Aerodynamiker trifft Triathleten

01Windkanal

Gemeinsam gegen den Wind

Dieser Artikel wurde ursprünglich im Daimler-Blog veröffentlicht.

20. Oktober, acht Uhr dreißig. Es ist kein normaler Tag im Windkanal in Sindelfingen. Nicht, weil heute Samstag ist – unser Windkanal ist derzeit wegen WLTP besonders stark ausgelastet und läuft auch am Wochenende, betreut von Mitarbeitern auf freiwilliger Basis. Dazu gehöre ich in der Regel nicht, denn das Wochenende halte ich, wenn möglich, für meine Frau und meine drei Kinder frei.

Aber heute ist ein besonderer Morgen, denn wir haben einen besonderen Gast, auf den ich mich ganz besonders freue: Jan Frodeno. Er ist der erste Triathlet, der sowohl eine olympische Goldmedaille als auch den berühmtesten Triathlon-Wettbewerb gewonnen hat, den Ironman auf Hawaii. Und der – immer noch, denn der Rekord ist schon über 2 Jahre alt – die Weltrekord-Zeit auf der Langdistanz hält: unglaubliche 7h:35m:39s für 3,86 km Schwimmen, 180,2 km Radfahren und 42,2 km Laufen. Als Markenbotschafter von Mercedes-Benz steht er sehr glaubwürdig für „Das Beste oder Nichts“.

Der zentrale – und längste und damit entscheidende – Teil bei einem Ironman-Triathlon ist das 180 km lange Einzelzeitfahren auf dem Fahrrad. Austrainierte Triathleten haben nach dem Schwimmen garantiert genügend Kraft für diese Radstrecke – aber wieviel davon für den abschließenden Marathon noch übrig ist, wenn sie nach über vier Stunden vom Rad steigen, hängt zu einem großen Teil von ihrem Luftwiderstand ab.

Jan und ich haben also mindestens ein gemeinsames Thema, das wir vor einem Kamerateam im Windkanal besprechen werden. Ich bin schon immer begeistert Rad gefahren – früher mit dem Rennrad, heute meist mit dem Mountainbike zwischen Warmbronn, Sindelfingen, den Bärenseen und der Solitude, ab und an auch mal im Schwarzwald oder den Alpen.

Einen Athleten persönlich zu treffen, der auf diesem Niveau seinen Sport betreibt und der auch Fahrrad fährt, ist etwas ganz Besonderes. Und im Windkanal mit ihm über Aerodynamik zu fachsimpeln, reizt mich umso mehr. Während Jan dort auf sein Rad steigen wird, um zu demonstrieren, wie er dem Wind ein Schnippchen schlägt, habe ich als Demonstrationsobjekt den neuen CLA mitgebracht.

Unser gemeinsames Thema: Mit weniger Energie mehr erreichen

Die Fahrwiderstände sind auf dem Rad dieselben wie beim Auto: Der Rollwiderstand (im wesentlichen Reibung und Walkarbeit der Reifen) und der Steigungswiderstand, wenn es bergauf geht – beide sind stark vom Gewicht von Fahrer und Rad abhängig. Und dann natürlich der Luftwiderstand, der gemeinerweise mit dem Quadrat der Geschwindigkeit wächst: Wer doppelt so schnell fährt, muss viermal so viel Kraft aufbringen.

180 Kilometer weit so schnell wie möglich mit dem Rad zu fahren – der Luftwiderstand wird da zur alles entscheidenden Größe. Aus Fairness-Gründen ist daher die Fahrt im Windschatten eines anderen Sportlers verboten. Diese Regel ist die heißeste im Triathlon, ihretwegen gibt es die meisten Verwarnungen und Zeitstrafen: Mindestens 12 Meter Abstand sind einzuhalten.

Weil der Luftwiderstand so wichtig ist, rechnet Jan Frodeno seinen Luftwiderstand jeweils in Watt um – in die Leistung, die er aufbringen muss, um mit einer bestimmten Geschwindigkeit gegen den Fahrtwind anzukommen. Und seine Leistung, die er über etwas mehr als 4 Stunden bringen kann, kennt er sehr genau.

Der Luftwiderstand ist eine Kombination aus Fläche und Form

Das physikalische Maß für den Luftwiderstand ist m², also eine Fläche. Eine Fläche? Klar: Je mehr Querschnittsfläche ein Körper dem Wind entgegensetzt, desto größer der Luftwiderstand. Zweites Kriterium ist, wie leicht der Wind um einen Körper streichen kann – das beschreibt der bekannte cw-Wert. Beide werden multipliziert und ergeben zusammen den Luftwiderstand.

