06. September 2025

Radfahren in der Luft: Eine physikalische Betrachtung

Wenn das Team Horst-online.com bei der Vattenfall Cyclassics gegen sich und die Zeit fährt, klagt Bernd am Berg über sein viel zu hohes Gewicht und der andere Bernd fühlt sich wie eine Gazelle, da er doch kleiner und vor allem deutlich leichter ist. Was ist da dran? Ist das Gewicht wirklich von so großer Bedeutung oder nicht? Um diese Frage zu beantworten, müssen wir uns zunächst näher mit dem Thema Fahrrad und Physik befassen. Fahren wir mit dem Fahrrad fahren brauchen wir im Wesentlichen Kraft um die Reibung der Reifen, den Luftwiderstand und ggf. eine Steigung überwinden zu können.

Wie die einzelnen Anteile der Fahrrad-Antriebsleistungen berechnet werden, folgt jetzt anhand einer theoretische Betrachtung. Will sagen, nagelt mich nicht auf die Werte fest, die Zusammenhänge werden aber hoffentlich veranschaulicht.

Leistungs- und Entwicklungsberechnung

Reibung

Die Leistung errechnet sich aus der Masse, der Erdbeschleunigung, der Geschwindigkeit und aus dem Widerstandsbeiwert µ. Werte für µ liegen zwischen 0.01 und 0.3 und sind von verschiedenen Faktoren abhängig, wie z.B. Untergrundbeschaffenheit, Abmessung des Reifens bzw. Reifenauflagefläche, die wiederum natürlich sehr vom Reifendruck abhängt.

Luftwiderstand

Die erforderliche Kraft zur Überwindung des Luftwiderstand steigt quadratisch mit der Geschwindigkeit und ist weiter abhängig von der angeströmten Querschnittfläche, einer Luftwiderstandszahl (typische Werte um 0.7 bis 1.2) und der Dichte des anströmenden Mediums, in unserem Fall der umgebenden Luft (Dichte ca. 1.2 kg/m³). Je nachdem ob Gegenwind (+) oder Rückenwind (-) herrscht, unterstützt oder erschwert Wind das Radfahren.

Energie der Lage

Beim bergauf Fahren wird dem Radfahrer Leistung für die Überwindung des Höhenunterschiedes abverlangt. Doch geht es erst einmal wieder bergab, kann man genießen, wie die Energie der Lage, welche vorher erst mühselig aufgebaut wurde, dann nämlich überwiegend wieder in Geschwindigkeitsenergie und hoffentlich nicht in Bremsenergie umgewandelt werden kann. Wesentlich für die Energie der Lage ist naturgemäß ein Höhenunterschied. Im Straßenverkehr wird dieser in %-Steigung bzw. -Gefälle angegeben. Beispielsweise bedeutet 5%, das eine Strecke auf 100m horizontaler Länge, einen Höhenunterschied von 5m hat.

Leistungskurven

Die zuvor genannten Zusammenhänge bzgl. Leistungsverluste durch Reibung und Luftwiderstand, sowie erbrachte bzw. abgerufene Leistung resultierend aus einer Änderung der Lage, können anschaulich in Leistungskurven dargestellt werden. Hierzu trägt man bei einer gewählten Geschwindigkeit und Steigung bzw. Gefälle die errechnete benötigte Leistung des Radfahrers in einer 3D Grafik auf. Man erhält Kurvenscharen gleicher Geschwindigkeit und gleicher Steigung/Gefälle die eine Gitternetz-Fläche bilden, aus der die jeweils benötigte Leistung abgelesen werden kann.

Was erkennt man, an der zugegebener Maßen zunächst ungewohnten Darstellung des Beispiels (100kg Rennradfahrer auf Straße)? Mit zunehmender Steigung steigt der Leistungsbedarf, bis schließlich die zu erbringende Leistung bei 10% Steigung und ab einer unrealistischen Geschwindigkeit von 30km/h bergauf die Grenzen des Darstellungsbereiches erreicht (1000W, rechte obere Ecke der Darstellung). Lässt man sich am Hang einfach rollen, wird man schneller. Um die Geschwindigkeit zu halten, muß man bremsen (negative Werte für die Leistung, unten vorne).

