ATSB1805 Bike-Fitting I (Leistungssteigerung)

Leistungssteigerung durch Bike-Fitting

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Veranstaltung Aktuelle Themen der Sportbiomechanik
Autor(en) Tobias Knetsch & Max Holtkamp
Bearbeitungsdauer 45 min
Voraussetzungen keine
Status In Bearbeitung
Zuletzt geändert am 22.06.2018

Achtung: Der folgende Wiki-Eintrag ist derzeit noch in Bearbeitung und somit unvollständig!!

1. Einleitung

Eine der wichtigsten Fragen eines jeden Radsportlers ist: „Wie setze ich meine Leistung am besten ein, um möglichst schnell zu sein?“

Wie man im Video sehen kann, ist neben der erbrachten Leistung die Position auf dem Rad entscheidend für eine hohe Renngeschwindigkeit. Bike Fitting versucht genau an diesen zwei Punkten: Kraftumwandlung und Position auf dem Rad, anzusetzen. Es kann sich insofern als jede Anpassungsmaßnahme zur Leistungssteigerung verstehen, die direkt am Rad, oder indirekt an der Radfahrtechnik angewandt wird. Primär wir dies durch die Steigerung der Effizienz des Antriebs, die Minimierung von Leistungsverlusten, insbesondere durch den Luftwiderstand, aber auch sekundär über die Steigerung des Bruttowirkungsgrads bspw. durch eine Veränderung der Sitzpostion erreicht. Dabei sind die Ansätze aufgrund der herrschenden Konkurrenz von Bike Fitting Anbietern auf dem Markt jedoch noch nicht grundlegend einheitlich, wenn auch viele Methoden ähnlich angewandt werden. Dieses Wiki soll die Methoden und Möglichkeiten des Bike Fitting zur Leistungssteigerung untersuchen.

verfasst von Tobias Knetsch & Max Holtkamp


Verbesserungsmöglichkeiten zur Verletzungsprophylaxe und Rehabilitation werden hier behandelt.

2. Antriebsoptimierung

Bike Fitting kann grundsätzlich zur Leistungssteigerung führen. Dies zeigt eine Untersuchung von Bateman (2014). Er untersuchte den Bruttowirkungsgrad ((hier will ich ein Erläuterungs-Popup, immer bei BWG:der BWG ist für Ausdauerleistungen ein wichtiger Faktor. Ist der Bruttowirkungsgrad bei gleicher Leistung niedriger, so sind die Anforderungen an das Herz-Kreislauf-System höher. Im Umkehrschluss ist bei gleicher HKS Aktivität mit höherem Bruttowirkungsgrad auch die Leistung höher.) vor und nach dem Bike Fitting, mit dem Ergebnis einer 2,74%igen Effizienz- und damit Leistungssteigerung durch Bike Fitting. Da keine Vergleiche zwischen ganzheitlichen Bike-fitting Methoden oder Konzepten bestehen, und wenn doch, die jeweiligen Anpassungen nicht öffentlich gemacht werden, werden die möglichen Anpassungen am Rad oder der Radfahrtechnik im Folgenden einzeln betrachtet. Die offensichtlichste Methode um ein Fahrrad effizienter zu gestalten, ist der Antrieb. Ein höherer Wirkungsgrad des Antriebs setzt sich direkt in eine höhere Geschwindigkeit um, sofern Leistung und äußere Bedingungen gleich bleiben. Es gibt verschiedenste Systeme, die je nach Einsatzzweck Vorteile wie Nachteile haben. Bei nahezu allen Systemen wird die Kraft über das Pedal an die Kurbel und von dort über eine weitere Verbindung an das Antriebsrad weitergegeben.

2.1 Anpassungen an Antrieb: Kurbel

Die offensichtlichste Methode um ein Fahrrad effizienter zu gestalten, ist der Antrieb. Ein höherer Wirkungsgrad des Antriebs setzt sich direkt in eine höhere Geschwindigkeit um, sofern Leistung und äußere Bedingungen gleich bleiben. Es gibt verschiedenste Systeme, die je nach Einsatzzweck Vorteile wie Nachteile haben. Bei nahezu allen Systemen wird die Kraft über das Pedal an die Kurbel und von dort über eine weitere Verbindung an das Antriebsrad weitergegeben.

Exkurs, Erzeugung der Antriebskraft: Bei herkömmlichen Tretkurbeln ist nur die Tangentialkraft tatsächlich für den Vortrieb relevant (vgl. Gressmann, 2017, S.185). Die Radialkraft hingegen wirkt genau in Richtung des Kurbelarms und resultiert in einer Stauchung bzw. Dehnung des Kurbelarms, wodurch die geleistete Arbeit in antriebsunwirksame Wärme umgewandelt wird. Siehe dazu auch: Modul Energieumwandlung: Die Kurbel als Energiewandler Das für den Antrieb notwendige Drehmoment ist das Produkt aus Hebelarm (hier Länge des Kurbelarms) und der Tangentialkraft. Bei gleicher Tangentialkraft bedeutet ein längerer Kurbelarm ein höheres Drehmoment. (Vgl. Gressmann, 2017, S.34) Aufgrund der anthropometrischen Grenzen kann dieser natürlich nicht unendlich lang sein.

