Samen fietsen sneller dan elektrisch fietsen

Het snelheidsvoordeel van fietsen in groep kan veel groter zijn dan het snelheidsvoordeel van een elektrische fiets, zo blijkt uit onderzoek in windtunnels.

Foto: schaalmodellen (1:4) van fietsers in een windtunnel.© Bert Blocken, Technische Universiteit Eindhoven, KU Leuven.

---

---

Luchtweerstand en rolweerstand

De inspanning van een fietser is gericht op het overwinnen van rolweerstand en luchtweerstand. Bij normale fietssnelheden – pakweg 15 km/u – zijn rolweerstand en luchtweerstand ongeveer gelijk. De luchtweerstand neemt echter toe met het kwadraat van de snelheid, zodat hij domineert vanaf een snelheid van ongeveer 35 km/u – dat haal je als je doortrapt op een koersfiets. Bij een snelheid van 55 km/u – de snelheid van een peloton in een professionele wielerwedstrijd – is de luchtweerstand goed voor 90% van de totale weerstand. [1]

De luchtweerstand kan worden verminderd door meer aerodynamische fietsen in te zetten. Een voorbeeld zijn ligfietsen met een aerodynamisch koetswerk, de zogenaamde “velomobielen”. Daarmee kan je even snel fietsen met minder krachtinspanning, of sneller fietsen met dezelfde krachtinspanning. In een velomobiel is een inspanning van ongeveer 70 watt voldoende om een snelheid van 35 km/u te halen. Op een koersfiets is daar ongeveer 200 watt voor nodig, op een gewone fiets ongeveer 400 watt. [2]

Een velomobiel. Foto: Wikipedia Commons. 

Een ander alternatief is een elektrische fiets, die de inspanning van de fietser ondersteunt met een elektrische motor en een chemische batterij. Deze elektrische motoren hebben een vermogen van ongeveer 250 watt (voor snelheden tot 25 km/u) tot 500 watt (voor snelheden rond de 50 km/u). Het effect van een elektrische hulpmotor is dus ongeveer gelijk aan dat van een radicale stroomlijning, zeker bij snelheden van 50 km/u of hoger.

Het voordeel van samen fietsen

Er is echter nog een derde mogelijkheid om de luchtweerstand te verminderen, waarvoor noch nieuwe fietsen, noch batterijen nodig zijn: samen fietsen. Van zodra fietsers in groepjes rijden, kost het minder inspanning om dezelfde snelheid te halen. Iedereen wint, ook de fietser op kop. Uit onderzoek met groepjes van drie tot vijf fietsers blijkt dat samen rijden (in verschillende configuraties) een gezamenlijke energiebesparing oplevert van 30 tot 50%. Ook dat is vergelijkbaar met het voordeel van een elektrische fiets.

Hoe groter de groep fietsers, hoe groter het voordeel van samen fietsen. Bert Blocken, onderzoeker aan de Technische Universiteit Eindhoven en de KU Leuven, berekende de luchtweerstand in een wielerpeleton van 121 fietsers op basis van simulaties en tests in windtunnels. Daaruit bleek dat de gezamenlijke krachtinspanning van de hele groep voor het overwinnen van de luchtweerstand 80% lager ligt dan wanneer ze allemaal op hun eentje zouden fietsen. [1]

---

Luchtweerstand voor kleine groepjes fietsers in verschillende configuraties. © Bert Blocken, Eindhoven University of Technology, KU Leuven.

---

Illustratie: de luchtweerstand voor elke fietser in het peloton, uitgedrukt als percentage van de luchtweerstand voor een individuele fietser aan dezelfde snelheid. © Bert Blocken, Technische Universiteit Eindhoven, KU Leuven.

---

Afhankelijk van de configuratie van het peloton bespaart de fietser op kop 14-15% energie, terwijl de wielrenners aan de zijkanten van het peloton 33-41% energie besparen. Maar de grootste winst is voor zij die zich in de “buik” van het peloton bevinden: maar liefst 57 fietsers besparen 90 tot 95% energie. Dat wil zeggen dat deze fietsers een snelheid halen van 54 km/u met een krachtinspanning die hen normaal gezien slechts een snelheid van 12 tot 17 km/u zou opleveren. Let op: het gaat hier alleen om de luchtweerstand -- er is ook nog kracht nodig om de rolweerstand te overwinnen.

