In 2016 was Team Jumbo-Visma, toen Lotto-NL Jumbo genaamd, het spreekwoordelijke lelijke eendje in het World Tour peloton, het minst sterke team. In de voorbije jaren is dat kleine lelijke eendje van weleer een sierlijke zwaan geworden, in 2020 zelfs het beste team van de wereld. In hoofdzaak uiteraard dankzij het fantastische werk van CEO Richard Plugge en zijn medewerkers. Maar ook een klein beetje dankzij de aerodynamische ondersteuning door onze windtunneltesten en computersimulaties. In de filosofie van het team: #SamenWinnen.

Aerodynamica is de studie van krachten op objecten, op hen uitgeoefend door de lucht, en de resulterende beweging van die objecten, en vice versa. Aangezien lucht alom aanwezig is, is aerodynamica dat evenzeer. In de sport wordt aerodynamica belangrijker naarmate de bewegingssnelheid groter wordt, omdat dan ook de luchtweerstand die overwonnen moet worden groter wordt. Hoe lager die luchtweerstand, hoe groter de snelheid die gerealiseerd kan worden bij een bepaalde inspanning of vermogen. In het wielrennen is aerodynamica van groot belang. Dat inzicht is niet nieuw. Al van bij de uitvinding van de fiets in de tweede helft van de 19de eeuw werden er snelheidsrecords gevestigd door het rijden achter motoren of treinen waardoor de luchtweerstand veel lager was.

Aerodynamica in het wielrennen: oud maar springlevend.

Wanneer men rijdt op vlakke weg, bij windstil weer en aan meer dan 40 km/u, dan is de luchtweerstand meer dan 90% van de totale weerstand die men moet overwinnen. De niet zo keurige maar desalniettemin gevleugelde Engelse uitspraak "gravity is a bitch" geldt ook in het wielrennen. Want reeds zodra het stijgingspercentage hoger wordt dan 1.5% neemt de zwaartekracht het over als belangrijkste weerstand. Dat betekent echter niet dat aerodynamica onbelangrijk wordt - een hardnekkig misverstand. Bij een stijgingspercentage van 7.5% is de luchtweerstand nog steeds 14% van de totale weerstand bij 20 km/u en 28% bij 30 km/u.

Aerodynamica optimaliseren kan je toelaten om met dezelfde inspanning, sneller te rijden. Dat door de positie op de fiets verbeteren, het materiaal (fiets, wielen, helm, tijdritpak, sokken of overschoenen) te verbeteren, en door gebruik maken de nabijheid van andere renners of voertuigen. Vooral bij het tijdrijden wordt de fietspositie geoptimaliseerd, zodat de combinatie bovenarmen-schouders-helm-hoofd-bovenrug een mooi compact en gestroomlijnd geheel vormt. Fietsontwerpen hebben een lange geschiedenis doorgemaakt, net als wielen en helmen. Een zo glad mogelijk pak is trager dan een pak dat een georganiseerde lappendeken is van gladde en ruwe lappen - fascinerende maar zeer complexe fysica. Aerodynamica is vooral belangrijk in tijdritten, maar ook in reguliere ritten. Loshangende en flapperende regenjasjes of rugnummers zijn uit den boze. Die flapperen niet zo maar. Die doen dat omdat jij als wielrenner energie levert om die te laten flapperen, energie die je dus niet gebruikt om sneller te rijden.

De positie van renners optimaliseren gebeurt vooral bij testen op de weg en in de windtunnel. In de windtunnel werken we met wereldtoppers zoals Wout van Aert, Primoz Roglic, Tom Dumoulin, Jonas Vingegaard en Steven Kruiswijk. Voor de studie van de aerodynamica van tijdritpakken werken we met replica's of poppen op ware grootte van Wout en Primoz. Zo kunnen we nagenoeg onbeperkt in de tijd optimaliseren zonder dat deze renners fysiek aanwezig dienen te zijn.

Wout van Aert en Primoz Roglic onmoeten hun 3D-poppen op ware grootte in de windtunnel van de TU Eindhoven., Bert Blocken
Wout van Aert en Primoz Roglic onmoeten hun 3D-poppen op ware grootte in de windtunnel van de TU Eindhoven. © Bert Blocken

Luchtweerstand verminderen kan ook door achter een andere renner te rijden, in het zogenaamde zog of slipstream achter die renner. Als beide renners min of meer dezelfde lichaamsbouw en positie op de fiets hebben, kan de luchtweerstand voor de tweede renner met zo'n 35% afnemen. Maar ook de eerste renner zal een - weliswaar klein - aerodynamisch voordeel genieten door de aanwezigheid van de volger. Bij korte afstand tussen beiden is dat ongeveer 2% afname in luchtweerstand. Er is dus een stroomopwaarts effect van de tweede op de eerste renner. Dit tegenintuïtieve effect werd in het wielrennen voor het eerst door ons onderzocht en bekend gemaakt in 2012.

Dat stroomopwaartse effect zit ingebakken in de wiskundige Navier-Stokes-vergelijkingen die het gedrag van gassen en vloeistoffen beschrijven. Deze zijn de uitwerking van de tweede wet van Newton (kracht = massa x versnelling) voor fluïda (vloeistoffen en gassen). Het zijn gekoppelde niet-lineaire partiële differentiaalvergelijkingen, die wiskundig elliptisch gedrag vertonen voor snelheden onder de snelheid van het geluid. Dat gedrag houdt in dat elk object dat beweegt in een luchtstroming niet alleen de lucht achter het object beïnvloedt, maar ook voor het object. Daarom zal een volgwagen of een motorrijder op korte afstand achter een wielrenner die wielrenner ook een aerodynamisch voordeel geven. Voor een motor achter een renner op realistische tussenafstanden (van wiel tot wiel) van 1, 5 en 10 m is de reductie in luchtweerstand respectievelijk 3.8, 0.3 en 0.1%. Als een motor de renner volgt op 1 m afstand gedurende 2 km, dan is de winst ongeveer 2.56 seconden ten opzichte van een renner die niet gevolgd wordt. Genoeg om soms doorslaggevend te zijn voor winst of verlies. Die korte afstanden tussen renners en motoren zijn overigens niet ongevaarlijk, zoals Greg van Avermaet kan getuigen. In 2015 was hij goed op weg om de Clasica San Sebastian te winnen, toen een tv-motor hem aanreed langs achter, met als gevolg: kader en achterwiel gebroken, weg zege.

