Vibration-Induced Power Loss in Cycling: Experimental Quantification on a Simulated Cobblestone Surface

Stellen Sie sich vor, Sie fahren mit einem Fahrrad auf einer glatten, flachen Straße. Sie spüren den Wind, der gegen Sie drückt, und Sie spüren, wie die Reifen über den Asphalt rollen. Lange Zeit haben Wissenschaftler und Ingenieure diese beiden Kräfte – den Luftwiderstand und die Reifenreibung – als die einzigen Faktoren behandelt, die Ihnen Ihre Energie stehlen. Es ist wie in einem Videospiel, bei dem man nur zwei Arten von Hindernissen ausweichen muss. Aber was wäre, wenn es einen dritten, unsichtbaren Dieb gäbe? Was wäre, wenn die Straße selbst das Fahrrad zum Zittern bringt und Ihr Körper dieses Zittern wie ein Schwamm aufsaugt, der Wasser aufnimmt? Dieser verborgene Energieverlust wird als „vibrationsbedingter Leistungsverlust“ bezeichnet. Er tritt auf, wenn eine holprige Straße Wellen durch den Fahrradrahmen, in die Reifen und schließlich in Ihre Knochen und Muskeln schickt. Ihr Körper, der wie ein komplexes System aus Federn und Dämpfern fungiert, muss hart arbeiten, um stabil zu bleiben, und verbrennt Energie, nur um nicht herumzuspringen. Wir wissen zwar, dass Schlaglöcher unangenehm sind, aber wir haben bisher nicht wirklich gemessen, wie viel Ihrer Pedalkraft genau nur dadurch verschwendet wird, dass Sie gegen dieses Zittern ankämpfen. Dies ist das Rätsel, das ein Forscherteam lösen wollte: Wie viel Energie verlieren Radfahrer tatsächlich nur deshalb, weil die Straße sie erschüttert?

Um diesen Fall zu lösen, verwandelten Forscher der Technischen Universität Delft und der KTH Royal Institute of Technology eine Sporthalle in ein Labor. Sie verwendeten keine echte, chaotische Kopfsteinpflasterstraße; stattdessen bauten sie eine „simulierte“ Version mit fünf Holzplanken, die in regelmäßigen Abständen auf dem Boden verteilt waren. Stellen Sie sich das wie einen riesigen, rhythmischen Trommelschlag für die Reifen des Fahrrads vor. Sie ließen einen Radfahrer über diese Strecke rollen (das heißt, sie hörten auf zu treten und ließen das Fahrrad einfach rollen) bei verschiedenen Geschwindigkeiten von 10 bis 30 km/h. Sie testeten das Fahrrad mit unterschiedlichen Reifendrücken (von 350 bis 550 kPa) und baten den Fahrer, seinen Stil zu ändern: normal sitzend, sitzend aber entspannt, sitzend aber angespannt wie eine Statue, und sogar im Stehen auf den Pedalen.

Das Team nutzte spezielle Sensoren, um genau zu messen, wie stark das Fahrrad langsamer wurde. Durch Subtraktion der durch Wind verlorenen Energie und der durch die Rollbewegung der Reifen verlorenen Energie konnten sie den „Vibrationsverlust“ isolieren – die Energie, die allein dadurch verschwand, dass das Fahrrad vibrierte.

Hier ist, was sie herausfanden, und das ist eine große Sache für jeden, dem es um Geschwindigkeit oder Komfort geht:

Die Geschwindigkeitsfalle
Der wichtigste Faktor war die Geschwindigkeit. Je schneller Sie fahren, desto mehr Energie verlieren Sie durch Vibration, und das steigt nicht nur ein wenig an – es steigt wie eine Rakete nach oben. Die Forscher fanden heraus, dass der Vibrationsverlust mit dem Quadrat der Geschwindigkeit steigt. Stellen Sie sich vor, das Wandern einen Hügel hinauf kostet 10 Schritte, aber das Rennen hinauf kostet 40 Schritte, weil Sie über jeden einzelnen Kieselstein springen müssen. Bei 30 km/h war der Vibrationsverlust massiv und erreichte bis zu 351 Watt. Um das einzuordnen: Ein Profi-Radfahrer tritt vielleicht nur einige hundert Watt mehr auf, um schneller zu fahren; diese Vibration hat einen riesigen Teil seiner Leistung gestohlen. Tatsächlich machte der Vibrationsverlust auf diesen unebenen Oberflächen bis zu 61,38 % des gesamten Energieverlusts des Fahrrads aus. Das bedeutet, mehr als die Hälfte der Anstrengung bestand nur daraus, gegen das Zittern anzukämpfen!

