Das Madone hat sich von Anfang an der Geschwindigkeit verschrieben. Da sowohl Fahrräder als auch Radrennen immer schneller werden, braucht man eine bessere Technologie als je zuvor, um an der Spitze zu bleiben. Seit das erste Madone im Jahr 2003 vorgestellt wurde, ist die Durchschnittsgeschwindigkeit der Profis um etwa 1.5 km/h gestiegen. Das bedeutet, dass Fahrer:innen von vor zwanzig Jahren ihre Leistung um mehr als 35 Watt erhöhen müssten, um mit der heutigen Geschwindigkeit zu fahren, vorausgesetzt, die Ausrüstung hätte sich nicht weiterentwickelt, um schneller zu werden. Bei diesen Geschwindigkeiten ist der Luftwiderstand für fast 90% der Widerstandsleistung verantwortlich, so dass die Verbesserung der Aerodynamik für alle, die gewinnen wollen, von größter Bedeutung ist.

Das neue Madone ist die nächste Evolutionsstufe eines Rennrads. Hier erfährst du, welche Aerodynamik hinter unserem schnellsten Straßenrennrad aller Zeiten steckt.

IsoFlow: Gesamtdruck und Rahmenwiderstand

Die offensichtlichste Änderung am neuen Madone ist das brandneue IsoFlow-Feature, das die Aerodynamik, das Gewicht und den Komfort auf einem Rennrad verbessert. Aber wie reduziert es den Luftwiderstand? IsoFlow wurde zuerst entwickelt, indem wir die Bereiche mit hohem Luftwiderstand am Madone der sechsten Generation identifiziert und den Luftstrom an diesen Stellen untersucht haben. In der Anfangsphase der Entwicklung verwenden wir dazu eine Luftstromsimulationssoftware namens Computational Fluid Dynamics (CFD).

An diesem Punkt des Entwurfsprozesses sind wir oft nicht so sehr mit der Modellierung kleiner Komponenten wie Flaschenhalter und Speichen beschäftigt. Stattdessen konzentrieren wir uns darauf, die Simulationsgeschwindigkeit zu erhöhen, um mehr Entwürfe zu generieren. Das Ergebnis ist eine Simulation, die die Bewegung des Luftstroms relativ genau modelliert. Das Einzige, was wir nie auslassen, ist der Fahrer (auch wenn wir ihn manchmal aus Gründen der Visualisierung ausblenden), den wir in die CFD-Simulation einbeziehen. Entweder lassen wir den Fahrer dynamisch in die Pedale treten oder modellieren eine Reihe von Beinpositionen während des Pedalzyklus. Wir simulieren Tausende von Bedingungen und Prototypen in CFD, um schnell mehr Designs zu untersuchen, als es mit Windkanal- oder Fahrversuchen je möglich wäre.

Unten siehst du eine Illustration von CFD in der Frühphase des Madone der vorherigen Generation im Vergleich zu einem IsoFlow-Konzeptrad. Hier stellen wir Bereiche mit hohem Luftwiderstand als „Wolken“ dar, wobei Rot für den größten Luftwiderstand steht. In diesem Fall ist der Fahrer oder die Fahrerin nicht zu sehen, damit wir besser erkennen können, was der Luftstrom am Rahmen bewirkt. Diese Illustration zeigt deutlich, wie Luftwiderstands-Hotspots durch die Einbeziehung des neuen IsoFlow beseitigt werden.

Die roten Wolken stehen zwar stellvertretend für den Luftwiderstand, aber in Wirklichkeit stehen sie für den „Gesamtdruck“. Ohne zu tief in aerodynamische Konzepte einzutauchen, kann man sich den Gesamtdruck als Maß für die Energie in der Strömung vorstellen. Wir wollen Bereiche mit niedrigem Gesamtdruck (oder niedriger Energie) vermeiden, weil sie Widerstand verursachen. Je nachdem, wie interessant dein Physiklehrer war, hast du vielleicht etwas über die Energieerhaltung gelernt. Das gilt auch hier: Wenn dem Luftstrom Energie entzogen wird, kommt sie von irgendwoher. In diesem Fall sind das deine Beine!

Im neuen Design des Madone SLR ist IsoFlow in der Lage, die Energie des Luftstroms um und durch die Sitzstrebengruppe zu erhöhen, indem es einen klaren Weg für den Luftstrom schafft. Dies verbessert das traditionelle Design, bei dem sich die Luft um das Sitzrohr und die Sitzstreben quetschen muss, wodurch sie mit den sich bewegenden Beinen interagiert, was wiederum den Luftwiderstand erhöht.

