Snelheidsverschillen

Velomobile Speed Differences

Gemeten door middel van uitrolproeven

Door Bert Hoge

Snelheid is voor veel fietsers een belangrijk aspect van het fietsen. Daarom heeft de Nederlandse Vereniging van Human Powered Vehicles in 1993 een plan geopperd om samen met het blad Fiets, snelheidsverschillen te gaan meten tussen verschillende soorten fietsen.
Op de Nederlandse markt worden momenteel fietsen aangeboden, welke qua constructie en fietshouding sterk van elkaar verschillen. Snelheidsverschillen van enige importatie mogen daarom worden verwacht. Snelheid bij een fiets is eigenlijk alleen interessant in relatie tot het vermogen wat je als fietser moet leveren.
Het vermogen is daarbij een goede graadmeter voor de geleverde inspanning. Om op een objectieve manier (door meten) inzicht te verkrijgen in de grootte van deze snelheidsverschillen zijn diverse meetmethodes mogelijk. Besloten werd om door middel van uitrolproeven het vermogen indirect te bepalen als functie van de snelheid.

De meetmethode

Bij uitrolproeven wordt de afname van de snelheid als functie van de tijd gemeten, waarbij de fietser de benen stilhoudt (geen vermogen levert). De vertraging, welke de fiets plus fietser dan ondervindt is afhankelijk van de:
* luchtweerstand van fiets plus fietser
* rolweerstand van de banden
* wrijvingsweerstand van wielnaven plus freewheel
* de massa van fiets plus fietser.

De wrijvingsweerstand van wielnaven plus freewheel wordt vanwege het geringe aandeel in het totale vermogen buiten beschouwing gelaten.

Indien we de totale weerstandskracht op de fiets plus fietser F noemen, dan volgt uit de wet van Newton:

F = M x a.

F wordt uitgedrukt in N(ewton),
a is de versnelling (hier vertraging) in m/sec2 en
M de massa in kg. Het benodigde vermogen kan daarom ook worden geschreven als

P = M x a x V.

Meten

De afname van de snelheid als functie van de tijd werd gemeten met behulp van een videocamera. Er werd een meettraject van 15 vakken van elk 10 m uitgezet in totaal 150 m. Elk vak wordt aan het begin en eind gemarkeerd. Door nu gebruik te maken van het gegeven dat een videocamera 25 beeldjes per seconde opneemt, kan de snelheid en~ tijd per meetvak worden bepaald. Op deze wijze worden ongeveer 1 5 verschillende snelheden als functie van de tijd gemeten. Het aantal meetpunten kan afhankelijk van de grootte van het te meten snelheidsgebied eventueel worden verkleind of vergroot.

Berekenen

Vervolgens worden de verkregen meetpunten beschreven door een wiskundige curve, waarin de snelheid als functie van de tijd vastligt. Op elk moment binnen de uitroltijd is de snelheid en vertraging te berekenen. De massa van fiets plus fietser kan direct worden gemeten door middel van een weegschaal. Uit de eerder genoemde formule P=M x a x V kan bij elke snelheid (binnen het meetgebied) het vermogen worden bepaald.
De op deze wijze berekende en gemeten snelheden verschilden minder dan een 0,5% van elkaar. Het voert in dit bestek echter te ver om in detail in te gaan op de natuurkundige en wiskunde achtergronden van de gebruikte meetmethode.

