De Madone is al sinds de allereerste versie een pure snelheidsmachine geweest. Omdat zowel de fietsen als de wielersport steeds sneller zijn geworden, is er betere technologie nodig om het peloton voor te blijven.

Sinds de eerste Madone in 2003 werd gelanceerd, is de gemiddelde snelheid van profrijders tijdens de voorjaarklassiekers toegenomen met grofweg 1,5 km/u. Dat betekent dat een rijder van 20 jaar geleden 35 watt meer vermogen zou moeten leveren om de snelheden van vandaag te kunnen bijbenen, mits zijn materiaal hetzelfde zou zijn gebleven. Bij deze snelheden zorgt luchtweerstand voor bijna 90% van de totale weerstandskrachten en daarom is het verbeteren van de aerodynamica het belangrijkste aandachtspunt voor iedereen die graag wil winnen.

De gloednieuwe Madone is een volgende stap in de evolutie van de racefiets. Lees het onderstaande verhaal om meer te leren over de aerodynamica van onze snelste racefiets ooit.

IsoFlow, totale druk en luchtweerstand van het frame

De meest zichtbare verandering aan de nieuwe Madone is de gloednieuwe IsoFlow-techologie die de aerodynamica verbetert, het gewicht verlaagt en het comfort verhoogt. Maar hoe wordt met deze technologie de luchtweerstand verlaagd?

Bij het eerste ontwerp van IsoFlow hebben we de luchtstroom bestudeerd op plekken die veel weerstand opleverden op het frame van de 6e-generatie Madone. In de eerste ontwerpfasen deden we dat met een luchtstroomsimulatiesoftware ofwel Computational Fluid Dynamics (CFD, numerieke stromingsleer).

Op dit punt in het ontwerpproces maken we ons nog niet zo druk om kleinere onderdelen zoals bidonhouders of spaken. In plaats daarvan richten we ons op het verhogen van de simulatiesnelheid om verschillende ontwerpen te kunnen testen. Het resultaat is een simulatie die behoorlijk nauwkeurig de grote luchtstromen in kaart brengt. Dat proces kost met behulp van onze supercomputers slechts enkele uren in plaats van dagen. Ondanks dat we hem vaak weglaten uit de visualisaties, nemen we wel degelijk de rijder mee in de CFD-analyses: ofwel in de vorm van een dynamische trapbeweging, ofwel door een serie van beenposities tijdens de volledige trapcyclus. We simuleren met behulp van CFD duizenden omstandigheden en prototypes om sneller meerdere ontwerpen te kunnen bestuderen dan we normaal zouden doen met windtunnel- of praktijktesten.

Hieronder staat een illustratie van de eerste CFD-analyses met de Madone van de vorige generatie in vergelijking met een IsoFlow-conceptfiets. Hierbij worden de gebieden met hoge luchtweerstand gevisualiseerd als ’wolken’ waarbij de kleur rood de meeste weerstand aangeeft. In dit voorbeeld is de rijder uit het beeld gelaten om beter te kunnen zien hoe de luchtstroom langs het frame beweegt. In deze illustratie is duidelijk zichtbaar hoe bepaalde hotspots met veel weerstand verdwijnen door toevoeging van de nieuwe IsoFlow-techniek.

Hoewel de rode wolken het bewijs zijn van luchtweerstand, zijn ze eigenlijk de weergave van de zogenaamde ’totale druk.’ Zonder al te diep in te gaan op aerodynamische concepten, kun je totale druk zien als een maatstaf voor de energie in de luchtstroom. We willen eigenlijk gebieden met een lage totale druk (ofwel lage energie) vermijden omdat die zorgen voor luchtweerstand. Hopelijk gaf je natuurkundeleraar vroeger boeiende lessen, want dan herinner je je misschien iets over de wet van behoud van energie. Die is hier van toepassing: als energie uit de luchtstroom wordt verwijderd, dan komt die energie ergens vandaan. In dit geval is dat ’ergens’ je benen!