Bei höherer Geschwindigkeit nimmt jedoch der Einfluß des Luftwiderstandes zu, erkennbar an der im Beispiel sich abzuzeichnenden beginnenden Steigung der Leistungskurve nach oben bei ca. 40 bis 45km/h und die erforderliche Bremsleistung wird kleiner. Erst bei ca.70 bis 75km/h (nicht im Bild dargestellt) würde der Rennradfahrer des Beispieles bei 10% Gefälle wieder treten müssen um die Abfahrt-Geschwindigkeit zu halten (Summe Leistung gleich Null, Luftwiderstand im Gleichgewicht mit Energie der Lage und Reibungsenergie).

Fahrradmodell

Die zuvor errechneten Leistungskurven vermitteln einen allgemeinen Eindruck der Abhängigkeiten beim Radfahren. Die Frage nach dem Einfluß des Gewichtes ist aber immer noch nicht beantwortet. Darum soll nun soll anhand einer Leistungskurve zunächst die Zusammenhänge zwischen Leistung, Geschwindigkeit und Übersetzung verdeutlicht werden. Zum Schluß untersuchen wir dann endlich den Einfluß des Gewichtes beim Fahrradfahren. Vorher soll aber noch der der Begriff Entwicklung erklärt werden.

Die Strecke, die mit einer Kurbelumdrehung zurückgelegt werden kann bezeichnet man als Entwicklung. Sie ist abhängig von Rad-, Kettenblatt- und Ritzel-Durchmesser und damit natürlich abhängig vom gewählten Gang. Aus Trittfrequenz f des Radfahrers und Entwicklung E läßt sich die Geschwindigkeit v errechnen.

Leistung und Entwicklung

Mit den Gleichungen zur Berechnung der Leistung und der Entwicklung kann man Leistungskurven berechnen, in welche auch die jeweilig zur Verfügung stehenden Gänge eingetragen sind. Das folgende Diagramm gilt für einen 100kg Radfahrer mit einem 30Gang (jeder Gang dargestellt als rotes Dreieck auf der Leistungskurve) Rennrad, der gerade bei 200W und einer Trittfrequenz von 65U/min eine 2%ige Steigung mit ca. 20km/h im 11. Gang (39-16, blauer Punkt) hoch fährt.

Bei gleicher Leistung/Trittfrequenz kann der Radfahrer eine größere Steigung schaffen, wenn er einen kleineren Gang wählt, was zwangsläufig auch zur Folge hat, das er langsamer wird. Wird die Steigung kleiner kann er einen höheren Gang wählen und schneller fahren. Die letzten drei ‚langen‘ Gänge können nur bei Fahrt bergab genutzt werden, da die zur Verfügung stehende Leistung zu gering ist. Eigentlich nur das kompliziert wiedergegeben, was wir wahrscheinlich schon lange wußten.

Ermöglicht es Dir quasi als Fahrradmodell die jeweilige Entwicklung der Gänge Deines Fahrrades zu berechnen. Darüberhinaus kannst Du dann die einzelnen Schaltstufen auf beliebigen Leistungskurven anzeigen lassen. Mit ihrer Hilfe kann ich endlich den Einfluß nicht nur des Gewichtes beim Radfahren untersuchen, sondern auch den der Schaltung. Je weniger Gänge ich beispielsweise zur Verfügung habe, desto mehr muß ich von meiner Ideal Leistungskurve / Trittfrequenz abweichen.

Radfahren und Gewicht

Zum Berechnen des Gewichtseinflusses befragen wir unser Fahrrad-Modell von oben und zwar für zwei Radfahrer (B1=90 und B2=120kg) die mit dem gleichen Rad eine 1km lange Steigung bei einer Leistung von 200W rauf und auch wieder hinunter fahren. Die Ergebnisse sind in der Tabelle zusammengefasst. Bergauf fahren beide die gleiche Trittfrequenz, doch B1 kann einen höheren Gang wählen und ist damit um rund 4km/h schneller. Bergab geht es für beide leichter, beide können im höchsten Gang , bei höherer Trittfrequenz fahren. B2 ist sogar um knapp 3km/hschneller, aufgrund der Ausnutzung der Energie der Lage.

