Aėrodynamica van de tijdrijder

In een vlakke tijdrit worden hoge snelheden behaald, waarbij de luchtweerstand veel belangrijker is dan de rolweerstand en de klimweerstand. Op de betreffende pagina zagen we dat deze luchtweerstand evenredig is met het effectief frontaal oppervlak van de fietser. Dit frontaal oppervlak zo klein mogelijk maken is dus de belangrijkste opdracht.  De afsluitende tijdrit in de ronde van Frankrijk 1989  tussen Greg Lemond en Laurent Fignon  is legendarisch geworden,  niet alleen omdat Fignon een onmogelijk te verliezen ronde toch verloor, maar vooral omdat Lemond won dank zij zijn revolutionair stuur en aėrodynamische houding. Eigenlijk is dit het historisch moment dat de aėrodynamica en de wetenschap definitief zijn intrede in de wielrennerij heeft gemaakt.

Sindsdien gaat iedere would-be tijdrijder wel eens zijn optimale positie en minimaal frontaal oppervlak bepalen in een windtunnel.
De mens is een hybride machine. Hij heeft eigenlijk twee motoren namelijk een aėrobe motor, met een bijna onbeperkte energievoorraad, en een anaėrobe motor met een zeer beperkte energievoorraad. De aėrobe motor gebruikt voornamelijk spiervezels van het type1 en werkt door aanvoer van zuurstof door de longen, bloedsomloop etc... De anaėrobe motor werkt voornamelijk met spiervezels van het type 2 en werkt zonder aanvoer van uitwendige zuurstof. De anaėrobe motor is zoals een elektrische motor aangedreven door een batterij.
Twee fysisch-fysiologische parameters zijn uiterst belangrijk voor de tijdrijder namelijk het Kritisch Vermogen
PKV, en de anaėrobe werk capaciteit AEWC.

Het Kritisch vermogen PKV, (Critical power CP) en oppervlak-specifiek vermogen PS
Het kritisch is het vermogen dat een renner onbeperkt lang kan ontwikkelen zonder extreme vermoeidheid. Dit kritisch vermogen komt ongeveer overeen met het MLSS (Maximun Lactate Steady State vermogen). De nauwkeurige bepaling van dit vermogen PKV kan alleen gebeuren door een zeer specifieke inspanningstest. De klassieke inspanningstest voor het bepalen van de verschillende trainingszones is hiervoor niet geschikt. Men kan stellen dat alle inspanningen bij vermogens lager dan PKV aėroob zijn,
De intrinsieke capaciteit van een tijdrijder wordt niet bepaald door het specifiek vermogen in W/kg maar wel  door de verhouding van zijn kritisch  vermogen (aėroob vermogen)  tot zijn effectief frontaal oppervlak d.i. zijn oppervlak-specifiek vermogen   m.a.w.

het oppervlakspecifiek vermogen is PS = PKV/Seff                                               

PS wordt dus uitgedrukt in watt per vierkante meter W/m2

De Anaėrobe Werk Capaciteit AEWC
Dit is de totale hoeveelheid arbeid dat we kunnen leveren boven het kritisch vermogen. De AEWC wordt uitgedrukt in kilojoule, kJ.
Nemen we een voorbeeld; een renner heeft PKV = 340 Watt, en AEWC = 20 kJ. Indien deze renner met vermogen P= 370 Watt wil rijden dan verbruikt hij (P-PKV) = (370 - 340) = 30 Watt op anaėrobe manier. Hij kan deze inspanning een bepaalde tijd T volhouden. Deze tijd is T = AEWC / (P-PKV) = 20.000/30 = 667 seconden, hetzij 11 minuten en 7 seconden!

Indien we PKV en AEWC van een bepaald renner kennen kunnen we dus zijn beste prestatie in een tijdrit voorspellen.


Een fietser die beschikt over een vermogenmeter (SRM, Powertap...) kan zelf ook een eenvoudige test doen om zijn PKV bij benadering te bepalen d.m.v. een tijdrit over 20 minuten. Een vuistregel leert ons dat het gemiddeld vermogen dat hij gedurende 20 minuten kan vol houden gelijk is aan 105 % van het kritisch vermogen, m.a.w. 
                            
PKV = 0.95 x P20min

Sprinters versus echte tijdrijders.
De perfecte tijdrit is de tijdrit die op die manier gedoseerd gereden wordt dat de anaėrobe reserve AEWC  uitgeput is exact op de finishlijn. Indien de renner te vroeg zijn AEWC opgebruikt raakt hij verzuurd en kan hij op het wedstrijdeinde ook zijn basissnelheid niet meer volhouden.
Indien hij te conservatief (te voorzichtig) te werk gaat heeft hij op de finish nog energie op overschot en heeft hij ook niet zijn beste prestatie geleverd.