De helft van het peloton hoeft nauwelijks te trappen om 54 km/u te rijden.

Blocken heeft ook al de resultaten voor een nog te verschijnen onderzoek, waarbij hij zijn eerdere berekeningen vergelijkt met fietsers die allemaal in een rij achter elkaar rijden, als op een fietspad. Uit de tests blijkt dat twee achter elkaar rijdende fietsers samen bijna 20% minder energie verbruiken om dezelfde snelheid aan te houden als twee individuele fietsers, terwijl tien achter elkaar rijdende fietsers samen 50% energie besparen. Bij een groep van 120 achter elkaar op het fietspad rijdende fietsers bedraagt de energiebesparing 60%. De energiebesparing is dus kleiner dan wanneer fietsers zowel naast als achter elkaar rijden.

---

De luchtweerstand voor verschillende groepen fietsers die achter elkaar rijden, uitgedrukt als het percentage van de luchtweerstand voor individuele fietsers. De twee groene balkjes betreffen de resultaten voor pelotons waarbij fietsers zowel achter als naast elkaar rijden.© Bert Blocken, Technische Universiteit Eindhoven, KU Leuven.

---

Een energiebesparing van 50 tot 80% voor het overwinnen van de luchtweerstand is opmerkelijk. Vanaf ongeveer 10 achter elkaar rijdende fietsers levert samen fietsen duidelijk meer snelheidsvoordeel op dan wanneer elke fietser afzonderlijk met een elektrische fiets zou rijden. Het enige verschil is dat de inspanning ongelijker is verdeeld.

In principe kan de helft van een grote groep fietsers bestaan uit mensen die niet de fysieke conditie hebben om een snelheid van 55 km/u te halen -- het volstaat om een aantal sterkere fietsers aan de kop en op de zijflanken te hebben. Alle fietsers in de groep moeten wel over de nodige stuurmanskunsten beschikken om dicht op elkaar te rijden.

De resultaten zijn gebaseerd op simulaties en tests in windtunnels, waarbij schaalmodellen worden gebruikt op ¼ van de werkelijke schaal. De werkelijkheid is natuurlijk complexer dan deze testomgevingen. Zo wordt de luchtweerstand alleen maar gemeten in een rechte lijn, terwijl een peloton in realiteit langer wordt in de bochten – dat is het accordeoneffect. Wielrenners achteraan het peloton moeten dan tijdelijk meer inspanning leveren om bij te blijven. Ook wind kan de theoretische uitkomsten beïnvloeden.

Hoe praktisch is samen fietsen?

Niettemin zijn de resultaten van deze tests belangrijk, en niet alleen voor sportliefhebbers. Het laat zien dat we met een combinatie van organisatie, infrastructuur en menselijke spierkracht minstens evenveel kunnen bereiken als met elektrische hulpmotoren en batterijen.

Uiteraard is het praktisch toepassen van deze kennis in het dagelijkse leven niet vanzelfsprekend. Een peloton fietsers past niet op het fietspad, en er moeten voldoende mensen fietsen om pelotons te kunnen vormen. In groep fietsen is ook gevaarlijker dan alleen fietsen. Als één fietser valt, dan gaan er wellicht nog meer tegen de grond. Ook voor andere weggebruikers levert een peloton fietsers een gevaar op.

Maar als de auto baan ruimt, dan zijn bijvoorbeeld autosnelwegen ideaal voor grote groepen fietsers: er zijn geen scherpe bochten of kruisend verkeer en er kan makkelijk aan een constante snelheid worden gereden. Pelotons kunnen elkaar zelfs voorbijsteken.

---

Schaalmodellen van fietsers in een windtunnel.© Bert Blocken, Technische Universiteit Eindhoven, KU Leuven.

---

Een trein op spierkracht

Er is nog een andere mogelijkheid. Groepen fietsers kunnen plaatsnemen in een gezamenlijk voertuig. Op die manier kunnen ze minstens evenveel energie besparen door een betere aerodynamica, maar dan zonder het risico van valpartijen. De grootste winst zou behaald kunnen worden met een pedaalaangedreven trein, omdat die ook nog eens een bijzonder lage rolweerstand heeft.

Maar hoe verzeker je dat iedereen meetrapt? Wie het peloton niet langer kan volgen, raakt automatisch achterop. In een pedaalaangedreven trein kan je in principe helemaal gratis meeliften. Als iedereen dat doet, staat de trein stil.