Man kann in der Grafik erkennen, dass der Vorsprung von B1 bergab schmilzt, aber B2 kann ihn nicht mehr einholen. Insgesamt verliert B2 ca. 20s gegenüber B1. Das Gewicht ist also entscheidend.

Radfahrer	Gewicht (kg)	Leistung (W)	Steigung	Geschwindigkeit bergauf (km/h)	Geschwindigkeit bergab (km/h)
B1	90	200	1 km	4 km/h schneller als B2	Höher, aber Vorsprung schmilzt
B2	120	200	1 km	-	Knapp 3 km/h schneller

Unser Musterradler Richard, dessen Masse samt Fahrrad \(m=90\,\rm{kg}\) beträgt, möchte mit konstanter Geschwindigkeit einen Berg hinauf fahren. Auch hier muss er nicht nur den Radwiderstand \(F_{\rm{Rad}}\) und den Luftwiderstand \(F_{\rm{L}}\) ausgleichen (siehe Reibungskräfte beim Fahrradfahren), sondern sich noch zusätzlich plagen: Er muss gegen die Hangabtriebskraft "ankämpfen".

Wie die Hangabtriebskraft \(F_{\rm {G,\parallel}}\) zu berechnen ist, zeigt die folgende Abb. Das Kräftedreieck, welches durch \(F_{\rm {G,\bot}}\), \(F_{\rm {G,\parallel}}\) und \(F_{\rm {G}}\) gebildet wird, ist dem Dreieck, das durch \(b\), \(h\) und \(l\) gebildet wird, ähnlich. Aktuell bist du evtl. noch darauf angewiesen aus dem Neigungswinkel \(\alpha\) der schiefen Ebene das Verhältnis von \(h\) und \(l\) geometrisch zu ermitteln. Wenn die Gewichtskraft \(F_{\rm {G}}\) bekannt ist, kannst Du dann die Hangabtriebskraft \(F_{\rm {G,\parallel}}\) bestimmen.

Bei größeren Steigungen einer Straße findest du meist ein entsprechendes Schild (siehe Abb. 2). Das Schild besagt, dass die Steigung der Straße z.B. 12% ist. Dies bedeutet, dass \(\frac{h}{b} = 0{,}12\) ist. Musterradfahrer Richard besitzt mit seinem Fahrrad eine Masse von \(m=90\,\rm{kg}\) und fährt einen Berg mit einer Steigung von \(14\%\) nach oben.

Aerodynamik und ihre Bedeutung im Radsport

Tatsächlich ist der Luftwiderstand der größte Einflussfaktor auf die Geschwindigkeit - gerade bei höherem Tempo. Denn der Luftwiderstand steigt im Quadrat, ist also nicht relativ gleichbleibend wie z.B. der Rollwiderstand. Vereinfacht gesagt: Je schneller wir fahren, desto größer ist der Luftwiderstand, den wir überwinden müssen. Optimieren wir also sowohl uns, als auch unser Sportgerät dahingehend, dass die Angriffsfläche - vor allem die Stirnfläche - für den Luftwiderstand geringer wird, so können wir bei gleicher Geschwindigkeit Leistung einsparen bzw. bei gleicher Leistung mehr Geschwindigkeit auf die Straße bringen. Das ist einfache Physik.

Was macht den größten Luftwiderstand aus?

Das sind natürlich in erster Linie wir selbst. Etwa 75% entfällt auf den Fahrer, erst dann kommen Rahmen sowie die Anbauteile (Lenker, Laufräder, etc.). Gemessen wird das mit dem sogenannten Cw -Wert, auch Strömungswiderstandskoeffizient genannt, einem Gradmesser für die Windschlüpfigkeit eines Körpers. Dieser liegt bei Radfahrern im Durchschnitt bei 0,9, ein Auto liegt im Schnitt bei 0,3 und ein Wassertropfen bei 0,1.