IsoFlow und der Luftwiderstand des Fahrers

IsoFlow reduziert nicht nur den Luftwiderstand am Rahmen. Die sich schnell bewegende Luft, die durch IsoFlow strömt, trägt dazu bei, Energie in den Bereich zu leiten, in dem der meiste Luftwiderstand erzeugt wird – hinter und unter dem Fahrer. Wenn du in die Pedale trittst, bilden sich gegenläufige Wirbel, da die Luft versucht, all die Drehungen und Wendungen zu bewältigen, die sie braucht, um deinen Rücken und deine Beine zu umströmen. Dieser Effekt ist in einigen angesehenen Universitätsstudien dokumentiert, und wir können ihn auch in unserem CFD sehen. In der Animation unten sind die gegenläufigen Wirbel nach Größe und Richtung ihrer Drehung eingefärbt, um sie voneinander zu unterscheiden.

Der größte Teil des Luftwiderstands wird durch den Fahrer verursacht. IsoFlow hilft, die Luft in den Niederdruckbereich zu leiten und den vom Fahrer erzeugten Luftwiderstand zu reduzieren. Der Effekt ist gering, aber jede kleine Änderung des enormen Luftwiderstands, den ein Fahrer erzeugt, kann oft mehr bewirken als eine Reduzierung des Luftwiderstands am Rahmen. Die Animation unten zeigt erneut die Wirbel des Fahrers, diesmal jedoch nach dem Gesamtdruck gefärbt, und hebt die Stromlinien durch IsoFlow hervor, die sich nach oben bewegen, um der Fahrernachlaufströmung Energie hinzuzufügen.

Der Umgang mit „schmutziger Luft“

Da der hintere Teil des Fahrrads von „schmutziger Luft“ umgeben ist, fragen Sie sich vielleicht, ob Merkmale wie IsoFlow viel Potenzial zur Verbesserung der Aerodynamik bieten können. Es stimmt, die „dirty air“ – die turbulente Luft im hinteren Bereich des Fahrrads, die durch rotierende Räder und tretende Beine verursacht wird – stellt eine echte Herausforderung dar. Aber die vorherrschende Luftströmung eines Fahrrads kann dennoch beeinflusst werden, um den Luftwiderstand zu verringern.

Formel-1-Autos haben von vorne bis hinten aerodynamische Merkmale, um die Luftströmung zu optimieren, auch wenn schmutzige Luft ein größeres Problem darstellt, je weiter sich die Luft am Auto entlang bewegt. Bei Fahrrädern hat sich der Nutzen aerodynamischer Komponenten, wenn es darum geht, die schmutzige Luft im hinteren Bereich des Fahrrads abzuschneiden, in allen Renndisziplinen – Zeitfahren, Triathlon, Bahnrennen – durch den Einsatz von aerodynamischen Scheibenrädern am Hinterrad vielfach bewährt.

Die Auswirkungen des Pedalierens und der „schmutzigen Luft“ lassen sich besser im Windkanal untersuchen. Dorthin bringen wir unsere Prototypen, nachdem unsere vielversprechendsten Konzepte aus der Strömungsberechnung hervorgegangen sind. Die Windkanäle, die wir verwenden, werden von führenden Luft- und Raumfahrtunternehmen für ihre Konstruktions- und Forschungszwecke genutzt, da sie in der Lage sind, winzige Änderungen der Luftwiderstandskraft zu messen und eine hochwertige Luftströmung zu gewährleisten.

Genau wie bei CFD testen wir die Aerodynamik immer mit einem Fahrer auf dem Fahrrad. Schließlich fahren Fahrräder nicht von selbst. Und der Fahrer hat einen enormen Einfluss auf die aerodynamischen Eigenschaften eines Rahmens. Aber die Einbeziehung des Fahrers stellt ein Problem dar. Wir verändern die Oberflächen oft nur um wenige Millimeter, so dass unsere Ergebnisse im Windkanal sehr wiederholbar sein müssen, um Unterschiede im Luftwiderstand von Modell zu Modell zu erkennen. Selbst die erfahrensten Radprofis sind nicht in der Lage, ihre Bewegungen so genau zu wiederholen, dass wir einen subtilen Effekt von einer einzigen kleinen Designänderung isolieren können. Was können wir also tun? Wir setzen Manny, die radelnde Schaufensterpuppe, ein.

Manny vereint die Vorteile von Tests mit einem Fahrer (einschließlich realistischer Aerodynamik und der Möglichkeit, die Auswirkungen von durch den Körper und das Treten erzeugten Turbulenzen zu untersuchen) und vermeidet gleichzeitig die Nachteile eines Menschen, der keine perfekte Position einnehmen kann (und der sich nach einem langen Tag im Windkanal beschweren könnte). Mit Manny können wir Designänderungen mit einer Wiederholbarkeit von etwa ±1 Watt bei 45 km/h untersuchen. Wir führen immer noch Windkanaltests mit echten Fahrern durch, um unsere Ergebnisse zu verifizieren und die Auswirkungen der Ausrüstung auf bestimmte Trek-Segafredo-Rennfahrer zu untersuchen, aber mit Manny beginnt die Magie.

