Invloed van de wind op de snelheid
Dat de te behalen fietssnelheid in sterke mate wordt beïnvloed door de wind is vanzelfsprekend. En omdat je zelf al gauw met een hogere snelheid rijdt dan de windsnelheid heb je dus meestal effectief wind tegen. Met wind op kop, dus recht van voren, heeft een ligfiets dankzij een relatief klein frontaal oppervlak duidelijk minder luchtweerstand dan een conventionele fiets.
Maar wat als de wind niet recht van voor of recht van achter komt?
Welke invloed heeft de wind dan op de te behalen snelheid?
Om op deze vragen een antwoord te vinden heb ik wat berekeningen uitgevoerd, gebaseerd op een aantal aannamen.
De windsnelheid zoals die vanuit het weerbericht wordt opgegeven is de windsnelheid gemeten op 10 meter hoogte. Dit is niet de windsnelheid waarmee je als fietser te maken hebt.
De windsnelheid aan de grond is altijd lager. Hoe veel lager hangt af van de ruwheid van het terrein (gebouwen, bomen, beplanting enz.)
In mijn berekeningen ben ik uitgegaan van een windsnelheid aan de grond van 0 tot 2,5 m/s (0 – 9 km/h). Dit bereik correspondeert met windkracht 0 tot 5 Beaufort op 10 m hoogte en een snelheidsafname van 70% op 1 meter hoogte.
Het frontaal oppervlak van een ligfiets is klein, maar als we vanuit de zijkant naar een ligfiets kijken dan blijkt het oppervlak veel groter:
Frontaal oppervlak en flank oppervlak ligfiets
Wanneer de wind recht van voor of van achter komt heeft enkel het frontaal oppervlak de grootste invloed op de te ondervinden luchtweerstand. Bij wind van opzij zal ook het flankoppervlak een rol gaan spelen.
Vanuit de windhoek kan een schijnbaar frontaal oppervlak worden berekend. Bij 0° en 180° is het schijnbaar oppervlak gelijk aan het echte frontaal oppervlak. Bij elke andere windhoek zal het schijnbaar oppervlak tussen de grootte van het frontaal oppervlak en het flankoppervlak liggen.
De windhoek die bij stilstand van de fiets geldt is niet de windhoek die je ervaart wanneer je in beweging bent. Een zijwind (invalshoek 90°) met een snelheid van 5 m/s wordt gevoeld als een wind schuin van voren (hoek 45°) als je met een gelijke snelheid van 5m/s fietst. Vanuit de met fietssnelheid gecorrigeerde windhoek kan dan het schijnbaar frontaal oppervlak worden berekend.
Vectorvoorstelling fiets- en windsnelheid
Berekening gecorrigeerde windhoek
Berekening gecorrigeerd oppervlak
Met een rekenprogramma is voor windsnelheden van 0 tot 2,5 m/s (stapgrootte 0,01 m/s) en voor een windhoek van 0° tot 180° (met stapgrootte van 1°) de te behalen fietssnelheid berekend met als uitgangspunt een gelijkblijvend geleverd vermogen.
Dit vermogen is gesteld op 160 Watt, met mijn ligfiets resulteert dit bij windstilte in een fietssnelheid van 28,7 km/u (7,96 m/s).
Voor de eenvoud is aangenomen dat de stroomlijncoëfficiënt niet afhankelijk is van de windhoek en/of snelheid.
De te behalen fietssnelheid kan vanuit een gelijkblijvend vermogen P worden berekend door de waarde van P (160 Watt) zo dicht mogelijk te benaderen door met kleinje stapjes (0,01 m/s) de fietssnelheid te verhogen.
Vermogensberekening
Aannamen:
- Frontaal oppervlak 0,4 m2
- Flank oppervlak 0,6 m2
- Stroomlijncoëfficiënt Cw: 1
- Constant geleverd vermogen 160 Watt
- Rolweerstandscoëfficiënt: 0,006
- Massa fiets en fietser: 90 kg
Snelheid bij (zij)wind met vermogen van 160 watt
Grafiek fietssnelheid in relatie tot wind
Resultaten bij andere geometrie