Kris De Decker

---

Bronnen:

[1] Blocken, B., van Druenen, T., Toparlar, Y., Malizia, F., Mannion, P., Andrianne, T., ... & Diepens, J. (2018). Aerodynamic drag in cycling pelotons: New insights by CFD simulation and wind tunnel testing. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 179, 319-337.

[2] Wilson, D. G., Papadopoulos, J., & Whitt, F. R. (2004). Bicycling science. MIT press.

Gerelateerde artikels: 

• Oorlog om windenergie
• De velomobiel: hightech fiets of lowtech auto?
• De elektrische velomobiel: bijna even snel als de auto, maar 80 keer zuiniger
• Schaalmodellen van fietsen
• Sneller fietsen zonder trapondersteuning
• Een overdekte snelweg voor fietsers
• Ook de trein kan zuiniger

---

Comments

[Geplaatst door: roland]

(1)

@: "Bij een groep van 120 achter elkaar rijdende fietsers bedraagt de energiebesparing 60%."
@: "in een wielerpeleton van 121 fietsers bleek dat de gezamenlijke krachtinspanning voor het overwinnen van de luchtweerstand 80% lager ligt"
- opmerkelijke verschillen i.v.m. de rolweerstand?

@: "Ook wind kan de theoretische uitkomsten beïnvloeden."
- in de praktijk nog meer, merkt iedere fietser.
Vraag de onderzoekers hoe je windhinder kunt minimaliseren en de hinder van voorrangskruisingen.

[Geplaatst door: Nico S.]

(2)

In de praktijk zijn er tevens heuvels op te rijden. Uit ervaring zie ik dat de minder getrainde fietser bijna geen voordeel meer haalt tijdens het klimmen, temeer omdat 'de kopman' ook al minder snel kan fietsen en het weerstand voordeel verdwijnt. Maar tegen de wind in en op wegen met minder dan 3% helling fiets ik graag achter een e-bike aan en ik bedank hun er ook voor.

[Geplaatst door: Lan Bir]

(3)

Waarom wordt deze wetenschap niet meer ingezet bij gemotoriseerd verkeer?

Stel dat alle auto's met elkaar kunnen communiceren en automatisch een minimum afstand bewaren. het verbruik zou een pak dalen gewoon door netjes achter elkaar te rijden.

[Geplaatst door: BArt]

(4)

Vermits de koprijder ook een licht voordeel heeft zou die jou ook kunnen bedanken als je in zijn wiel gaat hangen.

Iets sportiever is het als je de koppositie afwisselt en zo de inspanning verdeelt. Technieken uit het tijdrijden in groep (ook bij triatlon met stayeren) zouden toegepast kunnen worden in het dagelijkse woon-werk-school verkeer.

Misschien moet iemand een APPje maken zodat mensen kunnen afspreken om in peloton naar het werk te fietsen. Je neemt dan om 8u10 het peloton op de fietssnelweg F1 die 10 minuten later naadloos aansluit op het peloton op de F16.

[Geplaatst door: twilwel]

(5)

In een gelegenheids-peloton rijden is te gevaarlijk voor de gemiddelde in deze onervaren fietser door de onvermijdelijke valpartijen, nog afgezien van de complicaties van het vormen van zo'n peloton. Voor schoolgaande jeugd die allemaal tegelijk naar school gaan kan het wel heel goed werken.
Wat betreft velomobiel en electrische fiets. Hier wordt gesteld dat dat op hetzelfde neer komt, maar als ervaringsdeskundige met beide durf ik daar wel wat kanttekeningen bij te plaatsen: een velomobiel biedt weersbescherming (dus ook in de winter te gebruiken) en er is door de zeer lage luchtweerstand en het zeileffect van de aerodynamische body bij veel verschillende windrichtingen en sterktes een goede snelheid mee te halen met weinig inspanning (vermogen). Pas bij lange hellingen wordt een electrische fiets interessant. Bij rollende heuvels (op en af) blijkt de velomobiel juist bij uitstek geschikt. Tenminste zolang de kruisingen en verkeerslichten niet telkens net in het dal zijn. Een velomobiel is nu nog flink duurder dan een electrische fiets, door de kleinschalige productie. De kosten van vervanging van de accu's mag men echter niet over het hoofd zien. Maar al te vaak komt dat neer op een nieuwe electrische fiets kopen.

