in april van dit jaar werd victor campenaerts de nieuwe houder van het werelduurrecord op de wielerpiste, tot dan in handen van bradley wiggins. campenaerts’ persoonlijke inzet mag daarbij niet onderschat worden, maar zijn topprestatie heeft ook heel wat te danken aan de wetten van de fysica, meer bepaald die van de aerodynamica. hoewel het belang hiervan voor het fietsen al lang bekend is, zien we vooral de laatste decennia aerodynamische innovaties en attributen opduiken in het wielrennen.

Het werelduurrecord wielrennen als proeftuin voor aerodynamische innovaties

Bert Blocken

Het menselijk lichaam is geen bijzonder efficiënte motor voor fysieke arbeid. Slechts 20 tot 30 % van de energie aanwezig in ons voedsel wordt beschikbaar voor spieractiviteit. Met die energie moet een wielrenner zijn of haar totale weerstand overwinnen. Die weerstand bestaat uit de luchtweerstand, de rolweerstand tussen banden en weg en de weerstand in de mechanische onderdelen van de fiets. Bij niet-vlakke wegen komt daarbij nog de weerstand om hoogte te overwinnen, en bij versnellingen de weerstand om een hogere snelheid te bereiken. Boven een snelheid van 50 km/h, op vlakke weg en in windstil weer, bestaat de totale weerstand van een renner op een tijdritfiets voor meer dan 90 % uit luchtweerstand. Het is dan ook niet verwonderlijk dat succesvolle werelduurrecordpogingen vaak gepaard gingen met de introductie van nieuwe aerodynamische inzichten of attributen.

Voor het grote publiek werd het belang van aerodynamica in het wielrennen spectaculair zichtbaar op het einde van de Ronde van Frankrijk in 1989. In dat jaar werd de Ronde gewonnen door Greg LeMond met een luttele 8 seconden voorsprong op Laurent Fignon. De beslissing viel in de afsluitende tijdrit van 24,5 km van Versailles naar de Champs-Elysées. Voor de start van deze rit had Fignon nog een bonus van 50 seconden, maar hij verspeelde die helemaal in de tijdrit. LeMond had dit te danken aan zijn aerodynamische helm en tijdritstuur, én aan de aerodynamische onzorgvuldigheid van Fignon. Fignon reed met een gewoon stuur, zonder helm en met een in de wind wapperende paardenstaart.

Nochtans was men zich reeds op het einde van de 19^de eeuw bewust van het belang van aerodynamica bij het fietsen. Op zich is dat niet verwonderlijk, gezien de grote invloed van de luchtweerstand en het feit dat men deze al ten volle kon ervaren op de eerste fietsontwerpen. Zo ontwierp Challand al in 1895 de eerste ligfiets, om zo grotere snelheden te halen. En met een ligfiets ontworpen door Mochet won Faure vanaf 1932 verschillende races tegen wielrenners op een reguliere fiets. Faure verbrak ook het werelduurrecord in 1933 met een ligfiets, met 45,055 km (Figuur 1). Maar het jaar nadien al werd dit record door de Internationale Wielerunie (UCI) verbannen naar een aparte categorie, wegens het te grote aerodynamische voordeel.

Al in 1895 ontwierp Challand de eerste ligfiets om grotere snelheden te halen

In de periode tussen 1934 en 1992 werden verschillende aerodynamische innovaties geïntroduceerd, en met wisselend succes getest bij werelduurrecordpogingen. Vanaf 1992 waren aerodynamische attributen en innovaties onmiskenbaar en intens vervlochten met nieuwe werelduurrecords. Aerodynamische profielen voor fietskaders, aerodynamische pakken, helmen en tijdritsturen waren standaarditems geworden. De meest spectaculaire illustraties zijn misschien de “tucked”- en de “superman”-positie van Graeme Obree (Figuur 2 en 3), respectievelijk verwijzend naar een heel compacte positie en een heel uitgestrekte positie van de renner, en dit op bijzondere fietsen die deze posities faciliteerden. Opnieuw sneuvelden diverse wereldrecords totdat de UCI in 2000 weer een aantal restricties instelde en deze records gebannen werden. Het werelduurrecord werd toen teruggebracht naar het record van Eddy Merckx in 1972: 49,431 km. In 2014 werden deze regels opnieuw wat soepeler ingesteld, wat opnieuw aanleiding gaf tot aerodynamische innovaties, nieuwe recordpogingen en de daarbij horende nieuwe werelduurrecords.