2.1.1 Kurbelarmlänge

Die optimale Kurbelarmlänge für eine möglichst hohe Leistung wurde bereits 1983 durch Inbar et al. (1983) untersucht. Dabei wurden Längen zwischen 125mm und 225mm verglichen. Die Studie kam zum Ergebnis, dass bei 164mm Kurbellänge die größte Durchschnittsleistung, und bei 166mm Kurbellänge die größte Maximalleistung erbracht werden kann. Die Leistungen mit der kürzesten (125mm) und längsten (225mm) Kurbel, variierten vom Optimum jedoch nur 0,77% bei der Durchschnittsleistung bzw. 1,24% bei der Maximalleistung. Die heute am Markt erhältliche Norm liegt bei 170 bis 175mm, welche sich nahe am in der Studie evaluierten Optimum befindet. Die Autoren warnten, dass das Ergebnis aufgrund der homogenen Versuchspopulation nicht zwangsweise auf heterogene Gruppen übertragbar ist. Das liegt vor allem daran, dass das individuelle Kurbellängenoptimum von den anthropometrischen Gegebenheiten wie Körpergröße und Beinlänge, stark beeinflusst wird (Inbar et al., 1983). Zur sinnvollen Anpassung der Kurbelarmlänge sollten also die individuellen Körpermaße des Fahrers, sowie die relevanten Belastungsnormative in der jeweiligen Sportart herangezogen werden. Zusätzlich zu Beachtung der Körpermaße sollte also z.B. ein Fahrer, der vor allem kurzzeitig eine hohe Leistung erbringen muss, den Kurbelarm eher länger wählen, während der Fahrer, welcher eine hohe Durchschnittsleistung erbringen muss, eher zu einem kürzerem Kurbelarm greifen sollte.

2.1.2 Q-Faktor

Neben dem Kurbelarm ist der Q-Faktor, also der Abstand der Kurbelarme (in Abb. 2 ersichtlich) voneinander, relevant. In der Studie von Disley et. al (2014) wurde der Effekt verschiedener Q-Faktoren(90mm, 120mm, 150mm, 180mm) auf den Bruttowirkungsgrad sowie die Aktivität der Muskulatur untersucht. Sie fanden heraus, dass der Bruttowirkungsgrad bei 90mm (BWG von 19,38, SD=0,90%) und 120mm (BWG von 19,38, SD=0,97%) am größten war, während er bei 150mm (19.09, SD=0.87%) und bei 180mm (19.05, SD=0.76%,) kleiner ausfiel. Die muskuläre Aktivität unterschied sich für alle Q-Faktoren nicht signifikant. Die Leistungsdifferenz zwischen 90 und 180mm beträgt beachtliche 4-5 Watt- das entspricht 1,5-2% der getesteten Trittleistung (vgl. Disley et al., 2014). Der marktübliche Q-Faktor liegt bei etwa 145-150mm für Rennräder und 165-175mm für Mountainbikes (MTBs) und wird vor allem durch die bauliche Breite des Rahmens und des Tretlagers bzw. Tretlagerschalen bedingt. Neuerdings werden aufgrund des Trends zu größeren Laufrädern bei MTBs, und der damit verbundenen, breiteren "Boost"-Naben (aufgrund von Steifigkeits- und Stabilitätsvorteilen wegen des Speichenwinkels), vermehrt breitere „Boost“-Kurbeln mit größerem Q-Faktor verbaut. Trotz der hier aufgezeigten Leistungsvorteile scheinen besonders bei den Enduro-und Downhill-MTBs Leistungseinbußen in Kauf genommen zu werden, um die Abfahrtsperformance zu steigern.

2.2 Anpassungen an Antrieb: "runder Tritt"

Eine andere Möglichkeit das antriebswirksame Drehmoment zu vergrößern, ist den Anteil der Tangentialkraft während des Tritts zu erhöhen. Dies wird durch eine Veränderung der Radfahrtechnik, „runder Tritt“ genannt, erreicht. Das sollte theoretisch zu einem ökonomischeren Einsatz der zugeführten Arbeit führen. Der Tritt wird dabei in Schub-, Druck-, Zug- und Hubphase unterteilt (siehe Abb.3).