Tipps und Tricks für eine bessere Aerodynamik

Es gibt eine ganze Reihe an Maßnahmen, mit denen sowohl der Fahrer selbst, als auch das Rad „windschnittig“ gemacht werden können:

Die aerodynamische Sitzposition: Wenn wir davon ausgehen, dass der Fahrer die größte Angriffsfläche bietet, ist es nur logisch, dass hier am meisten Potenzial besteht. Die erste Möglichkeit ist, vom Oberlenker an den Unterlenker umzugreifen. Der Oberkörper wird abgesenkt und die Stirnfläche verringert. Profis oder geübte Radfahrer gehen hier sogar noch einen Schritt weiter: Sie kauern sich auf dem Oberrohr zusammen. Dies bietet vor allem bei langen Abfahrten einen Vorteil - die Angriffsfläche wird hier nochmals minimiert. Ein Lenker mit Aerobars, mit denen man eine sehr flache und spitze Haltung einnehmen kann, optimiert die Sitzposition nochmals. Besonders bei Langstrecken ist diese Position von Vorteil, da sie im Normalfall permanent gefahren werden kann.
Enge Bekleidung oder ein Aero Suit: Jede Unebenheit sorgt für Verwirbelungen, die sich wiederrum ungünstig auf die Aerodynamik auswirken. Demnach ist Bekleidung, die wie eine zweite Haut anliegt, aerodynamischer als solche, die lockerer sitzt. Bei Zeitfahrrennen sind die Fahrer eingehüllt in Aerosuits, mit eigenen Überschuhen und Handschuhen. Keines dieser Bekleidungsstücke wirft auch nur eine Falte.
Der Aero Helm: Egal ob „Eiskugel“ oder klassisch langgezogen - aerodynamische Radhelme - am besten mit Visier - verbessern die Stromlinienform des Fahrers. Sie besitzen kaum bis gar keine Belüftung, daher sollte man sich bei sehr heißen Temperaturen gut überlegen, welche Art von Helm man bevorzugt.
Der Rahmen: Sieht man sich moderne Aero-Rennräder an, dann erkennt man schnell, dass auch hier versucht wird, Luftwiderstand einzusparen. Von vorne oder hinten betrachtet sehen sie aus wie Schwerter, eine passende Analogie, schneiden sie doch förmlich durch die Luft. Rahmen werden zum Teil so konstruiert, dass die Laufräder fast lückenlos integriert sind.
Aero Laufräder: Wie schon erwähnt sind Luftverwirbelungen der Feind der Aerodynamik. Nicht nur Unebenheiten, sondern auch alle beweglichen Teile am Rad lösen sie aus. Mit der Zeit haben sich Hochprofilfelgen oder Scheibenräder durchgesetzt. Erstere zum Teil ausgerüstet mit sogenannten Messerspeichen. Der Nachteil: Sie sind deutlich anfälliger für Seitenwind und in der Regel nur bei flachen Etappen von Vorteil.
Die Anbauteile: Von der Zeitfahrkurbel, die ähnlich dem Scheibenrad eine durchgängige Fläche besitzt, bis hin zum aerodynamisch geformten Flaschenhalter mit besonders flacher Trinkflasche - wer das Maximum aus seinem Drahtesel herausholen will, spart natürlich auch bei den Anbauteilen nicht. Auch Felgenbremsen gibt es inzwischen in aerodynamischen Varianten.

Was kostet mich die Optimierung?

Und spätestens hier kommt man zur Krux der ganzen Sache: Man erreicht irgendwann einen Punkt, bei dem man pro gespartem Watt-Punkt, schnell mal 100€ oder mehr in die Hand nehmen muss. Klar: Die Entwicklung aerodynamischer Komponenten und Räder kostet Zeit, viele Messungen im Labor sind von Nöten und ständig wird optimiert. Aerodynamische Zeitfahrräder mit Scheibenrad und allen Sperenzchen können so schnell mehr als 10.000 Euro kosten.