De luchtweerstand die een renner moet overwinnen bestaat uit diverse componenten: de luchtweerstand die hoort bij de beweging van de fiets, de luchtweerstand van het lichaam van de renner, inclusief zijn/haar kledij en helm, en de extra luchtweerstand veroorzaakt door eventuele rug- of tegenwind. Elk van die componenten wordt beïnvloed door de luchtdichtheid. Hoe groter de luchtdichtheid, hoe groter de inspanning die nodig is om fiets en renner door die lucht te laten bewegen, dus hoe groter de luchtweerstand. De luchtdichtheid wordt bepaald door de temperatuur, de luchtdruk en de relatieve vochtigheid. Warme lucht is lichter dan koude lucht. Hogere luchtdruk duwt de luchtmoleculen dichter bij elkaar en geeft dus een hogere luchtdichtheid. En vochtige lucht is ook lichter dan droge lucht. Strikt aerodynamisch gezien kan men dus stellen: optimaal zijn een zo hoog mogelijke temperatuur, een zo laag mogelijke luchtdruk en een zo hoog mogelijke relatieve vochtigheid. Omdat een hoge temperatuur en een hoge luchtvochtigheid uiteraard geen omstandigheden zijn waarbij een renner fysiologisch optimaal kan functioneren, moeten aerodynamici en fysiologen samen op zoek gaan naar een optimum. En dat optimum kan per renner verschillen.

In juni 2015 verbrak Bradley Wiggins het werelduurrecord in de velodroom Lee Valley VeloPark in Londen, op ongeveer 11 meter boven zeeniveau. Ondanks het feit dat dit een gesloten velodroom is, speelde het weer hem parten. Op de dag van zijn poging hing er een hogedrukgebied boven Londen, wat de luchtdruk deed toenemen tot 1036 millibar. Om dit deels te compenseren liet hij – de invloed van temperatuur op luchtdruk indachtig – de velodroom warm stoken tot 30°C. Net voor de recordpoging slaagde zijn aerodynamicateam er ook nog in hem te overtuigen zijn baard af te scheren. Het resultaat was een indrukwekkende 54,526 km/h. Naar schatting was het geleverde vermogen 445 W. Bij een normalere luchtdruk van 1015 millibar en met hetzelfde vermogen had hij ongeveer 54,900 km/h kunnen halen. Dat Wiggins een dergelijk sterk record neerzette bij niet-ideale omstandigheden was in grote mate te wijten aan de uitzonderlijke fysiologie van deze atleet.

