Effizient unterwegs trotz kleiner Räder

Falträder werden hauptsächlich als praktische Begleiter im Alltag und im Stadtverkehr genutzt. Selten jedoch als Reiserad. Ihre kompakten Abmessungen und die leichte Transportierbarkeit machen sie aber auch dafür zu einer guten Wahl.

Hochwertige Falträder wie jene von Brompton oder das Birdy von Riese & Müller eignen sich auch gut als Reiseräder. Die Nachteile der kleineren Räder und die aufrechtere Sitzposition wiegen weniger schwer als man annehmen würde. Die Physik erklärt uns warum.

Ein häufig genannter Nachteil ist jedoch der geringere Wirkungsgrad im Vergleich zu Fahrrädern mit grösseren Laufrädern, insbesondere bei längeren Strecken oder höheren Geschwindigkeiten.

Doch wie gross ist dieser Nachteil wirklich, und was bedeutet er für die unterwegs benötigte Leistung und die am Ende des Tages geleistete Arbeit? Da das menschliche Gehirn gerne Dinge glaubt, die logisch und schlüssig erscheinen – auch wenn sie es nicht sind – werden wir in diesem Artikel einen Blick auf die Physik und die Zahlen dahinter werfen.

Dabei gehen wir in drei Schritten vor und klären:

• Was bedeuten Leistung und Arbeit für Puls und Beine?
• Mit was für Widerständen kämpfen wir Radreisende überhaupt?
• Was kann man tun, um auch mit kleinen Rädern entspannt zu reisen?

Leider wird es jetzt etwas technisch, und genau darum geht es in diesem Beitrag. Aber es lohnt sich, die folgenden Abschnitte aufmerksam zu lesen. Vielleicht sogar zweimal. Die kleine geistige Anstrengung wird sich bei der nächsten Radtour sicher auszahlen.

Beginnen wir mit der Definition von Leistung und Arbeit, da wir in den folgenden Abschnitten viel darüber sprechen werden.

Was ist Leistung und Arbeit?

Die Leistung beschreibt, wie viel Energie man in einer bestimmten Zeit aufbringt. Beim Radfahren ist es die Kraft, die der Körper gerade aufwendet, um das Fahrrad in Bewegung zu halten. Zum Beispiel beim Treten gegen den Wind oder beim Bergauffahren. Je höher die Leistung, desto grösser ist der momentane Kraftaufwand.

Die Einheit der Leistung ist Watt (W). Ein Watt entspricht einem Energieumsatz von einem Joule oder 0,000239 Kilokalorien pro Sekunde. Tritt man also mit 100 Watt in die Pedale, so werden pro Sekunde 100 Joule Energie in Bewegung und auch Wärme umgesetzt. Die Leistung treibt den Puls in die Höhe.

Arbeit ist die gesamte Energie, die man beim Radfahren verbraucht – zum Beispiel um eine Strecke zurückzulegen und Höhenmeter zu überwinden. Dabei spielt es keine Rolle, wie schnell man fährt. Über den Tag summiert sich die Arbeit auf den gesamten Energieverbrauch des Körpers.

Häufig wird die Arbeit in Wattstunden (Wh) angegeben, d.h. wie viel Leistung in welcher Zeit erbracht wurde. 100 Watt über eine Stunde entsprechen 100 Wh – ebenso 200 Watt über eine halbe Stunde.

Für Radreisende sind sowohl Leistung als auch Arbeit entscheidend, allerdings in sehr unterschiedlicher Weise:

• Die Leistung bestimmt, wie anstrengend sich eine Etappe gerade anfühlt: Steile Anstiege, Gegenwind oder schweres Gepäck treiben die Wattzahl in die Höhe – und damit auch den Puls. Wer zu viel Leistung auf einmal abruft, läuft Gefahr, sich zu überfordern oder leer zu fahren.
• Die geleistete Arbeit wird über den Tag aufsummiert. Sie beschreibt die gesamte Energiemenge, die der Körper verbraucht hat. Auch eine lange, nur leicht hügelige Etappe mit moderatem Tempo kann am Ende spürbar ermüden, einfach weil sich über den Tag viele Kilometer und Höhenmeter summieren.

