wirbel bilden, geht diese Kraft für den Vortrieb verloren, sondern dient dazu, die Wirbel anzutreiben.
Eine raue Seitenfläche erzeugt zwar mehr Seitenreibung, aber die dadurch erzeugte dickere Grenzschicht ist unempfindlicher gegenüber Störungen (Haifischhaut-Effekt). So kann man noch mit laminarer Strömung fahren, wo sich bei einem Fahrzeug mit perfekt glatter Oberfläche die Strömung schon ablöst und verwirbelt.
Die Oberseite eines Laufrads bewegt sich mit doppelter Fahrtgeschwindigkeit gegen den Fahrtwind. Das obere Drittel speziell des Vorderrads erzeugt also relativ viel Luftwiderstand, hier lohnt sich Optimierung (siehe carbonsports.de) – gerade z.B. im Windschatten,