Ein Beispiel: Eine aufrecht stehende viereckige Platte hat einen cw-Wert von 1,12 (eigentlich 1, aber durch die Randwirbel ein wenig mehr). Ein Lkw sieht zwar auf den ersten Blick von vorn sehr ähnlich aus, hat aber durch viel Feinarbeit und weil der Wind lang an ihm vorbei streichen kann, um die Wirbel zu beruhigen (Länge läuft, sagen die Schiffsbauer), einen cw-Wert von unter 0,5. Trotz ca. 10 m² Stirnfläche kommt ein LKW also auf einen effektiven Luftwiderstand von knapp 5 m².

Heutige Autos haben eine Stirnfläche von 2 (Limousinen) bis 3 (große SUVs) m². Da der Innenraum bequem und sicher sein soll, sind der Stirnflächenoptimierung enge Grenzen gesetzt. Daher arbeiten wir bei Mercedes mit so viel Aufwand daran, den cw-Wert zu senken. Und außerdem kommt gerne auch mal die eine oder andere Anforderung aus dem Design und anderen Bereichen der Entwicklung dazu, die unsere Arbeit so spannend macht.

Genug von der Physik: zurück zum Radsport

Wer schnell Fahrrad fährt, duckt sich ganz instinktiv, um dem Wind möglichst wenig Angriffsfläche zu bieten. Wer aufrecht auf einem Tourenrad sitzt, hat einen Luftwiderstandswert von etwa 0,7 Quadratmetern (Stirnfläche: ca. 0,7 m², cw-Wert: ca. 1 aufgrund der vielen Wirbel). Ein Mountainbiker, der stärker nach vorn gebeugt sitzt, hält dem Wind nur noch ca. 0,6 Quadratmeter entgegen. Ein Rennradfahrer bückt sich noch tiefer und hat auch ein strömungsgünstigeres Rad, sein Luftwiderstandswert liegt bereits unter 0,5 Quadratmetern.

Von Jan Frodeno weiß ich, dass er stundenlang im Windkanal an seiner Haltung gefeilt hat und sich ein Rennrad bauen ließ, auf dem er diese optimierte Haltung möglichst unverkrampft und lange einnehmen kann. Dazu trägt er einen eng anliegenden Rennanzug ohne Fugen und Falten, rasiert sich an den verbleibenden Stellen alle Haare weg (hat auch Vorteile beim Massieren und nach einem Sturz), trägt einen besonders aerodynamischen Helm, und auch das Fahrrad selbst, von Jans Ausrüster Canyon, ist in allen Details – Reifen, Felgen, Rahmen, Schaltung, ja sogar die Clickies – auf wirklich maximale Windschnittigkeit optimiert.

Wer sich klein macht, kommt groß raus

Der Erfolg gibt ihm recht: wie Jan mir verrät, kommt er auf seiner Zeitfahrmaschine auf einen Luftwiderstandswert von 0,21 Quadratmeter. Also etwa nur halb so viel wie ein Mensch, der auf einem gewöhnlichen Rennrad in einer natürlichen Haltung in die Pedale tritt! Und das, obwohl er mit 1,94 Metern Größe und athletischen Schultern auf dem Rennrad eher gehandicapt ist.

Er erzählt mir, dass er sogar eigens physiotherapeutische Übungen macht, damit er seine Schultern besonders rund machen und schmal drücken kann, nur damit sich seine Stirnfläche verkleinert! Das finde ich extrem faszinierend. Der Aufwand, den er treiben muss, erinnert mich an unsere Arbeit an den Autos. Aber einen menschlichen Körper so zu verändern, kostet doch noch mal ganz andere persönliche Qualen und Opfer, als einen besseren Radspoiler zu entwickeln!

Weltmeister trifft Weltmeister

Unser derzeit windschnittigstes Serienauto ist der aktuelle Weltrekordhalter unter den Serienfahrzeugen – die neue A-Klasse-Limousine. Ihr cw-Wert liegt bei nur 0,22. Die Stirnfläche beträgt 2,19 Quadratmeter – das ergibt einen Luftwiderstandswert von 0,49 m². Also etwa soviel wie ein normaler Rennradfahrer und etwas mehr als zwei Jan Frodenos auf Zeitfahrmaschinen.

Nur: die A-Klasse hat Platz für zwei Personen nebeneinander und sogar zwei bis drei weitere auf der Rückbank. Niemand muss zum Physiotherapeuten, um die Schultern rund zu machen. Im Gegenteil: Jeder darf sogar noch einen Koffer mitnehmen.