Bij het nieuwe ontwerp van de Madone SLR verhoogt IsoFlow de energie van de luchtstroom rond en door de zitbuisconstructie, want er wordt een schoon pad gecreëerd voor die luchtstroom. Dit is een verbetering ten opzichte van het traditionele ontwerp waarbij lucht zichzelf om de zitbuis en staande achtervorken moet persen. Dat levert een interactie op met je bewegende benen waardoor de luchtweerstand juist wordt verhoogd.

IsoFlow en luchtweerstand van de rijder

IsoFlow doet meer dan alleen de luchtweerstand van het frame verlagen. De snel bewegende lucht die door de IsoFlow stroomt, helpt om energie toe te voegen aan het gebied waar de meeste luchtweerstand wordt gegenereerd, namelijk achter en onder de rijder. Terwijl je trapt, worden er tegengesteld draaiende wervelingen gevormd omdat de lucht probeert op allerlei manieren rond je rug en benen te bewegen. Dit effect is uitgebreid onderzocht in enkele vooraanstaande universitaire studies, en we kunnen het ook terugzien in onze CFD-analyses. In de onderstaande animatie zijn de tegengesteld draaiende wervelingen gekleurd en zijn de omvang en draairichting goed te onderscheiden.

De meeste luchtweerstand van het fiets/rijder-systeem komt van de rijder zelf en dit wordt grotendeels veroorzaakt door dit hierboven beschreven effect. IsoFlow stuurt de lucht in de richting van dit lagedrukgebied waardoor de luchtweerstand die de rijder creëert wordt verlaagd. Dit effect is weliswaar klein, maar elke kleine verandering in de grote hoeveelheid luchtweerstand die de rijder veroorzaakt, kan vaak meer effect hebben dan verminderingen van de frame-luchtweerstand. De onderstaande animatie toont opnieuw de wervelingen rond de rijder, maar dit keer staat de kleur voor de totale druk en zijn de stroomlijnen benadrukt die via de IsoFlow energie toevoegen aan het kielzog achter de rijder.

De effecten van de trapbeweging en ’vuile lucht’ kunnen uitgebreider worden bestudeerd in de windtunnel. Daar nemen we de prototypes die zijn gemaakt op basis van de meest veelbelovende concepten uit de CFD-analyses mee naartoe. Wij maken gebruik van windtunnels die ook worden gebruikt door toonaangevende bedrijven in de luchtvaartindustrie omdat ze daar in staat zijn om kleine veranderingen in de luchtweerstandskrachten te meten en constante luchtstromen kunnen genereren.

Net als bij CFD, testen we de aerodynamica altijd met de rijder op de fiets. Fietsen rijden tenslotte niet uit zichzelf. En de rijder heeft een enorme invloed op de aerodynamische kwaliteiten van het frame. Maar de toevoeging van een rijder zorgt wel voor een probleem. We veranderen soms slechts een paar millimeter aan een ontwerp en daarom moeten de resultaten in de windtunnel zeer goed reproduceerbaar zijn om weerstandsverschillen tussen het ene en het andere model te kunnen meten. Echter, zelfs de meest ervaren professionele fietsers zijn niet in staat om hun bewegingen accuraat genoeg te herhalen om de subtiele effecten van een kleine verandering in het ontwerp te kunnen meten. Hoe hebben we dit opgelost?

We hebben de hulp ingeroepen van Manny, de trappende mannequin.

Manny heeft de voordelen van het testen met een rijder (inclusief realistische aerodynamica en de mogelijkheid om de effecten van turbulentie die worden veroorzaakt door het lichaam en de trapbeweging te bestuderen) terwijl we de nadelen vermijden van een mens dat niet in de perfecte houding kan blijven zitten (en gaat klagen na een lange dag in de windtunnel). Met Manny kunnen we ontwerpveranderingen bestuderen en reproduceren met een nauwkeurigheid van ongeveer 1 watt bij 45 km/u. We voeren nog steeds windtunneltesten uit met echte mensen om onze resultaten te verifiëren en om de impact van de uitrusting te bestuderen op bepaalde Trek-Segafredo-rijders, maar de magie begint met Manny.

Deze data laat zien dat de verbeteringen in de luchtweerstand die we hadden berekend met de CFD werden bevestigd in de windtunnel. Alleen al door de veranderingen aan de fiets van de vorige naar de nieuwe (zevende generatie) Madone, is de luchtweerstand flink afgenomen, zelfs als de rijder te maken krijgt met geringe zijwind. In dit scenario zit de rijder op de nieuwe fiets nog in exact dezelfde positie als op de vorige generatie fietsen.