[Geplaatst door: kris de decker]

(5)

@ roland

Het verschil tussen 60 en 80% is het gevolg van de verschillende vorm van het peloton. Bij 80% energoebesparing rijden fietsers niet alleen achter, maar ook naast elkaar. De rolweerstand heeft daar niks mee te maken.

@ Bart

Een "appje" zou handig zijn. Een soort blabla-car voor fietsen. Dat zal ook nodig zijn om politici te interesseren, want voor het beleid moet er altijd "iets innovatiefs" bij horen.

[Geplaatst door: Frisbee]

(6)

@Lan Bir
Dat pal achter elkaar rijden van auto's gaat ook al jaren door mijn hoofd. Met iets van gladde en tevens flexibele bumpers rondom het voertuig zou er mogelijk zelfs extreem dicht opeen kunnen worden gereden zonder schade aan voertuigen en inzittenden. Er passen dan bovendien meer voertuigen op een kleiner wegoppervlak. Vooral handig in spitstijden (hoewel dat ook weer een aanzuigend effect kan hebben...).
Bijkomend voordeel kan zijn dat genoemde voertuigen minder snel ernstig letsel zouden veroorzaken aan kwetsbare weggebruikers als voetgangers en fietsers.

Met moderne voertuigtechnologie (lees zelfsturende auto's) kan een peloton auto's wellicht pal tegen elkaar aan rijden. Voor de gewone fietsers zie ik zo dicht opeen rijden helaas niet voor me, met de diverse uitstekende onderdelen zit je gauw in elkaar verstrikt. De velomobiel heeft dat misschien meer in zich, maar betreft helaas nog immer een schaars verschijnsel.
De e-bike zou met zijn maximale (en vaak tevens nominale) snelheid van 25km/uur misschien wel de meest praktische zijn voor het pelotonwerk, al zal de gemiddelde e-biker daar natuurlijk niet veel meer van gaan merken dan een lagere stroomrekening ;-)

[Geplaatst door: Frisbee]

(7)

Als wielrenner, toerfietser en fietsforens ben ik dol op 'wieltjepikken' en laat ik ook graag mensen in mijn wiel meerijden. Valt me op hoe zelden mensen tot dat laatste geneigd zijn. Is dat een kwestie van 'dat doe je niet', verlegenheid, idee van gevaar of onbekendheid en onervarenheid? Of rijden de meesten toch het liefst zelf met de neus in de wind (in plaats van in de mijne ;-) )?

[Geplaatst door: koen]

(8)

een “tandem” dus met 10 trappers, en 2 wielen,
rolweerstamd is die van een gewone fiets, maar luchtweerstand is extreem veel lager!
wie bouwt er eentje om het eens te testen?

[Geplaatst door: Marnix]

(9)

Zelfrijdende auto's waren al mogelijk met analoge techniek op speciaal daarvoor ontworpen snelwegen, echter snelwegen worden niet gerund door innovatieve bedrijven maar door overheden.
Overgens, een aanbieder van een automatische snelweg zal waarschijnlijk de snelheid opvoeren, zodat iedereen netjes, veilig en efficient 200+km per uur rijdt.

[Geplaatst door: Ruben]

(10)

@ koen
Volgens mij is de luchtweerstand van een tandem met twee personen niet lager dan een gewone fiets, maar wel lager dan twee gewone fietsen die achter elkaar aan rijden. Je hebt wel een groter totaal trapvermogen op een tandem natuurlijk.

@ Marnix
Vermoedelijk zal een hogere snelheid het effect van minder luchtweerstand op het verbruik teniet doen. Eigenlijk zou dat nu al op de gewone snelwegen kunnen, mits daar goede afspraken rond zijn. Een rijstrook op de gemiddelde snelweg is volgens mij breed genoeg voor twee auto's naast elkaar als die tegen elkaar aanrijden. Op die manier zou je konvooien met wisselende bezetting kunnen vormen. Ideaal is echter de besturing centraal voor het konvooi, wat nu nog moeilijk is natuurlijk.

[Geplaatst door: koen]

(11)

@ruben

idd, maar ik bedoel dus luchtweerstand van 1 tandem tov 10 gewone fietsen, en met een tandem zit je kort en strak achter mekaar natuurlijk.