Als we het uurrecord van Wiggins het record van de – fysiologisch – grote motor kunnen noemen, dan is het record van Victor Campenaerts het record van de aerodynamica, in de brede zin van het woord. Zowel de renner als diens entourage lieten haast niets aan het toeval over. De fiets en vooral de tijdrithouding van Campenaerts waren al lang voor de recordpoging geanalyseerd en stelselmatig verbeterd, en daarnaast ging er bijzondere aandacht naar de weerscondities en hun invloed op de aerodynamica. Campenaerts koos voor zijn poging de velodroom van Aguascalientes in Mexico, op 1887 m hoogte. Aangezien de luchtdruk afneemt met de hoogte, was dit een belangrijke keuze. Op de dag van de recordpoging bedroeg de luchtdruk ongeveer 820 millibar. Naar schatting levert elke 100 millibar daling in luchtdruk een winst van 2 km afstand in een uur. Een voorwaarde hiervoor is dat de renner geacclimatiseerd is op die hoogte. Dit was bij Campenaerts ook het geval. Omdat de lucht in deze velodroom niet verwarmd of gekoeld kan worden, werd in de dagen voor de recordpoging zorgvuldig gemeten binnen en buiten de velodroom, en gemikt op een uur waarop de binnentemperatuur 28-30°C zou bereiken. Het aantal toeschouwers werd beperkt, omdat in een volgepakte velodroom zonder goede ventilatie-installatie de CO₂-concentratie al snel 2 000 ppm kan bereiken, wat nefast zou zijn voor de concentratie van de atleet. Bij het uurrecord van Wiggins op lage hoogte zat de – goed geventileerde – velodroom afgeladen vol. Bij dat van Campenaerts op grote hoogte was alleen een heel select gezelschap welkom. Het record staat sindsdien op naam van Campenaerts: 55,089 km.

Als het uurrecord van Wiggins het record van de grote motor is, dan is dat van Victor Campenaerts het record van de aerodynamica

Regelmatig wordt, zelfs in delen van de wielerwereld, geopperd dat alle profwielrenners toegang hebben tot dezelfde (wetenschappelijke) kennis en innovaties en dat er enkel “marginal gains” te halen zijn. Dit strookt echter niet met de waarheid. Fietsen, kledij, helmen enzoverder zijn nog lang niet volledig aerodynamisch geoptimaliseerd, en de winsten die behaald worden met innovaties kunnen soms zeer groot zijn, zelfs in de orde van 4-5% reductie in luchtweerstand. Dat zijn reuzenstappen in een sport waar soms fracties van een seconde of enkele meters het verschil kunnen betekenen tussen winst en verlies. Dergelijke grote winsten zijn onder meer mogelijk door het open ontwerpproces dat intrinsiek is aan vele aerodynamische innovaties. Intuïtie is in de aerodynamica vaak een slechte raadgever, en richtlijnen voor het aerodynamische ontwerp van attributen zoals tijdritpakken, overschoenen en dergelijke zijn nauwelijks voorhanden. Wanneer een kledijfabrikant bijvoorbeeld een aerodynamisch tijdritpak wil ontwikkelen, dan heeft die zeer weinig richtlijnen ter beschikking over welke ruwheidstextuur precies moet worden toegepast. De ruwheidstextuur kan bestaan uit allerhande oneffenheden die in een regelmatig patroon op een pak worden aangebracht, zoals ribbeltjes, bolletjes, etc. Typisch ontwikkelt zo’n fabrikant dan 6, 8 of 10 verschillende pakken, die elk in de windtunnel worden getest. Hierbij is het op voorhand niet duidelijk welk pak het best zal presteren. Pas na de windtunneltesten kan een rangschikking worden gemaakt, op basis waarvan dan weer een nieuwe reeks pakken kan worden ontwikkeld die dan opnieuw in de windtunnel wordt getest. Dat noemt men een open ontwerpcyclus. Aerodynamica blijkt en blijft dermate complex dat een volledig gesloten ontwerpcyclus niet mogelijk is. Dat betekent dat er veel iteraties zijn tussen ontwerp en windtunnel en ook dat het optimale tijdritpak niet bestaat – en misschien nooit zal bestaan. Het is op voorhand niet bekend hoe men het pak precies moet ontwerpen om het best mogelijke resultaat te krijgen. Welk pak het best presteert kan ook nog eens afhankelijk zijn van de lichaamsbouw van de atleet, zijn/haar positie op de fiets, het aantal wascycli dat een pak heeft ondergaan, kleine plooien in het textiel (dus de manier waarop het aangetrokken en gedragen wordt), de rijsnelheid, de windsnelheid, de turbulentie in de stroming, enzoverder.

