We leven op de bodem van een aquarium. Weliswaar zitten we niet in water maar boven onze hoofden ligt een laag lucht van 30 km dikte, die een enorme druk uitoefent. Een menselijk lichaam ondervindt een atmosferische druk van 1 bar of 1 kgf per cm2. De totale kracht op een lichaam met een oppervlak van ongeveer 1 m2 is dan 10 ton!! Deze atmosfeerdruk komt overeen met de druk van water op een diepte van 10 meter. Het is dus niet te verwonderen dat de lucht een sterk remmend effect heeft op de fietser

De wet van Bernouilli
De wet van Bernouilli in zijn eenvoudigste vorm geldt voor een horizontale gas- of vloeistofstroom en zegt dat het product van de druk met het kwadraat van de snelheid constant is. Dus wanneer de stroom vertraagt, verhoogt de druk en omgekeerd. Aan de hand van dit principe kunnen we een verrassend groot aantal verschijnselen begrijpen, zoals b.v. de stijgkracht of lift van vliegtuigvleugels en helikopters, de werking van wind- en waterturbines, de vlucht van allerlei ballen, discus en boemerang. Ook in de weerkunde speelt dit principe van Bernouilli aangezien een lage luchtdruk gepaard gaat met veel wind en windstoten, en zelfs het ontstaan van meanders in traag stromende rivieren kan verklaard worden door dit principe. We passen dit principe ook toe bij het bewateren van de tuin d.m.v. een tuinslang. Het water in de tuinslang staat onder een druk van ongeveer 6 bar en beweegt langzaam. Wanneer het echter naar buiten stroomt langs een relatief kleine opening, is de buitendruk nog slechts 1 bar en het zal dus aan hoge snelheid uitstromen. Indien we deze straal echter op het lichaam krijgen wordt het water plots afgeremd en dus voelen we opnieuw een grote druk! De essentie van de regel van Bernouilli voor een fietser is dat de afremmende kracht evenredig is met het kwadraat van de relatieve snelheid van de lucht tegenover de fietser.

De luchtweerstandkracht is dus   

In deze formule  is de soortelijke  massa  van de lucht, S is de frontale oppervlakte, CL is de luchtweerstandcoëfficiënt is v de snelheid van de fietser en vw de snelheid van de wind. Voor een tegenwind nemen we het + teken, voor een meewind het - teken.
Aangezien het nodige vermogen gelijk is aan kracht vermenigvuldigd met snelheid, is het

 luchtweerstandsvermogen,         

en dit vermogen is dus evenredig  met de derde macht van de snelheid!                                                                     

Bij windstil weder moet je dus om dubbel zo snel te rijden  8 maal zoveel luchtweerstand overwinnen. (Klik)

De stroming van de lucht rond allerlei voorwerpen, zoals b.v. een tennisbal kan zichtbaar gemaakt worden in een windtunnel d.m.v. rooksliertjes zoals in de figuur hiernaast. Links van de tennisbal stroomt de lucht in evenwijdige banen, allen met de zelfde snelheid; hier heerst een constante luchtdruk en de luchtstroom is laminair. De lucht die centraal op de bal af komt wordt afgeremd, wijkt uit en vloeit langs het oppervlak van de bal. Hier ontstaat een dunne grenslaag die wrijvingsverliezen veroorzaakt. De dikte van deze grenslaag, en de verliezen die ze veroorzaakt wordt o.a. bepaald door de gladheid van het oppervlak. We zien ook dat vanaf het midden van de bal de luchtstroom niet meer langs het oppervlak loopt, maar zich los maakt, en er zo achter de bal een chaotische turbulente ruimte ontstaat waar de lucht aan hoge snelheid wervelt. Dank zij Bernouilli weten we nu dat deze hoge snelheidswervels een zone van lage druk doet ontstaan, waardoor de bal een kracht ondervindt van links naar rechts.

De soortelijke massa van de lucht r

De soortelijke massa van droge lucht op zeeniveau is ongeveer 1.2 kg/m3 en ze verandert met de temperatuur, de vochtigheidsgraad, de luchtdruk. Daarom worden recordpogingen beïnvloed door deze factoren en gaat men het werelduurrecord vestigen op grote hoogte.