Ein perfekter Runder Tritt würde eine gleichgroße Tangentialkraft in allen Phasen und Winkeln der Kurbelumdrehung bedeuten. Dieser Ansatz ist jedoch in seiner Umsetzbarkeit und Effektivität umstritten. Die Untersuchung von Theurel et al. (2011) verglich die selbstgewählte Tritttechnik der Probanden (PT) mit einer tangentialkraftoptimierten Tritttechnik (FT), welche durch visuelles Feedback der gemessenen Kraft dem runden Tritt möglichst angenähert werden sollte. Während der ersten 15min wurde jedoch sogar eine Verringerung des Bruttowirkungsgrades mit der FT im Vergleich zur PT festgestellt. Zu den nächsten zwei Messintervallen 15-30 und 30-45min gab es dann keinen signifikanten Unterschied mehr im Bruttowirkungsgrad. Die getestete Maximalleistung fiel bei allen Messzeitpunkten mit der PT jedoch signifikant stärker ab als bei der FT. Das wird von den Autoren mit einer verminderten Muskelermüdung bei der FT erklärt. Eine signifikant geringere Aktivität beim Maximaltest nach der PT wurde zumindest für m. vastus medialis, m. rectus femoris per EMG nachgewiesen. M. biceps femoris und m. gastrocnemius unterschieden sich beim Maximaltest dagegen nicht. Ein runder(er) Tritt könnte also für Fahrer mit Langzeitbelastungen sinnvoll sein, um die Sprintkompetenz, z.B. für einen Ausreißversuch aus der Gruppe, aufrechtzuerhalten. Dass eine Veränderung des Trittmusters große Auswirkungen auf den Bruttowirkungsgrad und die muskuläre Beteiligung hat zeigten auch Cannon et al. (2007). Sie untersuchten den forcierten Einsatz von Plantarflexion und Dorsalextension (strecken und anziehen des Fußes, PD) im Vergleich zur selbstgewählten Tritttechnik (PT). Die PD führte zu einer signifikanten Erhöhung der Aktivität des m. gastrocnemius, aber auch zu einer Verringerung des Bruttowirkungsgrades um 2,6% im Vergleich zur PT. Die Autoren diskutieren, ob der Abfall des Bruttowirkungsgrades auch mit der Ungeübtheit der Probanden zu tun hat (vgl. Cannon et al., 2007). Hier wären weitere Studien interessant, die erst nach einer Einlernphase der neuen Tritttechnik testen. (Alltagsnaher Tipp für ambitionierte Radsportler: Leistungsmessung und-aufzeichnung (z.B. durch mittlerweile gut erhältliche Pedale oder Kurbelarme mit Dehnmessstreifen) während des Trainings bei verschiedenen Tritttechniken über längere Zeiträume.)

2.3 Anpassungen am Antrieb: ovales Kettenblatt

Eine weitere technische Überlegung den Tritt des Fahrers optimal auszunutzen ist das ovale Kettenblatt.

Video ab 1:40 laufen lassen!!!

Wie durch das Video veranschaulicht, wird der Hebel, äquivalent zu einem größeren Kettenblatt, bei der Druckphase und Hubphase größer, wodurch Druck und Hubphase relativ gesehen langsamer durchlaufen werden. In der Schub- und Zugphase wird der Hebel, äquivalent zu einem kleineren Kettenblatt, kleiner, wodurch Schub- und Zugphase relativ gesehen schneller durchlaufen werden. Ein theoretisches Modell von Rankin et. al 2008 zeigte, dass mit einem ovalen Kettenblatt, bei einer getesteten Trittfrequenz von 60 Umdrehungen pro Minute(UPM), 90UPM und 120UPM, im Schnitt 2,6% mehr Leistung möglich sein sollte als bei herkömmlichen runden Kettenblättern. Interessant hierzu ist natürlich, in wie weit sich das theoretische Modell in der Praxis bestätigt. O’Hara et al. (2012) konnten zeigen, dass Triathleten mit ovalen Kettenblättern bei verschiedenen Testzeitpunkten hinweg beim 1km Zeitfahren im Schnitt 1.6 sec schneller (p<0.05) waren. Dabei erhöhte sich im Schnitt die Durchschnittsgeschwindigkeit um 0.7km/h (p<0.05) und die Leistung um 26 Watt (W) (p<0.05). Nicht bei allen Testzeitpunkten gab es Auswirkungen auf den Sauerstoffverbrauch und die Herzfrequenz, aber bei den Testzeitpunkten mit signifikanten Auswirkungen waren Sauerstoffverbrauch und die Herzfrequenz mit ovalem Kettenblatt signifikant niedriger als mit dem herkömmlichen Kettenblatt (p<0.05). Auch Hintzy et. al (2015) bestätigten eine höhere maximale aerobe Leistung bei Nutzung des ovalen Kettenblattes (362.6, SD=37.9 W vs. 338.8, SD=32.6 W, p<.001 ) bei Nicht-Radsportlern. Sie erklärten die höhere Leistung durch den geringeren Energieverbrauch mit dem Kettenblatt von Osymetric. Giorgi et al. (2014) Fanden hingegen keine signifikanten Unterschiede zwischen ovalem und normalen Kettenblatt,bei 100W, 200W und 300W Leistung und einer Trittfrequenz von 80UPM, hinsichtlich des Sauerstoffverbrauches. Dies bestätigten auch Cordova et al. (2014). Sie fanden keine signifikanten Unterschiede in Leistung (p=0.12), Sauersoffverbrauch (p=0.39), und Herzfrequenz(p=0.32) zwischen ovalen und herkömmlichen Kettenblättern. Während den kurzen Sprints war ein deutlicher Trend erkennbar, da die Leistung mit dem ovalen Kettenblatt bei den Unterschiedlichen Sprints mindestens 2.4% bis maximal 6.5% größer ausfiel. Der Leistungsunterschied war jedoch nicht signifikant (p=0.22). Eine Erklärung für die divergierende Studienlage könnte erstens die Nutzung verschiedener Formen bzw. Ovalitäten für die Kettenblätter der unterschiedlichen Hersteller sein, zweitens wurde bei verschiedenen Trittfrequenzen und Leistungen getestet. Es bleibt jedoch anzumerken, dass bisher auch keinerlei negativen Auswirkungen ovaler Kettenblätter auf die Leistung festgestellt wurden und sie damit für allem für Sprinter oder Fahrer, die kurzzeitig hohe Leistungen erbringen müssen, interessant sein können.

