Peperduur wiel is amper sneller

Wekelijks stuit Karel Knip in de alledaagse werkelijkheid op raadsels en onbegrijpelijke verschijnselen.

Deze week: wielrenners met circuswielen.

Een hoge voorvelg verlaagt de luchtweerstand in de tijdrit van de Belgische wielrenner Kobe Goossens tijdens de Ronde van Romandië op 2 mei 2021.
Een hoge voorvelg verlaagt de luchtweerstand in de tijdrit van de Belgische wielrenner Kobe Goossens tijdens de Ronde van Romandië op 2 mei 2021. Foto EPA

Zoveel wielrenners razen er tegenwoordig over de mooie weggetjes rond de grote stad dat het de buitenstaander niet ontgaan kan dat ze zich steeds mallotiger kleden en dat ze op steeds vreemdere fietsen rijden. Rare frames, rare sturen. Een nieuwe trend is het gebruik van wielen met ‘hoge velgen’ en een sterk verminderd aantal spaken. Niet 36 maar 20 of nog minder.

Het is beter ze geen aandacht te geven, maar op den duur wil je toch weten waaróm ze van die circuswielen gebruiken. Want goedkoop zijn die niet. Een winkelier die het op YouTube uitlegt draait daar niet omheen: de wielen zijn per set duizend euro maar kunnen ‘ook zomaar tweeduizend euro’ kosten. Die zet je niet voor niets op je fiets.

Waarvoor dan wel? „Sommigen vinden het er gewoon gaaf uitzien”, zegt de winkelier. En hij weet nog meer: de wielen hebben ten opzichte van meer gebruikelijke wielen een aerodynamisch voordeel dat wel 10 procent kan zijn. Met dit soort wielen haal je een snelheid van 33 kilometer per uur (km/u) waar je vroeger met dezelfde inspanning maar 30 km/u had gehaald, vertaalt hij het naar de potentiële koper toe. Hij vindt het ‘fors’ en noemt ons nog een ander voordeel: wielen met hoge velgen zijn stijver. Nadelen zijn er ook: wielen met hoge velgen zijn zwaarder en gevoeliger voor zijwind dan gewone wielen.

Rotatie-luchtweerstand

Van 30 naar 33 km/u met dezelfde vermogensinzet is niet mis. Zou het ook waar zijn? De literatuur die Google Scholar opdiepte geeft weinig hoop. Bij de snelheden die amateurwielrenners bereiken komt 90 procent van de te overwinnen weerstand van luchtweerstand en die wordt voornamelijk geleverd door lichaam en frame. De tot voor kort gangbare wielen namen samen maar zo’n 10 à 15 procent van de luchtweerstand voor hun rekening. Het grootste deel daarvan is van een soort die ook ontstaat aan lichaam en frame en die min of meer evenredig is met het frontale oppervlak. Hooguit een kwart van de luchtweerstand van gangbare wielen komt van het roomklopperige effect van de spaken. Het is deze ‘rotatie-luchtweerstand’ die afneemt als je wielen uitrust met hoge velgen (deep rims) en het aantal spaken verlaagt. Maximaal is het effect bij compleet dichte wielen (disc wheels) maar die zijn te gevoelig voor zijwind.

Er zijn aanwijzingen dat hoge velgen en een verminderd aantal spaken de rotatieweerstand met een kwart verminderen, maar zelfs als de rotatieweerstand helemaal weg zou vallen zou de luchtweerstand van fiets plus renner maar zo’n 3 procent dalen. Dat zou de genoemde 30 km/u niet brengen op 33 km/u maar op hooguit 31 km/u zoals valt af te leiden uit grafieken die de relatie tussen snelheid en benodigd vermogen weergeven (bijvoorbeeld die in Bicycling Science van D.G. Wilson).

Fietsen op een rollenbank

Een probleem is dat het effect van wielaanpassing niet goed is te meten. Veldproeven, windtunneltesten en rekenmodellen (computational fluid dynamics, CFD) gaven verschillende uitkomsten. Intrigerend zijn recente proeven waarbij een renner met zijn fiets in een laboratorium op een rollenbank plaatsnam en een minuut lang zo goed mogelijk een constante, hoge snelheid aanhield. In deze opzet komt de luchtweerstand uitsluitend van de rotatie-weerstand (en een beetje van de bewegende benen). Uit een registratie van het ingezette vermogen kwam het gunstig effect van de hoge velgen verrassend duidelijk naar voren. Maar de proeven waren niet erg reproduceerbaar.

Er is ruimte voor amateuronderzoek. Zo kan de liefhebber zich bijvoorbeeld bij windstil weer zonder te trappen van een lange helling (zoals de afrit van een brug) laten rijden en op die manier de invloed van velgen en spaken bepalen. Voor het gewichtsverschil tussen de wielen moet worden gecompenseerd want een zware fietser rijdt van zichzelf sneller een helling af dan een lichte. Ouders die samen met kinderen (zonder te trappen) een brug afrijden nemen dit keer op keer waar. De onderlinge gewichten verschillen veel meer dan de ‘frontale oppervlakken’ die de luchtweerstand bepalen.

Denkfout

Daar is dit wielenstukje dan ook nog goed voor: om er op te wijzen dat de meeste mensen veronderstellen dat ouders en kinderen even hard zouden gaan. Ze denken dat dit is waar Galileo Galilei op uitkwam in zijn weerlegging van de opvattingen van Aristoteles dat zware voorwerpen sneller vallen dan lichtere. Galileo maakte aannemelijk dat alle voorwerpen even snel vallen, maar hij liet ook zien dat dit alleen geldt als er géén luchtweerstand is. Amerikaanse psychologen namen deze ‘Galileo bias’ in 2005 op in hun beschrijving van ‘naive physics’.

Veel mensen denken ook dat de moeite die het ze kost om een hoge brug op te fietsen wordt gecompenseerd door het gemak waarmee ze er aan de andere kant weer afrollen. Of, mooier voorbeeld, dat dezelfde wind als meewind precies goed maakt wat-ie als tegenwind verpestte. De dichter Jan Hanlo heeft dit ‘verstandelijk gezichtsbedrog’ genoemd en liet in een rekenvoorbeeld zien waar de denkfout zit. Vandaar kostte het hem weinig moeite om aan te tonen dat er geen reden is om te twijfelen aan het bestaan van God, de Schepping en de Voorzienigheid.