Leistung und Arbeit beim Radfahren hängen direkt von den Widerständen ab, die es zu überwinden gilt – etwa Steigungen, Gegenwind oder ein schlechter Untergrund. Je grösser diese Widerstände, desto mehr Energie muss der Körper aufbringen. Um die gleiche Geschwindigkeit zu halten, ist eine höhere Tretleistung erforderlich. Und selbst wenn die Strecke gleich lang bleibt, ist die geleistete Arbeit am Ende des Tages höher.

Diese Widerstände sehen wir uns nun im Detail an.

Die physikalischen Widerstände beim Radfahren

Leider wirken eine ganze Reihe von Widerständen gegen den armen Radfahrer. Die drei wichtigsten sind der Luftwiderstand, der Rollwiderstand und die erforderliche Steigleistung. Dazu kommen noch die weniger relevanten Antriebs- und Lagerverluste, die wir aber vorerst ausser Acht lassen.

Da das Verhältnis dieser Widerstände in der Ebene und an Steigungen sehr unterschiedlich ist und in der Ebene die Fahrgeschwindigkeit einen grossen Einfluss hat, werden verschiedene Situationen betrachtet:

• 20 km/h in der Ebene (flotte Reisegeschwindigkeit)
• 15 km/h in der Ebene (gemütliches Cruisen)
• 10 km/h bei 5% Steigung (unterwegs in hügeligem Gelände)
• 5 km/h bei 10% Steigung (wenn es auf der Reise auch knackige Anstiege hat) 

Wir gehen immer von einem Gesamtgewicht von 110 kg (Fahrer 80 kg, Fahrrad 15 kg, Gepäck 15 kg) und einer Fahrt auf mittelglattem Asphalt aus. Alles auf 20-Zoll-Rädern mit korrektem Luftdruck.

Da wir nun von Watt reden, müssen wir noch klären, wie viele Watt ein typischer Reiseradler über einen Tag überhaupt treten kann, ohne am Abend ermattet ins Bett zu sinken und so einen schönen Abend an einem neuen Ort zu verpassen.

Für sportlich aktive Menschen ohne spezielles Ausdauertraining liegt die aerobe Dauerleistung, also die Leistung, die über mehrere Stunden ohne Ermüdung erbracht werden kann, im Bereich von 100 bis 150 Watt. Wer regelmässig Rad fährt oder Touren unternimmt, bewegt sich in der Regel im oberen Bereich dieses Bereichs. Ein untrainierter Erwachsener kann noch 80 bis 100 Watt über mehrere Stunden treten.

Für die meisten Radreisenden ist daher eine Dauerleistung von 100 bis 120 Watt kein Problem. Zumindest solange die Trittfrequenz angenehm ist, das Rad gut rollt und keine steilen Anstiege die Wattzahl kurzfristig sprengen und zu viele Körner verbrennen.

Die folgenden Wattzahlen sind Näherungswerte, da sie von einer Vielzahl von Parametern wie z.B. Reifenprofil, Feinheit des Asphalts usw. abhängen. Sie geben jedoch einen guten Eindruck von der unterschiedlichen Wirkung der verschiedenen Widerstände in Abhängigkeit von der Fahrsituation.

Flott in der Ebene unterwegs (20 km/h)

Das ist ein typisches Reiseszenario, wie man es zum Beispiel auf den beliebten Radwegen entlang der Flüsse Europas findet. Es gibt viele davon und sie sind wahrscheinlich auch eines der ersten Reiseprojekte von Radfahrerinnen und Radfahrern, die sich mit einem Faltrad auf den Weg machen.