Das Reifendruck-Paradoxon
Man könnte meinen, dass das Aufpumpen der Reifen sie härter und elastischer macht, was auf unebenem Untergrund besser wäre. Aber die Studie deutet auf das Gegenteil bei unebenem Gelände hin. Als sie den Reifendruck von 350 kPa auf 550 kPa erhöhten, verschlechterte sich der Vibrationsverlust tatsächlich, besonders bei hohen Geschwindigkeiten. Bei 30 km/h führte die Erhöhung des Drucks dazu, dass der Vibrationsverlust um etwa 95 % anstieg. Es scheint, dass harte Reifen zwar auf glatten Straßen leichter rollen, aber auf einer unebenen Oberfläche mehr des Schocks an den Fahrer übertragen und somit mehr Energie verschwenden. Die „weichen“ Reifen fungierten eher wie bessere Stoßdämpfer, die die Unebenheiten eher aufsaugen, anstatt den Fahrer herumspringen zu lassen.

Das Geheimnis von Stehen vs. Sitzen
Einer der überraschendsten Befunde betraf die Körperhaltung. Wenn der Fahrer auf den Pedalen stand (die „Off-the-Saddle“-Position), verlor er deutlich weniger Energie durch Vibration als im Sitzen. Das Stehen ermöglichte es dem Fahrer, die Beine und Arme als zusätzliche Federung einzusetzen, um die Stöße abzufangen. Bei 25 km/h verlor der stehende Fahrer etwa 140 Watt durch Vibration, während der sitzende Fahrer über 200 Watt verlor. Das ist ein gewaltiger Unterschied. Die Forscher merkten jedoch an, dass das Stehen für ein langes Rennen schwierig einzuhalten ist und die Art und Weise verändert, wie der Fahrer das Fahrrad kontrolliert, wessofern es keine perfekte magische Lösung für jede Situation ist.

Der „Entspannungs“-Faktor
Das Team testete auch, ob die Muskelspannung des Fahrers eine Rolle spielt. Sie baten den Fahrer, „entspannt“, „normal“ oder „steif“ zu sein. Die Ergebnisse waren etwas ungeordnet und zeigten keinen klaren Gewinner wie Geschwindigkeit oder Körperhaltung. Manchmal half es, entspannt zu sein, bei niedrigen Geschwindigkeiten, aber bei höheren Geschwindigkeiten war der Unterschied zwischen steif oder entspannt nicht konsistent. Dies deutet darauf hin, dass zwar die Steifigkeit des Körpers eine Rolle spielt, es aber nicht so einfach ist, nach dem Motto „einfach entspannen“ Energie zu sparen.

Das Fazit
Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass wir nicht mehr nur Wind und Reifenreibung betrachten können. Auf unebenen Straßen ist die Vibration ein massiver Energiedieb, der einen eigenen Platz in der mathematischen Berechnung verdient. Sie entwickelten eine einfache Formel, um diesen Verlust vorherzusagen, die zeigt, dass er davon abhängt, wie schnell man fährt, wie hoch der Reifendruck ist und ob man sitzt oder steht. Obwohl diese Studie in einer kontrollierten Innenumgebung mit einem Fahrer und einem spezifischen Fahrrad durchgeführt wurde, beweist sie, dass der Energieverlust durch Vibration auf unebenen Oberflächen erheblich ist – manchmal stiehlt er mehr als die Hälfte der Leistung. Wenn Sie also das nächste Mal auf eine Kopfsteinpflasterstraße treffen, denken Sie daran: Sie kämpfen nicht nur gegen den Wind, sondern gegen das Zittern, und das Stehen könnte Ihre beste Verteidigung sein.