Echter, als de rijder de nieuwe Madone stuur/stuurpen-combi gebruikt en dezelfde stuurbreedte kiest als de vorige generatie, dan zijn de bedieningshendels 3 cm naar binnen geplaatst. De daaruit resulterende aerodynamische positie heeft een extra verlaging van de luchtweerstand bij vrijwel alle aanstroomhoeken tot gevolg, en zeker bij omstandigheden met geringe zijwind.

Als de rijder niet wil kiezen voor een smallere armpositie, dan kan hij of zij kiezen voor een iets bredere stuur/stuurpen-combo op de nieuwe Madone of kiezen voor een andere stuuroptie. Ze zullen dan nog steeds profiteren van de verbeteringen aan de fiets, maar niet die van de positieverandering.

Wat betekent dit voor rijders?

Om fietsen op een eenvoudige manier te vergelijken, kunnen we het gemiddelde nemen van de luchtweerstand onder alle verschillende aanstroomhoeken zodat we slechts één weerstandsgetal krijgen voor elke fiets. Een getalsmatig gemiddelde is echter geen afspiegeling van een realistische situatie omdat je in tijd gemeten niet telkens even lang onder een gegeven aanstroomhoek fietst. In plaats daarvan moeten we een gewogen gemiddelde nemen zodat we rekening houden met hoe lang je met een bepaalde zijwind rijdt.

Om dit te doen hebben we een theoretisch percentage berekend van de tijd die een rijder doorbrengt onder een bepaalde aanstroomhoek, rekening houdend met verschillende soorten ritten en windomstandigheden. We hebben daarbij gebruikgemaakt van de zogenaamde ’Rayleigh windverdeling’, die een schatting maakt van de normale windomstandigheden op aarde. We hebben deze berekeningen vervolgens gevalideerd met data die we hebben verzameld tijdens praktijktesten met een windsensor op de fiets. De meest voorkomende omstandigheden zijn die met een geringe zijwind, ofwel een lage aanstroomhoek (0° is het meest voorkomend). Geen enkele rit zal exact overeenkomen met deze aanstroomhoekverdeling, maar hoe langer je rijdt, hoe dichter je bij deze theoretische situatie komt.

Om de data uiteindelijk nog zinvoller te maken, hebben we de hierboven beschreven ’gewogen luchtweerstand’ omgezet in vermogensbesparing en tijdsbesparing van de nieuwe fiets. Als voorbeeld: de nieuwe fiets én de positieverandering zorgen samen voor een besparing van 60 seconden per uur voor een rijder die net zoveel inspanning levert op de nieuwe fiets als op de vorige generatie Madone.

De Madone werd in eerste instantie ontworpen voor ons professionele raceteam, maar elke rijder kan profiteren van deze aerodynamische winst. De tijdsbesparingen die een rijder kan behalen zijn niet zo gevoelig voor rijsnelheid als je zou verwachten, omdat je bij lagere snelheden meer tijd hebt om voordeel te halen uit de aerodynamische winst.

En voor profrijders die te maken krijgen met telkens toenemende racesnelheden, is de nieuwe Madone een cruciale aanvulling op de reeks van aerodynamische verbeteringen die ze tot hun beschikking hebben. Met deze resultaten van de windtunnel in ons achterhoofd, zullen rijders op de nieuwe Madone SLR mét aero-stuurpositie ten opzichte van de oude generatie Madone hun gemiddelde snelheid tijdens de huidige voorjaarsklassiekers met 0,7 km/u zien toenemen. Dat is ongeveer de helft van de totale toename aan gemiddelde racesnelheid sinds de originele Madone in 2003 werd gelanceerd. In dat opzicht is er sprake van een echte evolutie in aerodynamica.

Over de auteur

John Davis is de aerodynamica-expert van Trek Bicycle. Hij heeft een bachelor in Mechanical and Aerospace Engineering aan de Princeton University en een Master in Aerospace Engineering aan het Georgia Tech instituut.