2.4 Anpassungen am Antrieb: Trittfrequenz

Die Leistung setzt sich aus der eingesetzten Kraft und dem damit entstehenden Drehmoment, aber natürlich auch aus der Trittfrequenz zusammen. Je hochfrequenter („schneller“) man tritt, desto geringer muss der absolute Krafteinsatz sein (Vgl. Gressmann, 2017, S.36). Die Trittfrequenz ist beim Alltagsradler meist durch die Schaltung und Schaltstufen bestimmt, sodass am Berg aufgrund der oftmals zu kleinen Übersetzung keine andere Wahl bleibt, als sich mit geringer Trittfrequenz und entsprechend hohem Krafteinsatz den Berg „hochzuquälen“. Im professionellen Bereich sollte jedoch die optimalen Trittfrequenz für den jeweiligen Einsatzzweck gewählt werden, und die Technik darauf angepasst werden. In der Studie von Hintzy et al. (1999) untersuchte man die Zusammenhänge zwischen Trittfrequenz ,bei submaximaler (150W) und individueller maximaler Leistung, und der Sauerstoffaufnahme. Die höchste individuelle Leistung konnte im Schnitt bei 123.1UPM (SD=11.2UPM, p<.001) erreicht werden. Bei dem submaximalen Test bei 150W wurde bei 57.0UPM (SD=4.9UPM, p<.001) im Schnitt der geringste Sauerstoffverbrauch gemessen. Um den Einfluss eines spezifischen Trainings auf das Ergebnis zu bestimmen, wurden 3 Gruppen anhand der jeweils ausgeübten Sportart gebildet: Sprint, Ausdauer und Mischtyp. Es wurden gruppenspezifische Unterschiede zwischen den Gruppen Sprint und Ausdauer gefunden. Die Sprinter hatten bei beiden Tests höhere Trittfrequenzen als die Ausdauerathleten: 134.3UPM im Vergleich zu 110.9UPM und 60.8UPM im Vergleich zu 54.0UPM (p<0.01 und p<0.05) und die Mischtypen hatten mittlere Werte: 123.7UPM (SD=7.3UPM) und 56.5UPM (SD=3.1UPM). Die Autoren mutmaßen, dass vor allem die Muskelfaserzusammensetzung dafür ursächlich sein könnte (vgl. Hintzy et al., 1999). Die Wahl der richtigen Trittfrequenz hängt also von mehreren Faktoren ab. Belastungsgefüge (angepeilte Leistung und Zeitraum) und Trainingszustand bzw. Muskelfasertyp sind zwei bedeutende Faktoren die es zu berücksichtigen gilt. Das Trittfrequenzoptimum sollte deshalb individuell gesucht werden, bspw. durch eine Spiroergometrie .

2.5 Anpassungen am Antrieb: Schuh und Pedal

Verschiedene Studien, die den Einfluss von Schuhorthesen und Sohlen untersuchten, kamen zu dem Schluss, dass diese zur Leistungssteigerung keine signifikante Rolle spielen (vgl. Yeo et al.,2015 & Meyers et al., 2015). Der Bereich der Kraftübertragung zwischen Fußsohle und Schuh bzw. Pedal kann vergrößert werden, einen signifikanten, positiven Einfluss auf die Leistung hat das jedoch nicht (vgl. Bousie et al. 2012). Da die Leistung aber auch nicht signifikant reduziert wurde, kann es bei individuellen Fehlbelastungen sinnvoll sein Orthesen zu nutzen, da kleine Unterschiede in der Lateralbewegung des Knies erreicht werden können. Die Cleat-(Klick-Verbindung zum Pedal)bzw. Fuß-Positionierung auf dem Pedal hat auf die Maximalleistung, Bruttowirkungsgrad und Sauerstoffaufnahme ebenfalls keinen signifikanten Einfluss (vgl. Chartogne, 2016, Paton, 2009 und Sickle, 2007).