De grote verscheidenheid aan factoren die de aerodynamica van een wielrenner op zijn of haar fiets bepalen garandeert dat aerodynamische innovaties nog vele jaren zullen leiden tot nieuwe werelduurrecordpogingen en ongetwijfeld ook nieuwe records. Dezelfde verscheidenheid zal het wetenschappelijk onderzoek in de aerodynamica van het wielrennen blijven voeden.

Het nadeel van windtunneltesten is dat doorgaans enkel de luchtweerstand wordt gemeten, wat wil zeggen dat het resultaat één enkel getal is

De traditionele methodes om de aerodynamica van wielrenners te evalueren bestaan uit testen op de weg, in een velodroom of in een windtunnel. Het voordeel van windtunneltesten is dat de metingen niet verstoord kunnen worden door ongewenste weersomstandigheden, bijvoorbeeld zijwind, rugwind, tegenwind en regen. Weliswaar moeten de temperatuur, luchtdruk en relatieve vochtigheid in de windtunnel gemeten worden en moet de gemeten luchtweerstand hiermee worden gecorrigeerd, zodat testen bij verschillende weersomstandigheden onderling vergeleken kunnen worden. Het nadeel van windtunneltesten echter is dat in de meeste gevallen enkel de luchtweerstand wordt gemeten, wat wil zeggen dat het resultaat één enkel getal is. Dat laat niet toe om te bepalen welke parameter (fiets, positie van de renner, kledij, helm) in welke mate verantwoordelijk is voor deze luchtweerstand.

Om die reden zijn computersimulaties in de aerodynamica van het wielrennen sinds enkele jaren aan een sterke opmars bezig. De technieken voor deze simulaties worden gegroepeerd onder de noemer “computational fluid dynamics”, of afgekort CFD. Dit houdt in dat een vereenvoudigde vorm van de stromingsvergelijkingen, de zogenaamde Navier-Stokes-vergelijkingen, wordt opgelost met de computer, en dit in een groot aantal rekenpunten rond de wielrenner. In elk punt kan men zo de luchtsnelheid, luchtdruk, turbulentie etc. bekomen. Hoewel CFD-technieken al bestaan sinds de jaren 1950, is de toepassing ervan in het wielrennen nog relatief nieuw. Dat heeft te maken met de hoge eisen waaraan dergelijke simulaties moeten voldoen om nauwkeurige resultaten te bekomen. Zo is het nodig om heel veel rekenpunten te gebruiken (typisch tientallen miljoenen voor een berekening voor één enkele renner en fiets) en vooral om zorgvuldig rekenpunten te plaatsen in het millimeterdunne luchtlaagje dat tegen het oppervlak van de renner en fiets kleeft: de zogenaamde laminaire sublaag. Dit laagje is erg belangrijk; het bepaalt in belangrijke mate hoe de lucht langs het lichaam beweegt en zo de luchtweerstand genereert. Dit betekent dat er al rekenpunten op een 20-tal micrometer (= 0,02 millimeter) van het oppervlak moeten worden geplaatst. Dat is zo voor het hele oppervlak van het lichaam van de renner, de helm, maar ook voor het hele oppervlak van de fiets, inclusief elk van de wielspaken en andere details. Een stevige klus, zowel voor de onderzoeker die semi-manueel de posities van die punten moet bepalen als voor de computer. Het resultaat zijn een zeer groot aantal rekenpunten en erg intensieve berekeningen. Niet zelden worden er supercomputers ingezet. Een uitzonderlijk voorbeeld hiervan waren de berekeningen voor “The Peloton Project” in 2018, die een wereldrecord in CFD-simulatie in de sport hebben neergezet. Dit project was een samenwerkingsverband tussen de universiteiten van Eindhoven, Leuven en Luik en multinationals ANSYS en Cray, waarbij een Cray XC-40-supercomputer werd ingezet om de aerodynamica van een heel peloton van 121 renners door te rekenen. De stromingsvergelijkingen werden opgelost in bijna 3 miljard rekenpunten in en rond het peloton. Hiervoor werden 13 824 processoren gebruikt en een totaal geheugen van 49 152 GB. Eén peloton doorrekenen kostte ongeveer 54 uur.