Um sicherzustellen, dass wir von Test zu Test die gleichen Ergebnisse erhalten, folgen wir jedes Mal einem bestimmten Windkanal-Testprotokoll. Sowohl Mannys Beine als auch die Räder des Fahrrads drehen sich, um die Straßenbedingungen zu simulieren. Mit Hilfe eines Drehtischs drehen wir dann den gesamten Aufbau in Gierwinkeln (der Winkel, in dem der Wind beim Fahren auf einen trifft) von -25° bis +25°, um Seitenwinde zu simulieren. Diese Bedingungen entsprechen den meisten Gierwinkeln, denen ein normaler Fahrer ausgesetzt ist. Wir führen die meisten Tests bei oder in der Nähe von 45 km/h durch (für Aero-Freaks: die genaue Geschwindigkeit ändert sich von Test zu Test, da wir mit einer konstanten Reynolds-Zahl testen), aber wir bestätigen unsere Ergebnisse auch bei niedrigeren Geschwindigkeiten. Das Ergebnis ist ein Luftwiderstand (gemessen in CDA) im Vergleich zur Gierkurve, der wie folgt aussieht:

Diese Daten zeigen, dass sich die im CFD geschätzten Verbesserungen des Luftwiderstands im Windkanal bestätigt haben. Schon beim Wechsel von der vorherigen Generation auf das neue Madone der siebten Generation sinkt der Luftwiderstand drastisch, sobald der Fahrer auch nur in einen leichten Seitenwind gerät. In diesem Szenario befindet sich der Fahrer in genau der gleichen Position, wenn er die vorherige Generation mit dem neuen Fahrrad vergleicht.

Wenn der Fahrer jedoch den neuen Madone-Lenker/Vorbau verwendet und die gleiche Lenkergröße wie bei den Vorgängergenerationen beibehält, werden die Schalthebel um 3 cm nach innen versetzt. Die daraus resultierende aerodynamische Position führt zu einer zusätzlichen Verringerung des Luftwiderstands bei fast allen Gierwinkeln, insbesondere bei geringen Seitenwindverhältnissen.

Wenn der Fahrer auf eine schmalere Armposition verzichten möchte, kann er entweder die Größe seines neuen Madone-Lenkers/Vorbaus erhöhen oder eine andere Lenkerlösung verwenden.

Was bedeutet das für die Fahrer?

Um die Fahrräder einfacher zu vergleichen, können wir den Luftwiderstand über alle Gierwinkel hinweg ermitteln, um eine Luftwiderstandszahl für jedes Rad zu erhalten. Ein direkter Durchschnitt ist jedoch nicht repräsentativ für die reale Welt, da man nicht jeden Gierwinkel gleich oft trifft. Stattdessen müssen wir einen Durchschnitt anwenden, der berücksichtigt, wie oft jeder Winkel oder jede Seitenwindbedingung auftritt.

Zu diesem Zweck berechneten wir den theoretischen Prozentsatz der Zeit, die ein Fahrer bei jedem Gierwinkel über viele Fahrten und Windbedingungen hinweg verbringt, unter Verwendung der Rayleigh-Windverteilung, die den normalen Windbedingungen auf der Erde nahe kommt. Anschließend haben wir diese Berechnungen mit Daten validiert, die wir bei realen Fahrten mit einem Windsensor an Bord des Fahrrads gesammelt haben. Die häufigsten Bedingungen sind geringe Seitenwinde – oder geringe Gierwinkel (0° ist die häufigste). Keine einzelne Fahrt wird genau dieser Gierverteilung entsprechen, aber je länger man fährt, desto mehr nähert man sich ihr mit der Zeit an.

Um die Daten aussagekräftiger zu machen, wird der giergewichtete Luftwiderstand in Leistungs- und Zeiteinsparungen durch das neue Fahrrad umgerechnet. So ergibt sich beispielsweise durch die Änderung des Fahrrads und der Sitzposition eine Zeitersparnis von 60 Sekunden über eine Stunde für einen Fahrer, der die gleiche Anstrengung im Vergleich zur vorherigen Madone-Generation unternimmt.

Das Madone wurde mit Blick auf unser professionelles Rennteam entwickelt, aber alle Fahrer:innen können von diesen aerodynamischen Vorteilen profitieren. Die Zeitersparnis, die Fahrer:innen sehen, ist nicht so abhängig von der Fahrgeschwindigkeit, wie du vielleicht denkst, da du bei niedrigeren Geschwindigkeiten mehr Zeit hast, um den aerodynamischen Vorteil zu nutzen.

Und für die Profis, die mit immer höheren Renngeschwindigkeiten konfrontiert werden, ist das neue Madone eine wichtige Ergänzung zu den aerodynamischen Verbesserungen, die ihnen zur Verfügung stehen. Mit diesen Windkanal-Ergebnissen könnte das neue Madone SLR und seine Aero-Lenkerposition einem Fahrer, der vom alten Madone umsteigt, bei den heutigen Durchschnittsgeschwindigkeiten des Spring Monuments helfen, seine Geschwindigkeit um weitere 0,7 km/h zu erhöhen. Das ist fast die Hälfte des gesamten Geschwindigkeitszuwachses seit dem Original-Madone aus dem Jahr 2003 und eine echte Evolution in Sachen Aerodynamik.