Lediglich eine Studie (Koninckx et al.,2008)zeigt, dass ein Pedal („Vista“, siehe Abb. 5) mit 18mm vorgelagerter und 20mm tieferer Aufstandsfläche signifikant höhere Spitzenleistungen, bei allen getesteten Trittfrequenzen, als bei herkömmliche Pedalen möglich macht (siehe Abb.6). Die Leistungskurve des Vista-Pedals liegt zu jeder Zeit über der des normalen Pedals. Der größte Unterschied wurde bei 80UPM mit 35,5W (SD=6,5W) gemessen. Die Maximalleistung mit Vista-Pedal war mit 1082W (SD=40W) signifikant (p=0.013) größer als mit normalem Pedal (1062W (SD=40W). Das Vista-Pedal scheint demnach sehr interessant für Sprinter zu sein. Interessant wäre in weiteren Studien die Betrachtung einer längeren Ausdauerbelastung, auch bei geringeren Leistungen. Andere technische Konzepte blieben leider bisher aus, obwohl die grundsätzlichen Technik des Pedals sich seit Anbeginn des Radfahrens überhaupt nicht, bis auf bessere Achsen und Lager, verändert hat.

2.6 Anpassungen am Antrieb: Kraftübertragung auf das Antriebsrad

Das Getriebe und der Riemen sind die neuesten, praxiserprobte Systeme, welche das vergleichsweise alte Kettenschaltungssystem teilweise ersetzen sollen. Die Kette ist mit einem Wirkungsgrad von 95 bis 99 Prozent (Gressmann, 2017, S. 169) in den meisten Fällen der effizienteste Antrieb. Verschmutzung, Kettenschräglauf sowie Verschleiß können den Wirkungsgrad senken und für Vielfahrer z.B. den wartungsarmen Riemen interessant machen. Für den Vergleich der Reibungsverluste wurde ein Gates Carbon Riemen mit zwei herkömmliche Ketten Shimano Dura Ace 7901 und Sram Red verglichen. Die Ketten haben durchschnittlich 2,92W Leistungsverlust und der Riemen 3,93W Leistungsverlust, bei 250W Eingangsleistung. Die absolute Differenz (1,01W) fällt zwar klein aus, ist aus mechanischer Sicht mit 34,6% jedoch sehr groß (http://www.ceramicspeed.com/media/wysiwyg/Gates_Carbon_Belt_Drive_rev.pdf, Zugriff am 10.06.2018). Außerdem benötigt man für ein sinnvolles Übersetzungsverhältnis mit dem Riemen (Ausnahme Singlespeed/Fixie, z.B. Stadtrad) eine Nabenschaltung oder ein Getriebe, während bei der Kettenschaltung lediglich der Wirkungsgrad durch den vermehrten Kettenschräglauf etwas abnimmt. Nabenschaltungen haben einen Wirkungsgrad, der u.a. von der Eingangsleistung beeinflusst wird. Bei hoher Eingangsleistung werden bei aktuellen Nabenschaltungen Wirkungsgrade von 92–97 Prozent erreicht (vgl. Oehler, 2014). Beim Getriebe bedingen verschiedene Eingangsdrehmomente und Trittfrequenzen ebenfalls stärker variierende Wirkungsgrade. Einer der bekanntesten Fahrradgetriebehersteller, Pinion, gibt an, dass der Wirkungsgrad des Piniongetriebes sich etwa zwischen Nabenschaltung und Kettenschaltung einreiht (Pinion GmbH, 2018). Die jeweilige Verlustleistung der Nabenschaltung oder des Getriebes gilt es bei Wahl des Riemenantriebes natürlich zu berücksichtigen. Für abfahrtsbetonte Einsatzzwecke (z.B. Enduro- oder Downhill-Rennen) kann besonders das Getriebe jedoch interessant sein, da es sich, aufgrund seiner nahe am tiefen Tretlager gelegenen Massenverteilung, positiv auf das Fahrverhalten des Rades auswirken kann.