De frontale oppervlakte S

Het lichaam van de mens heeft een nogal ingewikkelde vorm, maar we kunnen dit ongeveer beschrijven door een aantal cilinders (romp, armen, benen) die voornamelijk in de dwarse richting door de lucht klieven. Ongeacht de details van de vorm komt dit overeen met een frontale oppervlakte en de afremmende aërodynamische kracht is in de eerste plaats evenredig met deze frontale oppervlakte. Iedere fietser weet dit uit ondervinding.
Om sneller te rijden zullen we in de eerste plaats onze frontale oppervlakte zo klein mogelijk maken.
Zoals we in figuur links kunnen zien biedt een rechtop zittende fietser een grotere frontale oppervlakte dan een diep in de stuurbeugel liggende fietser. Tijdrijders zoeken dan ook de houding met de allerkleinste frontale oppervlakte. Ongeveer 2/3 van de luchtweerstand wordt veroorzaakt door het lichaam van de fietser en 1/3 is te wijten aan de fiets zelf.
Subtiele aanpassingen van de positie kunnen vooral voor tijdrijders een belangrijk verschil in frontaal oppervlak en snelheid veroorzaken.

 

Indien we een minimale frontale oppervlakte nastreven is de voor de hand liggende oplossing is een ligfiets. Het luchtweerstandsvoordeel van ligfietsers is zo groot dat een geoefend ligfietser op vlakke wegen bijna altijd de andere fietsers het nakijken geeft, tot grote ergernis van deze laatsten.Rond 1930 ontstond een felle ruzie rond het gebruik van ligfietsen. Het werelduurrecord stond sinds 18 Juni 1914 op naam van de Zwitser Oscar Egg met 44.247 km. Op 7 Juli 1933 bracht een zekere Francis Faure, eigenlijk een matig renner, het record op 45.055 km. Je zal dit record echter niet vinden in de tabellen van de UCI. In de plaats staat Maurice Richard met een record van 44.777 km, gevestigd op 28 Augustus 1933. Faure reed op een ligfiets, de UCI zat erg verveeld met de zaak, en de discussies tussen pro- en contras liepen hoog op. Tenslotte besloot de UCI op 3 Februari 1934 nieuwe normen vast te leggen waaraan een fiets voor wedstrijden en records moest voldoen, op zulke manier dat de ligfiets definitief de pas werd afgesneden. Dit neemt niet weg dat Faure nog gedurende enkele jaren duels bleef uitvechten, die hij ten andere meestal won, zoals in dit beeld uit 1934 waarin hij een zekere Lemoine sprintles geeft.



De luchtweerstandcoëfficiënt CL
 

De vorm van het lichaam is de tweede belangrijke factor voor de bepaling van de luchtweerstand. De vorm, en ook de gladheid van het oppervlak worden in rekening gebracht door de frontale oppervlakte te vermenigvuldigen met een luchtweerstandcoëfficiënt CL
Om de CL waarde en de luchtweerstand te verkleinen moeten we de luchtlagen zo lang mogelijk op een laminaire manier langs het oppervlak laten glijden, en de turbulentie vermijden. Voor een gladde ronde vorm, zoals  een voetbal of een hoofd is CL ~ 0.5.
Een cilindrische vorm, b.v. de romp van een recht op zittende fietser is ongunstiger dan de bolvorm, met CL~1. Allerlei berekende gestroomlijnde vormen kunnen de luchtweerstand drastisch verminderen. Zo kan b.v. een gestroomlijnde ligfietser, zoals de superfiets hiernaast  met een CL ~ 0.1  gemakkelijk snelheden van 80 km/h en meer halen.
 
 
Het is ook mogelijk de luchtweerstand helemaal uit te schakelen, met het volgende niet zo eenvoudige recept;
Neem een formule I wagen, bouw een beschermende kooi op de achterkant van deze wagen, en laat een goede stayer-renner rijden in deze kooi. Niettegenstaande de kooi achteraan open is zal een luchtbel meegesleept worden met de koersauto, en de renner rijdt dus altijd in stilstaande lucht zonder luchtweerstand. Hij moet nu alleen nog de veel kleinere rolweerstand overwinnen. Op deze manier is Fred Rompelberg (hierboven) er na enkele mislukte pogingen, en een indrukwekkende reeks gebroken botten in geslaagd het absolute wereldrecord zuivere snelheid op 268,6 km/h te brengen! Alle verdere recordpogingen zullen zich nu moeten concentreren op het verkleinen van de rolweerstand van de ketting, de banden etc... maar vooral op de stabiliteit en bestuurbaarheid van de speciaal te bouwen fiets.

De effectieve frontale oppervlakte S CL
Bij weerstandsproeven in een windtunnel is het zeer moeilijk de S en de CL te scheiden. Daarom spreken we meestal over de effectieve frontale oppervlakte Seff = S CL
Het komt ook wel voor dat men dit product verkeerdelijk de CX factor noemt