Der Vorgänger unseres neuen CLA hielt vor der neuen A-Klasse den Weltrekord, der neue CLA muss wegen der breiteren Spur dem Modellbruder jetzt den Vortritt lassen – er kommt auf cw =0,23. Das ist immer noch ein hervorragender Wert, aber er zeigt, dass es in der Aerodynamik langsam immer schwieriger wird, mit jedem Modell nochmal besser zu sein als der Vorgänger. Die Karten werden immer wieder neu gemischt.

Dafür haben wir es beim neuen CLA geschafft, dass alle Versionen recht nahe beieinander liegen. Der alte CLA hatte eine Version, die Rekordhalter war; aber die anderen Versionen waren nicht so gut. Beim neuen sind alle ganz nah beisammen, und das ist gut so: Bei der Verbrauchs- und CO2-Zertifizierung nach WLTP kommt es auf den genauen Luftwiderstand jeder einzelnen Version und Ausstattung an.

Aerodynamik hat Grenzen: beim Fahrrad…

Der Vergleich von Radsportler und Auto zeigt, welche Möglichkeiten die Aerodynamik hat – und welche Grenzen ihr gezogen sind. Die Gestalt des menschlichen Körpers ist vorgegeben, und es ist nicht praktisch (oder beim Sport durch Regeln verboten), sie durch Anbauten oder Fortsätze zu verändern. Jan muss auf dem Rad bequem genug sitzen können, um mit möglichst wenig Verkrampfungen und Verletzungsgefahr seine volle Leistung über mehr als 4 Stunden zu bringen. Was nutzt ihm noch weniger Luftwiderstand auf dem Rad, wenn er danach so verspannt ist, dass er nicht mehr locker laufen kann?

…und beim Auto

Ähnlich ist es beim Auto. Die Stirnflächen werden durch viele andere Anforderungen seit Jahren nicht kleiner, die Länge lässt sich nicht beliebig verändern, Komfort und Sicherheit der Insassen sind gerade bei Mercedes Priorität Nr. 1. Und da die Proportionen des Autos in etwa vorgegeben sind, stößt man irgendwann an eine Grenze.

Ein cw-Wert von 0,2 ist aus heutiger Sicht in etwa die Schallmauer für eine noch praktisch nutzbare Form, aber wir bemühen uns seit Jahren diese Grenzen immer wieder zu verschieben. Ideal wäre eine lang und spitz nach hinten auslaufende Tropfenform, am besten ohne Räder – aber das wäre kein sehr praktisches Auto.

Der effizienteste Weg zur Effizienz

Jedes neue Auto stellt uns wieder vor die Herausforderung, möglichst nah ans aerodynamische Optimum zu kommen. Aerodynamik ist der effizienteste Weg zur Energieeffizienz, den wir haben. Nichts macht Bewegung so viel leichter und energieeffizienter wie eine strömungsgünstige Form. Und deshalb ist es immer wieder befriedigend, auch mit kleinen Änderungen eine Verbesserung zu erzielen. Aerodynamik spart Kraft und damit Kraftstoff oder Batteriekapazität und gewinnt Reichweite. Sie bringt uns weiter oder schneller voran.

Jan weiß das auch und wird weiter daran arbeiten, kleine Details zu verbessern. Ich steige nach unserem Treffen im Windkanal wieder aufs Rad und denke dort weiter über effiziente Strömungsoptimierung nach. Oder sollte ich es vielleicht mal mit Schwimmen probieren? Zur Lehre vom Wasserwiderstand hätte Jan auch viel zu sagen. Dazu könnten wir uns an einem Samstag im Schwimmbad treffen.

Teddy Woll

Dr.-Ing Teddy Woll (56) studierte Wirtschaftsingenieur-Wissenschaften der Fachrichtung Elektrotechnik an der TU Darmstadt. Er promovierte zum Thema „Messung des Augeninnendrucks bei geschlossenem Augenlid“ und entwickelte nebenher mit der Akasol Solar- und Leicht-Elektrofahrzeuge, die u.a. drei Mal die Tour de Sol gewannen. Nach zwei Jahren bei smart wechselte Woll 1996 in die Vorentwicklung der Daimler AG und leitet seit 1999 die Abteilung Aerodynamik und Windkanäle. Woll ist verheiratet und hat drei Kinder.

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Nicht erschrecken: Das Daimler-Blog hat sich am 7.11.2019 - nach zwölf Jahren - in den wohlverdienten Ruhestand verabschiedet. Sein Nachfolger ist das neue Daimler-Magazin – ein Magazin für Mobilität und Gesellschaft.
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