S.R.M.-meter

Het vermogen en de snelheid kan ook direct worden gemeten met behulp van een S.R.M.-meter. Deze meter van de firma S.R.M. meet de pedaalkracht in combinatie met de pedaalfrequentie. Hierbij levert, in tegenstelling tot de uitrolmethode, de fietser het vermogen. Het vermogen wordt met behulp van een speciale fietscomputer berekend en weergegeven. De meetresultaten kunnen ook achteraf worden weergegeven en bewerkt met een P.C.
In de praktijk blijkt dat toepassing van de S.R.M.-meter als vermogensmeter bij dit onderzoek minder geschikt is. Tijdens het fietsen met een constante snelheid fluctueerde het aangegeven vermogen zodanig, dat een verantwoorde uitspraak over snelheidsverschillen bij een constant vermogen niet mogelijk is. Slechts na lange oefentijd kan het vermogen redelijk constant worden gehouden bij een constante snelheid. Bij dit onderzoek zijn echter veel fietsen gemeten en het zou daarom teveel tijd kosten om de S.R.M.-apparatuur op de fietsen te (dé)monteren. Als vermogensmeter bij bijvoorbeeld fietstrainingen en conditietesten buiten, is deze meter echter uitstekend geschikt. De S.R.M.-meter is in het onderzoek alleen als snelheidsmeter toegepast als controlemeting, waarbij elke seconde de gemeten snelheid in de fietscomputer wordt opgeslagen. Tot zover de S.R.M .-meter.

Meetomstandigheden

Bij het bepalen van de grootte van snelheidsverschillen bij een constant benodigd vermogen, moeten de meetomstandigheden ook constant worden gehouden. Daarom werd gemeten in een hal (veilinghal te Poeldijk) met een vlakke vloer. Indien buiten wordt gemeten is het risico te groot dat de bijna altijd fluctuerende windsnelheid en richting een goede meting onmogelijk maken. Ook werd een vast meettraject uitgezet in de hal om invloeden van verschillen in vlakheid en ruwheid op te heffen. Als fietser, op de ongestroomlijnde fietsen, heeft steeds dezelfde persoon gefungeerd.

Uitrollen

Bij een geheel omstroomlijnde fietser is alleen het frontoppervlak en de Cw-waarde van de stroomlijn bepalend voor de luchtweerstand en niet die van de fietser. De fietsen werden op snelheid gebracht en vervolgens hield de fietser de benen stil ongeveer 20 m voor het eerste meetvak. Het uitrollen over de 15 markeringspunten op de vloer werd gefilmd door een cameraman, gezeten achter op een motor. De motorrijder bevond zich naast de fiets op een afstand van ongeveer 7 m, om een ongehinderde luchtstroming om de fiets plus fietser mogelijk te maken. Elke meting werd eenmaal herhaald om te controleren of de 2e meting dezelfde meetresultaten opleverde. Dit bleek inderdaad het geval, hetgeen aangeeft dat de meetomstandigheden steeds dezelfde waren en de meting goed reproduceert. Op deze wijze zijn 19 verschillende meetobjecten (fiets en/of fietshouding) op één dag gemeten.

De meetobjecten

De omschrijving van de meetobjecten kan als volgt worden weergegeven:
1
Omstroomlijnde driewieler ligfiets (Alleweder): hoofd alleen buiten de stroomlijn 3 x 20 inch wielen (2 voor en 1 achter) fietshouding en testpersoon niet van belang vanwege stroomlijn totale massa M= 117 kg

2
Lage tweewieler ligfiets: 28 inch achterwiel en 20 inch Voorwiel fietshouding: liggend, romphoek 30º bovenstuur, fietsjack De fietser heeft een ruimzittend fietsjack aan. M=80,5 kg

3:
Idem als meetobject 2, maar nu zonder fietsjack M=80 kg

4
Lage tweewieler ligfiets (Flevobike) 20 inch voor- en achterwiel fietshouding: liggend romphoek 30º onderstuur, fietsjack M=82 kg

5
Idem als meetobject 2, maar nu zonder fietsjack M=81.5 kg.

6
Idem als meetobject 5, maar nu zijn de armen maximaal geknikt en tegen de borst gedrukt. M=81,5 kg

7
Standaard racefiets 2 x 28 inch wielen fietshouding: zittend, romphoek 40º, ligstuur M=80kg

8
Idem als meetobject 7, maar nu voorzien van een gedeeltelijke stroomlijn (Zipper) gemonteerd op het ligstuur Afmetingen stroomlijn 50 x 50 cm en 50 cm. Diep. M=80.4kg

