Hoe een wielrenner kan profiteren van een achtervolger

15 juni 2017

Wie het moderne wielrennen volgt, weet dat het tegenwoordig een sport is waar het eerder draait om seconden dan om minuten. Een klein voordeel kan soms het verschil betekenen tussen winst en verlies, en de wielrenners worden tegenwoordig dan ook fanatiek gecontroleerd op het gebruik van doping en mechanische hulpmiddelen. Er zijn echter ook andere factoren die van belang zijn voor de prestaties van individuele wielrenners en sommige daarvan liggen meer voor de hand dan andere.
Bert Blocken, hoogleraar Building Physics aan de Faculteit Bouwkunde van de Technische Universiteit van Eindhoven, deed onderzoek naar de invloed van volgauto’s en mediamotoren op de luchtweerstand die een renner ondervindt tijdens het rijden en kwam daarbij tot een zeer verrassende conclusie.

 

Door Lambert-Jan Koops

Het is een bekend idee uit de kwantummechanica dat al veel misbruikt is: een waarnemer maakt altijd deel uit van het totale systeem en beïnvloedt met zijn waarneming het waargenomen object. Deze regel is weliswaar alleen geldig voor de waarneming van deeltjes op subatomaire schaal, en dus niet voor wielrenners, maar het valt toch niet te ontkennen dat de verslaggeving van wielerwedstrijden wel degelijk van invloed kan zijn op de wedstrijd.

Zo wees Fabian Cancellara na de achttiende etappe van de Tour de France in 2009 er al eens op dat de tijdrit van die dag toch niet helemaal zuiver was verlopen. Waar hij zelf die dag vroeg was gestart en in alle eenzaamheid het parcours had afgelegd, daar waren de renners uit de top van het klassement allemaal begeleid door de cameramotoren die op sommige delen van het traject voor de renners uit reden en ze daarmee duidelijk uit de wind hielden. Niet eerlijk volgens de Zwitserse tijdritspecialist, die zag hoe Alberto Contador onder het toeziend oog van de camera’s het parcours drie seconden sneller aflegde.

Soms rijden volgmotoren en -auto’s zo dicht achter de wielrenner dat ze een significant effect hebben op de aerodynamica van de coureur. Hier bij Alberto Contador.

Soms rijden volgmotoren en -auto’s zo dicht achter de wielrenner dat ze een significant effect hebben op de aerodynamica van de coureur. Hier bij Alberto Contador.

Drie seconden is niet veel op een afstand van 40,5 kilometer fietsen. Dat kleine verschil kan dan ook heel goed het gevolg zijn geweest van het voordeel dat Contador verkreeg door de motoren, zo denkt Bert Blocken, alhoewel uit zijn studies blijkt dat de situatie wel iets gecompliceerder is dan dat een wielrenner alleen maar voordeel zou hebben van om hem heen rijdende motoren en auto’s. Begeleidende voertuigen kunnen namelijk zowel voor- als nadeel opleveren voor de wielrenner, afhankelijk van de positie die ze innemen ten opzichte van de coureur.

Aerodynamica-expert Blocken werkte in 2006 aan de Katholieke Universiteit van Leuven toen hij benaderd werd door professor Peter Hespel van de Quick Step-ploeg. Deze laatste zocht aerodynamica-experts die hem konden helpen bij het optimaliseren van de houding die wielrenners moesten aannemen tijdens het fietsen. Blocken, die zelf ook een enthousiast wielrenner is, zette na afloop van dit project het onderzoek verder bij de TU Eindhoven, voornamelijk in zijn vrije tijd. “Door nieuwe CFD-simulaties en windtunneltesten kon ik onder andere in kaart brengen wat het voordeel voor een renner is als er een andere renner of een voertuig áchter hem rijdt.”

Inderdaad, Blocken vond een buitengewoon tegenintuïtief verband tussen wielrenners en volgmotoren en -auto’s: een wielrenner heeft er voordeel van wanneer een voertuig zich op korte afstand achter hem bevindt − een situatie die zich onder andere vaak voordoet bij een individuele tijdrit. De hoogleraar legt uit hoe dit kan: “Theoretisch is het makkelijk om te begrijpen dat een voertuig achter een fietser van invloed kan zijn op de luchtweerstand van de fietser voor hem. Volgens de Navier-Stokes-vergelijkingen, waarmee de effecten van luchtstromingen in kaart worden gebracht, wordt elk deeltje namelijk beïnvloed door alle andere deeltjes in een systeem. Het effect neemt weliswaar af wanneer de deeltjes zich verder van elkaar bevinden, maar de vergelijking zorgt er dus voor dat deeltjes achter een bewegend object wel degelijk invloed uitoefenen op dat object. Dat is echter de theoretische verantwoording. In een meer praktische visualisatie van de effecten komt het erop neer dat een wielrenner de lucht voor hem als het ware moet wegduwen om naar voren te bewegen. Daardoor ontstaat er aan de voorkant een luchtbel met overdruk en aan de achterkant een luchtbel met onderdruk. Hoe verder de druk in die luchtbellen afwijkt van de normale druk, hoe ongunstiger dat is voor de wielrenner, aangezien hij de kracht moet leveren om de drukverschillen in stand te houden.”