Een viertal decennia geleden dacht men dat windtunnels in de toekomst enkel nog zouden dienen voor de opslag van computeroutput. Het tegenovergestelde is gebeurd

In tegenstelling tot windtunneltesten of testen op de weg of in een velodroom geven CFD-simulaties wel veel meer inzicht in de aerodynamica. De luchtweerstand van elk onderdeel van de fiets en elk lichaamsdeel kan immers afzonderlijk geanalyseerd worden. Een viertal decennia geleden mondde het enthousiasme over het toenemende gebruik en succes van CFD in de lucht- en ruimtevaartsector uit in de overtuiging dat windtunnels in de toekomst enkel nog zouden dienen voor de opslag van computeroutput. Het tegenovergestelde is gebeurd. Wereldwijd worden ook nu nog voortdurend nieuwe windtunnels ontworpen en gebouwd. Het nog steeds toenemende gebruik van CFD zal de windtunnel niet verdringen. Veruit de meeste CFD-simulaties worden uitgevoerd met een vereenvoudigde vorm van de echte Navier-Stokes-vergelijkingen, omdat deze te complex zijn om tot volledige oplossingen te kunnen komen. Deze vereenvoudigingen brengen onzekerheden en fouten met zich mee, en daarom zijn windtunneltesten essentieel om CFD-simulaties te ijken. Windtunneltesten en CFD hebben elk hun voor- en nadelen. Zo duurt een windtunneltest voor een bepaalde renner maar enkele minuten, en is er voor een goede CFD-simulatie minstens 24 uur nodig. Zoals eerder gezegd levert CFD dan weer veel meer informatie. In het wetenschappelijk onderzoek worden systematisch beide technieken gecombineerd, omdat je zo ook de voordelen van beide kan verenigen. Met de toenemende toepassing van CFD-simulaties en de synergie tussen de windtunnel en CFD is de verwachting dat er in de komende jaren nog meer aerodynamische innovaties zullen volgen.

Het huidige werelduurrecord van Victor Campenaerts staat scherp, maar zal zeker nog gebroken worden. De atleet is hierin de belangrijkste schakel. De combinatie van talent, toewijding, inzet, training en begeleiding kan alleen maar bewondering ontlokken. Maar een atleet die zich tegenwoordig niet laat ondersteunen met aerodynamische innovaties doet zichzelf ontegensprekelijk tekort.

Michaël Torfs, Hij rijdt in een zaal, maar desondanks: waarom het weer superbelangrijk wordt voor Victor Campenaerts. VRT Nieuwswebsite: https://www.vrt.be/vrtnws/nl/2019/04/02/hij-rijdt-in-zaal-maar-desondanks-hoe-het-weer-superbelangrijk/

Jurgen van Teeffelen, Het maakbare uur. (Amsterdam: Harper Collins, 2019). ISBN 978 94 027 0246 0.

Bert Blocken, The Peloton Project. Film: www.youtube.com/watch?v=_GCzFNNIFSY, 2018.

Bert Blocken, Thijs van Druenen, Yasin Toparlar, Fabio Malizia, Paul Mannion, Thomas Andrianne, Thierry Marchal, Geert-Jan Maas en Jan Diepens, ‘Aerodynamic drag in cycling pelotons: new insights by CFD simulation and wind tunnel testing’, in: Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics, 2018, 179, 319-337. Open Access: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167610518303751

Bert Blocken is als hoogleraar en burgerlijk ingenieur bouwkunde verbonden aan de Technische Universiteit Eindhoven en de KU Leuven.