Miniatur-Wägezelle zur Messung des Windschattenfahrens beim Speedskating

Wieviel Kraft können Fahrer im Windschatten tatsächlich sparen? Ein Schüler-Projekt.

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Bei schnellen Ausdauersportarten wie Rennradfahren, Handbikefahren und Speedskating wird üblicherweise in Gruppen gefahren. Dabei können die Fahrer hinter der führenden Person den Windschatten ausnutzen und so Kraft sparen. Diesen Effekt hat eine Schülerin des Maximilian-von-Montgelas-Gymnasiums in Vilsbiburg genauer untersucht.

Zunächst wurden die Herzfrequenzen untersucht, die die Fahrer an verschiedenen Positionen haben, um so auf eine geringere Belastung und somit niedrigeren Kraftaufwand schließen zu können. Diese Art die Kraftersparnis zu ermitteln stellte sich jedoch als schwierig heraus, da Erholungsphasen und individuelles Können eine große Rolle spielen, d.h. ein Mensch nicht wie eine Maschine funktioniert.

Um das Phänomen auch von physikalischer Seite her zu betrachten und auch quantitativ Unterschiede feststellen zu können, wurde die Kraftwirkung auf ein Modell, das aus zwei Zylindern bestand, die sich auf einer Platte in unterschiedlichen Positionen zueinander befanden, im Windkanal getestet. Dabei konnte man sehr gut sehen, wie die Gesamtkraft mit zunehmendem Abstand der Zylinder voneinander zunimmt. Zusätzlich konnte man feststellen, dass auch der erste Fahrer eine etwas geringere Kraft aufwenden muss, wenn sich direkt hinter ihm ein weiterer Fahrer befindet.

Diese Ergebnisse lassen sich mit dem Nachlauf, Verwirbelungen hinter dem umströmten Körper, begründen. Außerdem erhöht sich bei leicht schräger Positionierung des Zylinders die Kraft bei geringem vertikalem Abstand schneller als bei größerem. Zudem wurde ermittelt, dass der cW-Wert des verwendeten Zylinders etwa das Vierfache von dem eines Kleinwagens beträgt.

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Aufbau des Modells

Der Zylinder wird auf einer Platte im vorderen Bereich mittig befestigt. Diese Platte verfügt über ein Lochmuster, sodass in verschiedenen Positionen ein weiterer Zylinder eingeschraubt werden kann. Die Platte besitzt Rollen, die in den Schienen einer zweiten, ebenso großen Platte laufen. So kann die untere Platte am Boden des Windkanals festgeklebt werden, während die obere noch frei beweglich ist. Das Anheben der oberen Platte bei Strömungseinfluss wird durch Winkel verhindert, die dafür sorgen, dass die Platte nur in horizontaler Richtung beweglich ist.

Zwischen den beiden Platten befindet sich ein Kraftsensor "ALS251"der Firma Althen GmbH Mess- und Sensortechnik, ein Dehnungsmessstreifen, der verbogen wird, wenn die obere Platte durch die Krafteinwirkung beim Einströmen von Luft auf den Zylinder bewegt wird.

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