Aerodynamik

Einführung in die Aerodynamik bei vollverkleideten Liegerädern

Der Luftwiderstand kann beschrieben werden durch die Formel W=Rho/2*cw*A*Vē .
Möchte man mit einer bestimmten Leistung schneller fahren, so kann dies also durch Reduzierung des cw-Wertes und der Frontfläche A erfolgen ( die Luftdichte Rho ist durch Luftdruck und Temperatur vorgegeben und kann höchstens für Rekordversuche durch geeignete Standortwahl etc. beeinflußt werden ). Während die Frontfläche durch den Platzbedarf des Fahrers nur bis zu gewissen Grenzen verkleinert werden kann ( bei vollverkl. Rädern i.d.R. 0,25-0,4 mē ), so besteht beim cw-Wert extremes Potential, insbesondere im Vergleich zu unverkleideten Fahrrädern. So erreicht der cw-Wert bei "normalen" Rennradfahrern schwindelerregende Höhen von bis zu 0,75 . Die niedrigsten mir bekannten cw-Werte bei vollverkleideten Rädern liegen dagegen bei unter 0,07 . Dies bedeutet eine Verringerung um über 90% alleine durch eine bessere Formgebung.
Der Luftwiderstand W läßt sich in einen Druck- und einen Reibungsanteil zerlegen.
Der Druckwiderstand beinhaltet Formfehler und daraus resultierende Wirbelbildungen.
Findet durch Strömungsablösungen kein vollständiger Druckausgleich mehr statt, so entsteht eine Widerstandskraft, die Druckwiderstand genannt wird. Durch perfekte Formgebung kann man diesen jedoch auf ein Minimum reduzieren. Im Windkanal können Formfehler durch Rauch gut lokalisiert werden.
Der Reibungswiderstand entsteht durch Schubspannungen zwischen Körper und umströmendem Medium. Bei Pkws liegt der Reibungsanteil normalerweise deutlich unter 20 %, wodurch hier Fortschritte hauptsächlich über eine Reduzierung des Druckwiderstandes zu erreichen sind. Bei vollverkleideten Liegerädern dagegen besteht durch deutlich weniger Vorgaben ( Komfort, Fahrgastzahl, etc. ) die Möglichkeit, die Form nahe dem absoluten Optimum zu gestalten, sodaß sich hier die "Stromlinien" nahezu ohne Druckverluste / Wirbel am Heck wieder schließen. Dadurch erhöht sich ganz erheblich der Reibungsanteil, dem daher hier mehr Beachtung geschenkt werden muß. Bei Magic Scooter 2 liegt der Reibungsanteil nach überschlägigen Berechnungen zwischen 75 und 90 % !
Der Reibungswiderstand wird außerdem umso geringer, je kleiner die Oberfläche der Verkleidung ist. Daher sollte nicht nur die Frontfläche reduziert sondern auch das gesamte Fahrzeug möglichst kompakt konstruiert werden, ohne dadurch aber wiederum einen Strömungsabriß zu riskieren.
Reibungswiderstand kann man in einen laminaren und einen turbulenten Anteil zerlegen. Im vorderen Teil der Verkleidung ist die Strömung zunächst laminar, schlägt dann aber je nach Form und Oberfläche an einer Stelle um in turbulente Strömung, was im darauffolgenden Bereich eine deutliche Widerstandserhöhung bedeutet. Folglich muß versucht werden, die Strömung in der Grenzschicht so lange wie möglich laminar zu halten. Dies kann erreicht werden durch die Verwendung von Laminarprofilen, bei denen die größte Breite frühestens bei 50% der Gesamtlänge erreicht wird, wodurch die Strömung länger beschleunigt wird und auf dieser Beschleunigungsstrecke einfacher laminar gehalten werden kann. Bei Laminarprofilen besteht allerdings durch die eingeschränkte Strecke der Profilverjüngung die Gefahr, daß die Strömung der Form nicht mehr folgen kann und abreißt. Die Folge wäre ein deutlicher Widerstandsanstieg.
Eine weitere Möglichkeit, die Strömung laminar zu halten besteht in der Optimierung der Oberfläche v.a. im vorderen Bereich. Denn wenn durch Unebenheiten bzw. zu starke Rauhigkeit die Strömung erst einmal turbulent geworden ist, so gibt es kein "zurück" mehr.
Ist dagegen die Strömung durch einen Formfehler an einer bestimmten Stelle abgerissen, so besteht durch Vergrößerung der Rauhigkeit in diesem Bereich die Möglichkeit, die Strömung durch diese definierte Energiezuführung wieder einzufangen und damit den Widerstand ( den Druckwiderstand ! ) zu verringern.
Mit einem Trick kann man allerdings sogar den turbulenten Teil der Grenzschicht "zähmen" und zumindest teilweise laminarisieren, indem man durch kleine Bohrungen in der Oberfläche die Grenzschicht und damit auch die entstandenen "Miniwirbel" absaugt. Die zum Absaugen aufzubringende Leistung würde deutlich geringer ausfallen als die damit erzielte Verringerung der erforderlichen Antriebsleistung. Knackpunkt ist hier aber der hohe erforderliche Aufwand für Forschung und Umsetzung in die Praxis.