9
Idem als meetobject 8, maar nu trapt de fietser achteruit bij het uitrollen M=80.4kg

10
Gestroomlijnde lage tweewieler ligfiets, hoofd alleen buiten de stroomlijn 28 inch achterwiel en 20 inch voorwiel fietshoudingen en testpersoon niet van belang vanwege stroomlijn M=117 kg

11
Racefiets met monocoque frame (vleugelprofiel Zipp) 2 x 28 inch wielen, 3-spaaks voorwiel en dicht achterwiel fietshouding: zittend, romphoek 10º, Iigstuur M=77.5 kg

12
Idem als meetobject 11, maar nu met een 5-spaaks 28 inch voor- en achterwiel M=77.5 kg

13
Als meetobject 11, maar nu met een conventioneel gespaakt 28 inch voor- en achterwiel M=77.5 kg

14
Idem als meetobject 10, maar nu zonder stroomlijn fietshouding: liggend, romphoek 20º, bovenstuur M=86 kg

15
Hoge tweewieler ligfiets (zithoogte ±65 cm.) 28 inch achterwiel en 20 inch voorwiel fietshouding: liggend, romphoek 30º, onderstuur M=84 kg

16
Racefiets met vering (Allsop) 2 x 26 inch wielen fietshouding: zittend, romphoek 10º, ligstuur M=79 kg

17
Standaard A.T.B. 2 x 24 inch wielen, noppenband AIR 3 bar. fietshouding: zittend, romphoek 30º, AIR-stuur M=78kg

18
Vouwbare fiets met vering (Moulton) 2 x 17 inch wielen fietshouding: zittend, romphoek 30º, recht stuur M=80 kg

19
Hoge tweewieler ligfiets (zithoogte ± 60 cm.) 2 x 28 inch wielen fietshouding: liggend, romphoek 45º, onderstuur, fietser lengte 1.95 m. fietskleding: slobbertrui + spijkerbroek M= 111 kg

Toelichting

Alle meetobjecten zijn voorzien van smalle hoge druk banden (7 bar), behalve meetobject 17 (AIR). De zithoogte van de lage ligfietsen is 25 â 30 cm. De romphoek is de hoek die de romp van de fietser maakt met het wegdek.

De meetresultaten

Van elk meetobject is een vermogensnelheidsprofiel in een lijngrafiek weergegeven (niet afgebeeld). De snelheidsverschillen tussen de meetobjecten is als staafdiagram weergegeven voor een constant vermogen van 250 W (Grafiek 1).
Een vermogen van 250 W is door een getraind fietser gedurende één uur goed te leveren.

In grafiek 2 zijn de snelheden bij 250W en 190W weergegeven.

Conclusies

Rij interpretatie van de meetresultaten kunnen in grote lijnen de volgende conclusies worden getrokken.