Dass die Weiterentwicklung des Fahrradantriebs noch lange nicht endet zeigt die Firma Cyfly, die einen komplett neuen Weg einschlägt:

Video ab Sek 20

Wie im Video zu sehen hat der Kurbelarm, anders als bei herkömmlichen Kurbeln, keinen festen Drehpunkt. Leider gibt es zur Wirksamkeit des Kurbelsystems zur Leistungssteigerung bisher keine Studien oder Angaben. Es bleibt also auch in Zukunft spannend welche Innovationen uns rund ums Fahrrad noch bevorstehen und uns zu neuen Spitzenleistungen befähigen.

verfasst von Tobias Knetsch

3. Einfluss der Sitzposition auf die Trittleistung

Zuletzt sollen die wichtigsten Einflussfaktoren der Sitzposition auf die Trittleistung untersucht werden. Da die Sitzposition die Aerodynamik entscheident beeinflusst, und die aerodynamischen Nachteile/Vorteile einer Sitzpositionsveränderung die Trittleistungssteigerung/-senkung meist übersteigen, wird in diesem Teil die Betrachtung, auch zur Vermeidung von Überschneidungen, kurz gehalten und die Sitzpositionsveränderungen ausführlicher im Teil Aerodynamik behandelt.

3.1 Anpassungen der Sitzpostition: Sattelposition

Die auch bei Nicht-Radsportlern am häufigsten veränderte Einstellung am Rad ist die Sattelhöhe. Die Sattelhöhe hat direkte Auswirkungen auf Hüft-,Knie- und indirekt den Sprunggelenkswinkel womit sie die Trittkinematik entscheidend verändern kann. Ferrer-Roca et al. (2014) fanden einen signifikanten Einfluss der Sattelhöhe auf den Bruttowirkungsgrad bei professionellen Radsportlern. Eine 2%ige Erhöhung des Sattels, von der bevorzugten Einstellung der Profis ausgegangen, führte zu einer signifikanten Senkung des Bruttowirkungsgrades und Erhöhung des Sauerstoffverbrauchs (GE = 19.9 6 1.5%; V_ O2max = 43.8 mlkgmin). Bei einer 2%igen Absenkung des Sattels konnte der Bruttowirkungsgrad gesteigert und der Sauerstoffverbrauch verringert werden. (GE = 20.4 6 1.3%; V_ O2 = 42.8 ml$kg21$min21). Zwischen den besten und schlechtesten Positionen konnte eine durchschnittliche Differenz von 0.8% im Bruttowirkungsgrad(20.6 6 1.6% to 19.8 6 1.6%, p , 0.05) festgestellt werden. Dies zeigt, dass bereits kleine Veränderungen der Sattelhöhe große Auswirkungen auf die Leistung haben. Es wurden jedoch keine Empfehlungen für eine optimale Sattelhöhe gegeben. In der Literatur werden zur Ermittlung der richtigen Sattelhöhe drei gängige Werte genannt: 25°und 35° Kniewinkel (im unteren Totpunkt während der Kurbelumdrehung), sowie der Multiplikator 1,09, mit dem die Schrittlänge (Messung von Boden zu Ischium) multipliziert werden soll (Vgl. Peveler et al., 2011, S.xx) . Die Ergebnisse von Peveler et al. (2011) zeigen, dass die 25°-Methode durch einen signifikant geringeren Sauerstoffverbrauch zu höheren Leistungen führt. Mit der 25°-Methode wurden 672.376 90.21 W) bei 35° (654.71 6 80.67 W) und bei 1,09-Methode 662.86 6 79.72W Durchschnittsleistung erzielt. Sogar die Maximalleistungen waren mit der 25° Methode mit (1,041.55 6 168.72 W) zu 1,003.93 6 143.60 (35°) bzw. (1,002.05 6 147.65 W) (1,09) signifikant höher. Bei 73% der Probanden führte die 1,09-Methode zu einem Kniewinkel außerhalb des Bereiches 25-35°. Die Autoren empfehlen deshalb die 25°-Methode zur Optimierung der Leistung. Der Sattelwinkel hat nach Caddy et al. (2016) bei 0°, 3° oder 6° keine Auswirkungen auf die Leistung, obwohl ein größerer Winkel als 3° durch die UCI wegen einer möglichen leistungssteigernden Wirkung verboten ist.

3.2 Anpassungen der Sitzpostition: Sitzrohrwinkel

Ricard et al. (2006) konnten beim Vergleich zwischen 72° und 82°und Bisi et al. (2012) beim Vergleich zwischen 73,5° und 78° keine signifikanten Unterschiede in der Leistung feststellen. In beiden Studien wurde jedoch eine Entlastung des biceps femoris bei höheren STA gemessen. Dies könnte tatsächlich für Triathleten mit dem Blick auf die Laufbelastung nach dem Radfahren interessant sein.