In dit voorbeeld is te zien hoe de motorrijder een onderdruk achter zich creëert (blauw), terwijl de onderdruk die de wielrenner creëert deels opgeheven wordt door de overdruk voor de motor.

In dit voorbeeld is te zien hoe de motorrijder een onderdruk achter zich creëert (blauw), terwijl de onderdruk die de wielrenner creëert deels opgeheven wordt door de overdruk voor de motor.

“Het effect van een voertuig achter de wielrenner is dat dit voertuig ook twee luchtbellen creëert met respectievelijk boven- en onderdruk. Als het voertuig zich nu binnen een beperkte afstand van de wielrenner bevindt, zal de luchtbel met bovendruk van het achtervolgende voertuig als het ware overlappen met de luchtbel van onderdruk achter de wielrenner. Dat betekent dat de druk in die luchtbel minder sterk zal afwijken van de normale druk, zodat het de wielrenner minder kracht kost. Uit onze simulaties en berekeningen bleek dat een wielrenner zo’n tweeënhalf procent minder luchtweerstand ondergaat als hij wordt gevolgd door een andere wielrenner en al acht procent wanneer hij wordt gevolgd door een motor, afhankelijk van de afstand tussen de wielrenner en de motor. Wanneer er meer dan één motor in het spel is, dan loopt het voordeel nog verder op, tot bijna veertien procent.”

Analyse en simulatie

De computersimulaties die Blocken uitvoerde voor het bepalen van de aerodynamische effecten, begonnen met het inscannen van een renner. De puntenwolk die daaruit voortkwam, werd vervolgens omgezet naar een solid model, waarna er een rekenraster werd gegenereerd met ANSYS Computational Fluid Dynamics in een balkvormig volume. Dit volume werd vervolgens onderverdeeld in rekencellen voor de simulatie. Van deze cellen werd handmatig de grootte ingesteld en daarbij werd ervoor gekozen om ze te variëren in grootte en kleiner te maken naarmate ze zich dichter bij de digitale wielrenner bevonden, tot 60 micrometer. Dit omdat de luchtlaag vlakbij het lichaam van de wielrenner het belangrijkst is: in een luchtlaag van slechts enkele honderden micrometer rondom het lichaam treden de belangrijkste aerodynamische effecten op. Uiteindelijk bevatte het definitieve model in ANSYS maar liefst 35 miljoen rekencellen. Voor het doorrekenen van het model werd een systeem gebruikt waarbij 24 processors parallel rekenden aan het model. De rekentijd per analyse bedroeg daarbij tussen de drie en vier dagen.

Het rekenraster rondom het lichaam van de wielrenner is verfijnd, omdat hier de belangrijkste effecten optreden.

Het rekenraster rondom het lichaam van de wielrenner is verfijnd, omdat hier de belangrijkste effecten optreden.

Het lastigste onderdeel van de simulatie was volgens Blocken het bepalen van het optimale rekenraster en het optimale turbulentiemodel. “Het probleem is dat luchtstromen dusdanig complex zijn, dat het theoretisch weliswaar mogelijk is om alles door te rekenen met behulp van de Navier-Stokes-vergelijkingen, maar dat dit in de praktijk geen goed idee is. De rekentijden lopen bijzonder snel op bij het berekenen van dit soort situaties zodat het onwerkbaar wordt. Om de rekentijden in de hand te houden, is het noodzakelijk om een turbulentiemodel te gebruiken, waarin verschillende aannames zijn opgenomen over het gedrag van de luchtstromen. Het probleem is alleen dat er heel veel verschillende turbulentiemodellen beschikbaar zijn en dat het niet mogelijk is om op voorhand al te zeggen welk model het juiste is. We hebben dan ook door middel van trial and error uiteindelijk een gepast rekenraster en een gepast turbulentiemodel bepaald door deze te ijken met de gegevens van de windtunnelexperimenten. Pas daarna hebben we alle detailberekeningen uitgevoerd en de resultaten verkregen.”