Ist das Optimieren der Aerodynamik sinnvoll für mich?

Ob man also so viel Geld ins Material stecken muss, hängt in erster Linie davon ab, auf welchem Leistungslevel man unterwegs ist. Als Anfänger, der nur kürzere Strecken fährt, ist man mit einem tourenorientierten Rad besser bedient. Ist man hingegen gut trainiert und ambitioniert, vielleicht sogar Zeitfahrer oder Langdistanztriathlet, macht eine aerodynamische Optimierung von Mensch und Material deutlich mehr Sinn. Allen voran natürlich eine optimale Sitzposition. Im zweiten Schritt kann man über einen Aero-Rahmen sowie -Laufräder und ggf. etwa 6 km/h langsamer als ein modernes Rad und "Superman" Position? Obree-Position wirklich so viel schneller? die Aero-Position anstelle der Unterlenkerposition einnehme? Scheibenräder? cwA.

Auf ebener Straße wird der Luftwiderstand ab einer Geschwindigkeit von zirka 15 Kilometer pro Stunde größer als der Rollwiderstand. Wenn man allein unterwegs ist, muss man sich überproportional stark anstrengen, um die Geschwindigkeit zu erhöhen. Anders gesagt: Wenn vor mir eine Person fährt, die einen Windschatten erzeugt, muss ich deutlich weniger Kraft aufwenden, um den Luftwiderstand zu überwinden. Ich kann also genauso schnell fahren wie die Person vor mir und muss dafür - je nach Situation - bis zu einem Drittel weniger Leistung aufwenden.

Fahrtwind hat nicht nur Nachteile. Das ist durchaus praktisch, aber auch ein wenig unfair: Die vordere Person muss die ganze Arbeit leisten und die andere ruht sich im Windschatten aus. Genau das macht Radrennen aus taktischer Sicht so spannend. Wenn man einfach nur im Hauptfeld mitrollt, kann man mit vergleichsweise geringer Anstrengung ins Ziel kommen. Wer jedoch aus der Masse des Pelotons ausreißen möchte, muss bereit sein, sehr viel mehr Arbeit zu leisten. Oder er schafft es, ein paar andere zu überreden, am Ausreißversuch teilzunehmen und sich die Führungsarbeit zu teilen.

Noch komplexer wird die Angelegenheit, wenn der Wind von der Seite kommt, denn dann muss man seitlich versetzt zueinander fahren, um die Vorteile des Windschattens zu nutzen. Wenn ich nicht im Freien unterwegs bin, sondern auf meinem Rollentrainer fahre, muss ich mich zum Glück nicht um den Luftwiderstand kümmern. Dafür habe ich ganz andere Probleme: Abgesehen davon, dass es nicht sonderlich spannend ist, immer dieselbe Wand anzustarren, merkt man auch ziemlich schnell, dass die Luft einem nicht nur Widerstand entgegensetzt, sondern auch ihre Vorteile hat. Egal, wie schnell ich in die Pedale trete: Es gibt keine vorbeiziehende Luft, die mich abkühlt. In so einer windstillen Trainingseinheit auf dem Rad kann man erstaunlich viel Schweiß produzieren.

Beim Radfahren wirken gleichzeitig viele verschiedene Kräfte wie z.B. die Rollreibung oder der Luftwiderstand.

Nach der ersten Aufgabe sind ca. \(300 \rm{W}\) mechanische Leistung aufzubringen, um die Geschwindigkeit \(40 \rm \frac{km}{h}\) aufrecht zu erhalten. Ein untrainierter gesunder Mensch könnte diese Leistung etwa 3 Minuten erbringen. Ein trainierter Mensch könnte ca. b) Berechne, wie viele \(\rm{kcal}\) in Form von Nahrung der Hochleistungssportler aufnehmen müsste, damit er den Energieverlust einer neunstündigen Radfahrt mit einer Geschwindigkeit von \(40\frac{{{\rm{km}}}}{{\rm{h}}}\) ausgleicht.