3.3 Anpassungen der Sitzpostition: Oberkörperwinkel

Der Oberkörperwinkel wird maßgeblich durch Oberrohrlänge, Vorbauhöhe und-länge, Lenker und Lenkeraufsatz (“Triathlonaufsatz”) und der daraus resultierenden Überhöhung (vertikaler Abstand der Sattelhöhe zur Lenkerhöhe) bestimmt. Fintelman et al. (2016) konnten beim Vergleich der Oberkörperwinkel 0°, 8° und 16° signifikante Unterschiede im Bruttowirkungsgrad feststellen (21.1 ± 1.2 bei 16°, 20.9 ± 1.1 bei 8° und 20.6 ± 1.2 bei 0°). Je kleiner der Oberkörperwinkel wird (je “flacher” man wird), desto geringer ist der Bruttowirkungsgrad und desto höher ist der Sauerstoffverbrauch bei gleicher Leistung. Hier gilt es jedoch auf den Einfluss der Aerodynamik hinzuweisen, da diese mit einer flacheren Position tendentiell besser wird, und so die Gesamtleistung, trotz geringerer Trittleistung, steigen kann. Man sollte deshalb nach Einsatzzweck unterscheiden: am Berg zählt vor allem die Leistung und relative gesehen die Aerodynamik weniger. Hier sollte aufrechter gefahren werden. In der Ebene wenn der Einfluss der Aerodynamik größer als die Leistungsverluste durch eine flacherer Position wird, sollte flacher gefahren werden. Hierzu wird im nächsten Abschnitt, Aerodynamik, näher ausgeführt.

verfasst von Tobias Knetsch

4. Optimierung durch Verringerung des Widerstandes

Der Luftwiderstand ist für Radfahrer ab einer Fahrtgeschwindigkeit von über 15,5 km/h der unangenehmste aller Widerstände. Anders als beim Steigungswiderstand, bei dem man zumindest teilweise die eingesetzte Energie auf der Abfahrt zurückerhält, geht die an die Luft verlorene Energie verloren. Durch den Luftwiderstand können bis zu 80% der Antriebskräfte verschlungen und somit nicht in Fahrtgeschwindigkeit umgesetzt werden.

(Gressmann, 2010, S.68)


Daher ist es für Leistungssportler im Radfahren wichtig, die Widerstände zu verringern, um so möglichst viel der - nach Kapitel 2. optimierten - Antriebskraft in Strecke umzusetzen. Im Folgenden wollen wir zuerst den Luftwiderstand beim Radfahren verstehen, um dann die Sitzposition und das verwendete Material mit dem Ziel einer schnelleren Geschwindigkeit bei gleichbleibendem Krafteinsatz zu optimieren. Die Wunschvorstellung ist effizienteres Fahren durch aerodynamische Haltung und Material.

4.1 Luftwiderstand

Der Luftwiderstand ist eine vielfältige und nicht zu unterschätzende Komponente im Radsport. Er kann den Radsportlern das Training oder den Wettkampf schwer machen, aber darüber hinaus auch Möglichkeiten der Vorteilnahme gegenüber anderen durch das Windschattenfahren bieten. Der Luftwiderstand setzt sich aus dem Strömungswiderstand, dem induzierten Widerstand und dem Reibungswiderstand zusammen (Gressmann, 2010, S.68).

Der Strömungswiderstand beschreibt den Druck- und Formwiderstand, welcher seine Ursache in den Luftmolekülen findet. Diese treffen auf eine Oberfläche und stoßen von dieser wieder ab, wodurch sie abgelenkt werden (Gressmann, 2010, S.68) und durch den Impulserhaltungssatz eine senkrechte Kraft auf die Oberfläche abgeben. Dadurch erfährt der Körper eine Energie entgegen der Fahrtrichtung.
Der induzierte Widerstand beinhaltet den Querwiderstand, welcher – wie der Name vermuten lässt – den Luftwiderstand beschreibt welcher senkrecht zur Fahrtrichtung, also quer, auf den Körper einwirkt (Gressmann, 2010, S. 69).
Der Reibungswiderstand oder auch Zähigkeitswiderstand genannt, beschreibt den Widerstand, welchen die einzelnen Luftmoleküle beim Reiben oder Vorbeigleiten am Körper erfahren (Gressmann, 2010, S.68). Man kann sich das so vorstellen, als würden viele kleine Bälle (Symbolisch für die Luftmoleküle) auf einem unebenen Boden rollen. Vereinzelt würden Bälle ins Stocken geraten oder hängen bleiben, diese Bälle symbolisieren die Luftmoleküle, welche am Körper ebenfalls stocken, reiben und hängen bleiben können und so vereinzelt minimale Bremswirkungen erzeugen. Zusammen bilden sie durch die bremsende Reibung den Reibungswiderstand.

Entscheidend für das Bike-Fitting ist vor allem der Strömungswiderstand und dem damit einhergehenden Druck- und Formwiderstand, da sich sowohl der Druckunterschied zwischen vor und hinter dem Körper, als auch der Frontalwiderstand durch Veränderungen an dem Rad und der Position auf dem Rad optimieren lassen.