1e
De stroomlijn (als getest) geeft de lage tweewielige fiets een snelheidstoename van ongeveer 5 â 6 km 1uur (Nr. 10, 14 en 3).
2e
De gestroomlijnde tweewieler (nr.1) laat een 3 á 4 km/uur hogere snelheid zien dan bijvoorbeeld de racefietsen (nr. 11,12,13 en 16).
3e
Een romphoekvermindering van 10º, bij de lage ligfiets geeft een snelheidstoename van ongeveer 1,5
km/uur (nr. 14 en 3).
4e
Het bovenstuur geeft 1 km/uur snelheidstoename ten opzichte van een onderstuur (3 en 5) bij de lage ligfiets.
5e
De armen voor de borst gevouwen geeft een snelheidstoename van ongeveer 2.5 km/uur ten opzichte van armen naast het lichaam in onderstuurpositie (nr. 6 en 5).
6e
Een ruim zittend fietsjack geeft een snelheidsafname van ± 0,8 km/uur t.o.v. een strak zittend fietsshirt (nr. 2 en 3,alsmede 4 en 5)
7e
De racefietsen uitgevoerd met verschillende type wielen geven geen significante snelheidsverschillen bij 33-37 km/uur (nr 11, 12, 13)
8e
De racefietsen (nr. 1 6 versus 11, 1 2, 1 3) laten onderling evenmin significante verschillen zien.
9e
Het bolvormige stroomlijntje geeft de racefiets een snelheidstoename van ongeveer 2,5 km/uur (nr. 7 en 8).
10e
Het achteruittrappen (fietsbeweging nabootsen) geeft een snelheidsafname van ongeveer 0,5 km/uur (nr. 8 en 9).
11e
De geveerde vouwfiets en ATB laten een snelheidsafname zien van ongeveer 0,5 km/uur in vergelijk met de racefiets met ligstuur bij 250 W en 34 km/uur (nr 18, 17 en 7)
12e
Een aanmerkelijk grotere en zwaardere fietser, gekleed in spijkerbroek plus trui, romphoek 450 laat een snelheidsafname zien van ten opzichte van een kleinere en lichtere fietser in een racetenue, romphoek 30e. Beide gezeten op een soortgelijke ligfiets (nr 19 en 15)

Oorzaak

De gemeten snelheidsverschillen worden grotendeels veroorzaakt door verandering in luchtweerstand. Elke verandering in houding (bijvoorbeeld de romphoek) van de ongestroomlijnde fietser zal een verandering in luchtweerstand veroorzaken. De luchtweerstand neemt toe (de snelheid af) wanneer het totaaloppervlak van fiets plus fietser toeneemt en omgekeerd. De luchtweerstand is tevens afhankelijk van de luchtweerstandscoëfficiënt. Deze coëfficiënt geeft aan hoe goed of hoe slecht de langsstromende lucht een voorwerp kan volgen. De vorm van het voorwerp (bijvoorbeeld de fietser) is hiervoor bepalend. Een gestroomlijnde fietser (bijvoorbeeld nr. 1) zal daarom minder luchtweerstand ondervinden (bij een gelijkblijvend frontaal oppervlak) en zijn snelheid zal toenemen.

Rolweerstand

De invloed van de rolweerstand op de gemeten snelheidsverschillen is van minder belang bij de gemeten snelheden. Echter bij lagere snelheden bepaalt de rolweerstand in meerdere mate de totale weerstand die de fietser ondervindt. De onderlinge verhouding luchtweerstand versus rolweerstand wordt goed geïllustreerd door de meting van de ATB (nr. 17) te vergelijken met de racefiets (nr. 7).
De ATB is voorzien van conventionele ATB-banden (3 bar) en de racefiets van racebanden (7 bar). Bij 34 km./uur is het verschil in snelheid een 0,5 km/uur. Uit de afzonderlijke vermogen-snelheid grafieken (niet afgedrukt) is af te lezen dat bij 96 W de racefiets een snelheid van 26 km/uur bereikt en de ATB ongeveer 23 km/uur. Bij deze lagere snelheden wordt de invloed van de hogere rolweerstand van de ATB-band sterker merkbaar. Zoals uit de grafieken blijkt kan van elke fiets met fietser een vermogen-snelheidprofiel worden opgesteld, waarbij de invloed van zijwind buiten beschouwing wordt gelaten.

Voornemens

In de toekomst willen we nog meer metingen verrichten met andere houdingen en (gestroomlijnde) fietsen. Ook is het de bedoeling om met bijvoorbeeld een verstelbare ligfiets (hoekverstelling zitje, hoogteverstelling crankstel) de invloed van de lichaamshouding op het benodigde vermogen nader te onderzoeken.
We hopen dat de resultaten van dergelijke onderzoeken een bijdrage leveren aan de verdere ontwikkeling van de fiets.

Met vriendelijke fietsgroeten, Bert Hoge

Dit artikel uit het HPV-nieuws van April 1994 is met toestemming van Bert Hoge en de NVHP gescand en in tekst omgezet door J Bol