Um mit konstanter Geschwindigkeit fahren zu können, werden ca. 110 Watt benötigt. Diese teilen sich wie folgt auf:

• Luftwiderstand 63 W
• Rollwiderstand 47 W
• Steigleistung 0 W, schliesslich sind wir in der Ebene unterwegs

Knapp 60 Prozent der benötigten Tretleistung entfallen also auf den Luftwiderstand, etwas über 40 Prozent auf den Rollwiderstand. Das erklärt auch, warum Faltradfahrer in aufrechter Sitzposition lieber etwas gemütlicher fahren als Rennradfahrer in gebückter Haltung. Schauen wir uns also an, wie es bei niedrigeren Geschwindigkeiten aussieht.

Gemütliches Cruisen in der Ebene (15 km/h)

Die Luftwiderstandskraft wächst mit dem Quadrat der Geschwindigkeit, die erforderliche Leistung jedoch mit der dritten Potenz. Daher führt eine Reduktion der Geschwindigkeit auf 75 % bereits zu einer Verringerung der Luftwiderstandsleistung auf etwa 42 % des ursprünglichen Werts (0.75³ = 0.422). Diese nichtlineare Abhängigkeit erklärt, warum langsames Fahren energetisch so viel günstiger ist.

Damit werden zur Überwindung des Luftwiderstandes nur noch knapp 30 Watt benötigt, das sind immerhin 36 Watt weniger als bei 20 km/h. Der Rollwiderstand hingegen sinkt linear zur Geschwindigkeitsreduktion und somit rund 35 Watt (47 Watt * 0.75).

Es wird also eine Gesamtleistung von 63 Watt benötigt, welche sich wie folgt aufteilt:

• Rollwiderstand 35 W
• Luftwiderstand 28 W
• Steigleistung 0 W

Für die meisten von uns sind 63 Watt angenehm niedrig und ideal für ein entspanntes Fahren über lange Distanzen. Diese Leistung ist auch über Stunden hinweg gut durchhaltbar. Nun entfallen nur noch 45% auf den Luftwiderstand, dafür steigt der prozentuale Einfluss des Rollwiderstandes. Er nimmt in Watt zwar auch ab, aber eben viel weniger als der Luftwiderstand. Damit steigt sein Anteil am Gesamtwiderstand.

Leider geht es auf ausgedehnten Touren nicht immer nur flach geradeaus. Schauen wir uns die Situation darum in leicht hügeligem Gelände an. Um uns nicht zu erschöpfen, nehmen wir das Tempo darum nochmals um 5 km/h zurück.

Unterwegs in hügeligem Gelände (10 km/h bei 5% Steigung)

Bei einer Steigung von 5% werden trotz einer Geschwindigkeit von nur noch 10 km/h schon gut 180 Watt Tretleistung nötig, um die Geschwindigkeit zu halten. Diese verteilen sich so: 

• Steigleistung 150 W
• Rollwiderstand 22 W
• Luftwiderstand 8 W

Nun bestimmt die Steigleistung den grössten Anteil des Widerstands. Bei 5 % Steigung müssen die 110 kg Gesamtgewicht pro 100 m Strecke um 5 m angehoben werden. Das entspricht etwa zwei Stockwerken. Auf einen Kilometer summiert sich das bereits auf 20 Stockwerke. Kein Wunder also, dass wir die Geschwindigkeit drosseln müssen, um nicht völlig ausser Puste zu geraten.

So weit so gut – nun ab in die Berge.

Berge erklimmen (5 km/h bei 10% Steigung)

Das ist eine kleine Überraschung: Trotz einer Steigung von 10%, wie man sie an Alpenpässen über längere Stecken antrifft, beträgt die benötigte Tretleistung nur 160 Watt, also 20 Watt weniger, als bei 5% Steigung und 10 km/h. Ein Blick auf die einzelnen Komponenten schafft Klarheit:

• Steigleistung 150 W
• Rollwiderstand 9 W
• Luftwiderstand 1 W

Physikalisch betrachtet ist es energetisch dasselbe, ob man mit 10 km/h eine 5 %-Steigung hinauffährt oder mit 5 km/h eine 10 %-Rampe erklimmt. Bei halber Geschwindigkeit und doppelter Steigung bleibt die vertikale Geschwindigkeit gleich, und damit auch die nötige Steigleistung. Wegen der tieferen Geschwindigkeit sinken jedoch der Luft- und Rollwiderstand.