4.1.1 Praxis

In der Praxis kann der Strömungswiderstand wie folgt Anwendung finden. Angenommen wir hätten einen doppelten Kegel jeweils am Boden verbunden und mit spitz zulaufender Seite in und weg von der Fahrtrichtung. Würden wir nun lediglich die Luftmoleküle, welche durch die Fahrt den Körper passieren betrachten und lassen den Wind außen vor, so gäbe es vor und hinter dem Körper keinen Druckunterschied. Nach Definition wäre der Druckwiderstand gleich Null. Der Formwiderstand wäre durch den spitz zulaufenden Beginn nicht vorhanden, wodurch insgesamt ein sehr geringer bis kein Strömungswiderstand messbar wäre. (mod. nach Gressmann, 2010, S.69)
Da in der Radpraxis keiner eine solch perfekte Konstitution als Voraussetzung mitbringt, betrachten wir nun eine realistische Form. Jeder Radsportler, egal wie ambitioniert, bietet eine unförmige Stirnfläche, auf welche Luftmoleküle auftreffen und so den Körper bremsen würden (mod. nach Gressmann, 2010, S.69f). Logisch scheint dass eine geringere Stirnfläche bei gleichbleibenden Bedingungen, wie Wind und Gewicht, einen geringeren Formwiderstand zur Folge hat. Somit gilt es im Bike-Fitting die Stirnfläche, auf welche der Wind frontal auftrifft, zu minimieren. Hiermit beschäftigen wir uns ausführlicher in 3.2.
Weiterhin existiert bei einem nicht strömungsgünstigen Körper keine optimalen Strömungslinien wodurch ein Druckunterschied zwischen vor und hinter dem Rad vorliegt. Der Druck hinter dem Radsportler ist in der Regel geringer als selbiger vor dem Radsportler. Durch diesen Druckunterschied entsteht ein Wirbel, welchen der Athlet als (Druck-)Widerstand spürt. (Gressmann, 2010, S.70)

4.1.2 Widerstände verringern

Nachdem bekannt ist, welche Widerstände auf den Radsportler wirken können und wie der Strömungswiderstand in der Praxis Anklang findet, betrachten wir nun Möglichkeiten die Widerstände zu verringern.
Gressmann (2010, S.68) nennt als mögliche Widerstandsverringerungsvarianten zum einen die oben erwähnte Verringerung der Stirnfläche durch Veränderungen der Sitzposition und Halten des Sportlers. Weiterhin zählt er aerodynamische Verkleidungen, also materielle Veränderungen am Rad selbst, und Formverbesserungen auf. Durch eine Veränderung der Form könnten die Strömungslinien besser an den Körper angeschmiegt werden, dies hätte einen kleineren Druckunterschied und damit einhergehend einen geringeren Druckwiderstand zur Folge. Außerdem rät Gressmann zu einem verringerten Reibungswiderstand und Windschattenfahren als Möglichkeiten für einen ärmeren Widerstand. Den Reibungswiderstand oder auch Zähigkeitswiderstand kann man insbesondere durch materielle Veränderungen, wie Änderung der Radoberfläche oder die Kleidungswahl, beeinflussen. Das Windschattenfahren ist eine der besten Methoden weniger Luftwiderstand zu erfahren, bietet aber auch einige Gefahren und Risiken. Darüber hinaus ist es nicht in jedem Radrennen erlaubt, so wird es beispielsweise in vielen Triathlonveranstaltungen explizit untersagt (Gressmann, 2010, S.68; Präsidium der DTU, 2018, S.19).

4.2 Sitzposition

Zusammenfassung und Ausblick


Themenvorschläge für Folge-Wikis


verfasst von M. Mustermann


Eigener Standpunkt

… sowie mögliche Einsatzfelder nach dem Studium Hauptmotivation zum Bikefitting? Warum Berufswahl? (Mögliche Punkte oder eher nicht??)

verfasst von M. Mustermann


Fragen

1. Hier steht die Frage ?
2. Hier steht die 2. Frage ?
3. Hier steht die 3. Frage ?

Literatur

Gressmann, Michael. (2010). Fahrradphysik und Biomechanik. Bielefeld: Delius Klasing Verlag.

Nachname, Vorname/n (Initial/en). (Erscheinungsjahr). Titel. In Herausgebervorname (Initial/en). Herausgebernachname (Hrsg.), Titel des Sammelbandes (S./pp. x-x). Verlagsort: Verlag.

Präsidium der Deutschen Triathlon Union. (2018). Die Sportordnung der Deutschen Triathlon Union e.V. Zugriff am 18.06.2018 unter https://www.dtu-info.de/a/dateien/regelwerk-ordnungen/Ordnungen/SpO_2018_V_1_2_sw.pdf

How to do

Oder kleine Anmerkungen einzufügen:

Notiz 1

Tipp 1

Achtung 1

Warnung 1

biomechanik/aktuelle_themen/projekte_ss18/atsb1805.txt · Zuletzt geändert: 23.06.2018 18:29 von Tobias Knetsch
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