De kunst van het tijdrijden bestaat dus vooral uit
    1) het hebben van een zo hoog mogelijke oppervlakspecifiek vermogen PS en
    2 ) het beheer van een zo hoog mogelijk AEWC

Hoge PS en AEWC zijn echter tegenpolen. Machtsprinters zoals Hushovd en Boonen hebben relatief lage PS en hoge AEWC terwijl typische rouleurs zoals Cancellara hogere PS en lagere anaėrobe AEWC hebben. Sprinterstypes kunnen een korte tijdrit winnen maar komen schromelijk te kort in een lange tijdrit.

Laten we dit eerst even onderzoeken aan de hand van de vergelijking tussen de 2 types renners,en dit in functie van de lengte van een (vlakke) tijdrit.
Nemen we dus  2 modelrijders van 67 kg met fietsen van7 kg en beiden met een effectief frontaal oppervlak in tijdrijderpositie van 0.18 m2.

Renner 1 is het sprinterstype (blauw) met relatief laag kritisch vermogen van PKV = 360 W maar hoge anaėrobe reserve AEWC = 50 kJ. Zijn oppervlakspecifiek vermogen is PS = 360/0.18 = 2000 W/m2

De tweede renners is het tijdrijdertype (rood) met hoger PKV = 420 W en lager AEWC = 10 kJ. Zijn oppervlakspecifiek vermogen is PS = 420/0.18 = 2333 W/m2

 

De sprinter heeft een lagere basissnelheid maar hij kan dieper in het rood gaan en extra energie in de weegschaal leggen voor korte inspanningen waardoor hij eventueel een korte tijdrit kan winnen. De echte tijdrijder moet het hebben van zijn hogere basissnelheid op langere tijdritten.

Groot versus klein, zwaar versus licht
Het essentieel verschil tussen specifiek vermogen PM of vermogen per kilogram, en oppervlakspecifiek vermogen PS of vermogen per vierkante meter komt duidelijk naar voor bij het rijden van een vlakke tijdrit. Het lijkt eigenaardig dat een kleine lichte topklimmer zoals Pantani die bergop de evenknie is van Armstrong hopeloos verliest in de tijdritten. Sportcommentatoren hebben het er dan graag over de zogenaamde "grote motoren" of renners met "meer body". Dit is een groot misverstand want de zwaardere renner heeft eigenlijk minder body. Het hangt er maar van af hoe je het bekijkt.
Bij de hoge snelheden in een vlakke tijdrit is de klimweerstand nul, en de rolweerstand zeer klein, zodat de snelheid voornamelijk afhankelijk is van de luchtweerstand.
 

In navolging van het begrip VAM (Velocitį Media Assensionale) van Dr. Ferrari gaan we hier de basissnelheid in een lange tijdrit aanduiden als VOM (Velocitį Orrizontale Media).
Welnu deze VOM kan gemakkelijk berekend worden (Klik)
Hiernaast zien we de berekende VOM voor een lichte renner (Pantani) en voor een zware renner (Armstrong). Daarin zien we dat de Armstron-curve bij alle waarden van het specifiek vermogen PM ongeveer 2 km/h hoger ligt.

Het "geheim" van de grotere renner zit niet in zijn motor die inderdaad in absolute waarde groter is dan van de kleine renner, maar wel het feit dat hij relatief minder wind pakt. Hoe is dat mogelijk?
Neem eens even tweevolle ballen van verschillende grootte; Het volume, en de massa van de ballen is evenredig met de 3de macht van de straal, maar het frontaal oppervlak is evenredig met het kwadraat van de straal.

Indien de grote bal 20% groter is dan dan de kleine, is zijn frontaal oppervlak 44% groter en zijn massa is 73% groter.
Natuurlijk zijn twee renners niet echt twee ronde ballen maar de verhoudingen tussen frontaal oppervlak en massa of vermogen blijven ongeveer geldig. Het frontaal oppervlak is dus evenredig met de 2/3-de macht van de massa.
Passen we dit even toe op Pantani-Armstrong. We weten uit historische gegevens dat zij allebei in topvorm over 6.5 W/kg beschikten. In verhouding tot hun resp. lichaamsgewicht is dit 358 W voor Pantani en 468 W voor Armstrong.
Indien het frontaal oppervlak van Pantani 0.22 m2 was, dan is het frontaal oppervlak van Armstrong dus gelijk aan
0.22 x (72/55)2/3= 0;263 m2 . Het oppervlakspecifiek vermogen van Pantani was dus 358/0.22 = 1627 W/m2 en voor Armstrong = 1779 W/m2 , niettegenstaande ze beiden exact dezelfde motorkwaliteit van 6.5 W/kg hadden.

De suprematie van de zware motoren in lange tijdritten is dus niet veroorzaakt door hun groter vermogen, maar wel door hun relatief kleinere windweerstand...