Dass es sich anstrengender anfühlt, ist nur eine Kopfsache. Die Psyche reagiert eben anders als der Körper, wenn man in tieferen Frequenzen radelt, der Fahrtwind weniger kühlt und es bis zur nächsten Serpentine viel zu lange dauert.

Ein Wort zum Untergrund

Bisher sind wir auf mittelfeinem Asphalt gefahren. Doch wie verändert sich der Energiebedarf auf anderen Untergründen? Zur Veranschaulichung betrachten wir den zusätzlichen Kraftaufwand durch den Rollwiderstand in Watt auf typischen Untergründen bei drei Radgrössen. Es sind Richtwerte, die natürlich abhängig von Reifenprofil, Luftdruck und Reifenbreite sind. Dennoch geben aber einen guten Eindruck vom Einfluss des Untergrundes.

Es ist erstaunlich, wie stark der Energiebedarf auf schlechtem Untergrund ansteigt – auf lockerem Schotter oder Wiese kann der Rollwiderstand sieben- bis zehnmal höher sein als auf glattem Asphalt und das Treten fühlt sich an wie permanentes Bergauffahren.

Abseits von Asphalt sind Falträder aufgrund ihrer kleinen Räder gegenüber grossen Raddurchmessern deutlich im Nachteil. Die kleinen Räder rollen schlechter über Unebenheiten oder Hindernisse und sinken wegen der kleineren Bodenaufstandsfläche stärker ein.

Diesen Nachteil kann man durch einen etwas niedrigeren Reifendruck verringern: Der Reifen passt sich dann besser an Unebenheiten an, rollt geschmeidiger über groben Untergrund und verliert dabei weniger Energie durch unnötige vertikale Bewegungen. Die Unebenheiten drücken sich gewissermassen in den Reifen hinein, anstatt das ganze Rad und Fahrer anzuheben.

Auf Tour ist es jedoch kaum praktikabel, den Reifendruck je nach Untergrund ständig zu verändern – darum ist ein guter Kompromissdruck oft die beste Lösung.

Effizientes Reisen mit dem Faltrad

Nun haben wir genügend Erkenntnisse gesammelt, um uns der Frage zu widmen, wie man auf kleinen Rädern effizient reisen kann. Dabei haben wir festgestellt, dass die Massnahmen weniger in der Optimierung des Faltrades liegen, sondern vor allem in der Routenplanung:

• Tagesetappen die mehrheitlich auf gutem Untergrund stattfinden
• Eine Zeitplanung, die ein etwas gemächlicheres Tempo erlaubt

Dafür gibt es gute Hilfsmittel. Wir verwenden Komoot, mit dem man in wenigen Schritten einen Überblick über Streckenlänge, Höhenmeter und auch die Bodenbeschaffenheit erhält. So erfährt man, wie viel Asphalt, fester Schotter oder loser Boden ist. Ausserdem kann man die gewünschte Reisegeschwindigkeit angeben. Hier finden Sie Tipps zur Routenplanung.

Als nächster Schritt werden wir die Effizienzsteigerungen am Fahrrad betrachten. Dies in der Reihenfolge ihrer Wirksamkeit.

Reduktion des Luftwiderstandes

Die Sitzposition des Fahrers bestimmt die Fläche, die sich dem Luftwiderstand entgegenstemmt. Je kleiner diese Fläche ist, desto geringer ist der Luftwiderstand. Darum haben Rennräder eine gestreckte, also flache Sitzposition. Der Rahmen ist länger und der Lenker niedriger.