Regelgeving

Bij het onderzoek is de meeste aandacht uitgegaan naar het effect dat motoren hebben bij wielrenners. Dat komt omdat er voor motoren geen regelgeving bestaat voor de afstand die ze moeten bewaren ten opzichte van de wielrenner, in tegenstelling tot de volgauto’s van de ploegen. Deze laatste dienen namelijk minimaal 10 meter achter de coureur te blijven, alhoewel die afstand in de praktijk vaak niet wordt gehandhaafd. De auto’s zijn het probleem echter niet, zo stelt Blocken. “De effecten van de achtervolgende motoren zijn met name zo groot omdat ze zo dicht op de wielrenner zitten. Een motor op een afstand van een meter beïnvloedt de wedstrijd veel meer dan een auto op een afstand van vijf meter.”

Het verband tussen het aerodynamische voordeel en de afstand tot de wielrenner voor respectievelijk 1, 2 en 3 volgmotoren.

Het verband tussen het aerodynamische voordeel en de afstand tot de wielrenner voor respectievelijk 1, 2 en 3 volgmotoren.

Theoretisch zal een achtervolgend voertuig volgens de Navier-Stokes-vergelijkingen altijd een bepaald effect hebben op de voor hem rijdende wielrenner. Blocken keek in eerste instantie naar heel korte afstanden tussen wielrenner en motor, namelijk een kwart meter. Daarnaast bracht hij ook de effecten van grotere volgafstanden in kaart en keek hij nog naar de invloed die de volgauto’s van de ploegleiding hebben op de wielrenner, zie kader Effecten (onderaan artikel). Ook andere posities van motoren werden geanalyseerd en daaruit bleek dat de begeleiding van een cameramotor niet alleen maar voordeel biedt aan een renner. “Soms wil de regie wel eens een ander shot dan alleen de rug van een wielrenner en komt de motor even naar de renner rijden voor een close-up of een shot van de zijkant. In dat geval zijn de effecten dusdanig dat de renner maar liefst zestien procent nadeel ondervindt van de begeleider.”

Veiligheid

Alhoewel de voor- en de nadelen van een begeleidende motor in theorie elkaar dus kunnen opheffen, mag het duidelijk zijn dat het nodig is om extra regels op te stellen om de sport eerlijk te laten verlopen. Daarbij gaat het voor Blocken niet alleen om de competitievervalsing, maar ook om de veiligheid van de wielrenners. “Er is mij naar aanleiding van deze resultaten al meermalen gevraagd of het mogelijk is geweest dat wielrenners bewust hebben geprofiteerd van de aerodynamische effecten die we hebben gevonden. Ik kan het natuurlijk niet met zekerheid zeggen, maar ik vermoed van niet. De effecten die we hebben gevonden, zijn weliswaar significant, maar ik betwijfel of een wielrenner zich ervan bewust is als hij met maximale inspanning aan het fietsen is. Uit mijn eigen ervaring als renner weet ik dat ik het zelf in ieder geval nooit zou hebben kunnen waarnemen. Wat ik wel met zekerheid durf te stellen, is dat het opheffen van de competitievervalsing door de motoren meer afstand te laten nemen, een belangrijke bijdrage zal leveren aan de veiligheid van het wielrennen. Er is de afgelopen jaren een groot aantal incidenten met motorrijders geweest, waarvan één met dodelijke afloop, en die zijn deels te wijten aan het feit dat er geen goede regelgeving is en motoren veel te dicht op de wielrenners kunnen komen. Ik hoop dan ook van harte dat er naar aanleiding van dit onderzoek twee vliegen in één klap kunnen worden geslagen.”

Voor de windtunneltests werden schaalmodellen gemaakt van zowel de wielrenner als de volgmotor. De volgmotor is net als in de praktijk voorzien van zowel een bestuurder als een cameraman.

Voor de windtunneltests werden schaalmodellen gemaakt van zowel de wielrenner als de volgmotor. De volgmotor is net als in de praktijk voorzien van zowel een bestuurder als een cameraman.

Voordat hij zijn gegevens publiceerde, had Blocken hiervoor al contact opgenomen met de internationale wielersportbond UCI en deze op de hoogte gesteld van de resultaten. “Ze hebben me naar aanleiding daarvan gevraagd om extra informatie en bestuderen die nu. Gemiddeld duurt het blijkbaar echter vijf tot zes jaar voor er wijzigingen worden doorgevoerd in de regels, dus het kan even duren voor er aanpassingen plaatsvinden.”

Website Technische Universiteit Eindhoven / Faculteit Bouwkunde
Website ANSYS

Kader

Comments are closed.