Deshalb findet man auch Falträder mit Rennlenker. Oder Fahrer, die einen solchen Lenker nachgerüstet haben. Ein solcher Umbau ist jedoch mit erheblichem Aufwand verbunden und geht zudem zu Lasten des Komforts. Dabei gibt es eine kostenlose und sehr wirksame Massnahme, den Luftwiderstand zu reduzieren: Etwas langsamer fahren.

Die Reisegeschwindigkeit von 20 km/h auf 18 km/h zu senken, reduziert die zur Überwindung des Luftwiderstands benötigte Leistung um fast 30 %. Und das ganz ohne technischen Aufwand – nur durch etwas mehr Gelassenheit beim Fahren.

Zusätzlich sinken auch der Rollwiderstand und die Reibungsverluste in Kette und Lagern – allerdings nur etwa proportional zur Geschwindigkeit, also um rund 10 %. Der Spareffekt ist also besonders gross beim Luftwiderstand, während andere Verluste langsamer abnehmen.

Reduktion des Rollwiderstandes

Der Rollwiderstand ist bei 20 km/h in der Ebene für rund 40% des Gesamtwiderstandes verantwortlich, bei etwas gemächlichen 15 km/h gar für gegen 60%, da der Luftwiderstand zurück geht. Das ist durchaus beachtlich.

Es lohnt sich also, leichtgängige Reifen mit dem richtigen Luftdruck zu fahren. Leider wird es jetzt etwas komplizierter: Schauen wir uns an, woher der Rollwiderstand kommt.

Der Rollwiderstand ist die Kraft, die der Vorwärtsbewegung eines Rades entgegenwirkt. Er entsteht vor allem durch die Verformung des Reifens beim Abrollen – und bei schlechten Wegen zusätzlich durch die Verformung des Untergrunds. Die dabei eingesetzte Energie geht zwar physikalisch nicht verloren, wohl aber als Vortrieb, dem sie wird in Wärme umgewandelt – etwa durch das Walken des Reifens und die Mikrobewegungen im Gummi.

Wie stark dieser Effekt ausfällt, hängt wesentlich vom Reifendruck, dem Profil, der Bauart und der Qualität des Reifens ab. Allgemein gilt:

• Je glatter die Reifenoberfläche, desto leichter rollt der Reifen. Auf hartem Untergrund wie Asphalt reduziert ein nur leicht profilierter Reifen den Rollwiderstand deutlich. Auf weichem Boden fehlt jedoch die Verzahnung eines grobstolligeren Profils– hier leidet die Traktion.
• Richtiger Reifendruck ist sehr wichtig. Der Reifendruck beeinflusst den Rollwiderstand stärker als jede andere leicht beeinflussbare Grösse – ein zu niedriger Druck vergrössert die Verformung und kostet unnötig Energie auf jedem Meter. Auf Asphalt empfiehlt es sich, einen Reifendruck zu wählen der am oberen Ende des vom Hersteller angegeben Durckbereiches liegt.
• Pannenschutzeinlagen erhöhen in der Regel den Rollwiderstand, da sie den Reifen steifer machen und mehr Verformungsarbeit erfordern. Dafür sinkt das Risiko von Durchstichen und „Plattfüssen“.
• Leichte Reifen rollen effizienter – zumindest bei gleichem Profil. Eine dünnere Karkasse reduziert die Energieverluste beim Walken. Dafür sind sie anfälliger für Beschädigungen.
• Breite Reifen rollen besser als schmale (zumindest bei der Reisegeschwindigkeit eines Faltrades), sofern der Luftdruck angepasst ist. Ihre Aufstandsfläche ist breiter, aber kürzer, was die Verformung flacher hält. Das senkt den Rollwiderstand, besonders bei rauem Untergrund.
• Hochwertige Reifen renommierter Hersteller wie Schwalbe oder Continental bieten durch ausgeklügelte Gummimischungen, flexible Karkassen und präzise gefertigte Laufflächen spürbare Vorteile gegenüber einfachen Billigreifen – sowohl im Rollverhalten als auch beim Pannenschutz.

Wer genaue Daten zum Rollwiderstand sucht, wird für viele Reifen auf Bicycle Rolling Resistance fündig. Die angegeben Watt gelten zwar für die gängigen Reifengrössen um 28 Zoll, erlauben dennoch einen Vergleich verschiedener Reifenmodelle, die im Verhältnis auch für kleinere Radumfänge gelten

Reduktion der Antriebs- und Lagerverluste

Neben den den bisher besprochenen Verlusten gibt es noch Energieverluste in der Mechanik das Fahrrades. Das Übertragen der Kraft vom Pedal auf das Hinterrad kostet natürlich auch Energie – insbesondere bei schlechter Pflege oder billiger Komponenten.

Diese Reibungsverluste sind im Vergleich zu Luft- oder Rollwiderstand viel kleiner, aber sie wirken ständig, unabhängig von Geschwindigkeit oder Untergrund. Und sie sind beeinflussbar. Schauen wir uns darum die Ansatzpunkte an: 

• Ein gut gewahrter Kettenantrieb hat einen Wirkungsgrad von etwa 95 – 98%. Bei einer Tretleistung von 150 Watt gehen so 3 – 7 Watt verloren. Bei einer schlecht gewarteten Schaltung kann der Wirkungsgrad schnell unter 90% fallen.
• Nun haben viele Falträder Nabenschaltungen, welche in den meisten Fällen im Wirkungsgrad unter jenem einer Kettenschaltung liegen. Eine Ausnahme soll diesbezüglich die Rohloff Speedhub sein, welche für sich in Anspruch nimmt, den Wirkungsgrad eine Kettenschaltung zu haben. Andere Nabenschaltungen sollen einen Wirkungsgrad haben, der je nach Gang 5 – 15 Prozentpunkte unter jenem einer Kettenschaltung liegt.
• Moderne Industrielager laufen nahezu reibungsfrei mit einem Reibungsverlust von 1 – 3 Watt. Das bedingt jedoch hochwertige Lager, welche sich eben nur an hochwertigen Falträdern finden. Neben geringerem Reibungsverlust sichert man sich damit auch eine höhere Lebensdauer und Verlässlichkeit. Was auf Reisen fast wichtiger ist.

Man kann also feststellen, dass der etwas geringere Wirkungsgrad von an Falträdern üblichen Nabenschaltungen im Gesamtwirkungsgrad keine nennenswerte Rolle spielt. Viel wichtiger ist es, den Antrieb zu pflegen.

Ich habe mein Brompton G-Line von der Shimano Alfine 8-Gang-Schaltung auf eine Rohloff Speedhub 14-Gang-Schaltung aufgerüstet. Dies jedoch in erster Linie, um die für ein Reiserad wichtige Spreizung zu erhöhen. Der leicht höhere Wirkungsgrad alleine hätte diese Investition nicht gerechtfertigt.

Fazit

Damit wissen wir, wo wir ansetzen können, um aus unseren Falträdern effiziente Reiseräder zu machen. Den grössten Einfluss haben die Routenwahl, insbesondere der Untergrund, und die Reisegeschwindigkeit. Erstaunlich wenig Einfluss haben die zu bewältigenden Höhenmeter – zumindest wenn die Gangschaltung kurz genug übersetzt ist und man gemütlich klettert.

Zweitens lohnt es sich, die richtigen Reifen zu wählen und regelmässig den richtigen Luftdruck zu kontrollieren. Ein Reifenwechsel ist nicht teuer und kann die Effizienz, den Fahrkomfort und die Sicherheit deutlich verbessern. Und Finger weg von Billigreifen.

Massnahmen an der Gangschaltung sind die dritte Möglichkeit, den Wirkungsgrad eines Reiserades zu erhöhen, allerdings auch die teuerste, wenn man mit dem Austausch von Komponenten beginnt. Was sich dagegen immer lohnt: die Pflege des Antriebes, d.h. das Sauberhalten und regelmässige Nachschmieren mit geprüften Schmierstoffen.

Gute Reise!