Na ons onderzoek richtten wij ons tot de Internationale Wielerunie (UCI) met de oproep dat zij een minimale afstand tussen renner en motorrijder zouden moeten invoeren, om dit ongewenste aerodynamische voordeel te elimineren, en tegelijkertijd de veiligheid van de renners te bevorderen. Deze oproep bleef zonder gevolg. Toen de bekende Franse Sportkrant L'Equipe mij op 5 april 2017 interviewde over dit onderzoek, vroegen ze ook de mening van het Head of Performance van het Franse wielerteam Groupama-FDJ, Dr. Fred Grappe, en van een technisch directeur van de Internationale Wielerunie (UCI) die ik uit beleefdheid niet bij naam zal noemen. De eerstgenoemde schaarde zich achter onze bevindingen en adviezen, terwijl de technisch directeur liet optekenen dat hij niet geloofde in dit stroomopwaartse effect, en dat de UCI daarom zelfs niet zou overwegen om haar reglementen aan te passen. Nochtans dateert de tweede wet van Newton al uit 1678, en die is sindsdien toch redelijk ongecontesteerd (eufemisme). Wetenschapsontkenning, het is blijkbaar van alle tijden.

Uiteraard levert rijden achter een motor veel meer winst op. In een uitgebreid onderzoeksproject berekenden we dat achter een motor rijden in windstil weer op realistische afstanden van 5, 10 of 20 m, een tijdswinst kan geven van 8, 5 of 3 seconden per gereden kilometer, vergeleken met renners zonder dit voordeel. Aangezien wedstrijden soms beslist worden op seconden of fracties van een seconde of op centimeters, kunnen die oneerlijke winsten doorslaggevend zijn. Dus wanneer Deceuninck-QuickStep manager Patrick Lefevere aanklaagt dat de motoren de uitslagen van wedstrijden kunnen beïnvloeden, heeft hij overschot van gelijk.

Wielrenner in de slipstream van een motor, op 10 m afstand. De kleuren geven de luchtsnelheid aan die de motor en wielrenner ervaren. Oranje is de rijsnelheid (15 m/s = 54 km/u). Gele, groene en blauwe kleuren achter de motor geven het zog of de slipstream weer. De wielrenner bevindt zich in dit zog en ervaart daardoor sterk verminderde luchtweerstand., Bert Blocken
Wielrenner in de slipstream van een motor, op 10 m afstand. De kleuren geven de luchtsnelheid aan die de motor en wielrenner ervaren. Oranje is de rijsnelheid (15 m/s = 54 km/u). Gele, groene en blauwe kleuren achter de motor geven het zog of de slipstream weer. De wielrenner bevindt zich in dit zog en ervaart daardoor sterk verminderde luchtweerstand. © Bert Blocken

Aerodynamica is ook van groot belang in de ploegentijdrit, een discipline waarin 4, 6, 8, of 9 renners van hetzelfde team in groep rijden om samen een bepaalde afstand zo snel mogelijk af te leggen. Typisch rijden de renners in een rij of trein, waarbij er wordt geroteerd: na een tijd op kop gereden te hebben zwaait de eerste renner letterlijk af en sluit aan achteraan de trein, en de tweede renner neemt de koppositie over. De vraag die wij ons stelden was welke volgorde het meest aerodynamisch en dus het snelst is.

Computersimulaties om de optimale volgorde te bepalen van de acht renners van Team Jumbo-Visma in de Ronde van Frankrijk 2019., Bert Blocken
Computersimulaties om de optimale volgorde te bepalen van de acht renners van Team Jumbo-Visma in de Ronde van Frankrijk 2019. © Bert Blocken

In een ploegentijdrit met 8 renners zijn er 40320 mogelijke volgorders van die renners in de trein. Bij een bepaald vast rotatieschema, blijven er netto 5040 mogelijke volgorders over. Omdat elke renner een verschillende lichaamsbouw heeft en een verschillende positie op de fiets, is geen enkel van die volgordes even aerodynamisch of even snel. Het is dus van belangrijk om na te gaan welke volgorde het snelst is. Op verzoek van Head of Performance Mathieu Heijboer bij Team Jumbo-Visma voerden we dit soort berekeningen uit voor een reeks volgordes in voorbereiding op de ploegentijdrit in de Ronde van Frankrijk van 2019. We wonnen die tijdrit met een grote voorsprong, 20 seconden, op Team Ineos, het sterkste team van het moment. Hoe mooi ook dit moment, als wetenschappers moeten wij bescheiden zijn. De voorbereiding van een ploegentijdrit is vergelijkbaar met het leggen van een gigantische puzzle, over een periode van meer dan een jaar. Waarbij uiteraard de renners zelf en de teamleiding de grootste stukken zijn. Maar de aerodynamica is ook een puzzelstuk. En als dan op een bepaald moment al die puzzelstukken in elkaar passen, kunnen er mooie dingen gebeuren.

Aerodynamica in het wielrennen is even oud als de fiets zelf. De complexiteit ervan garandeert dat het vakgebied in de eerstvolgende decennia zeker niet uitgeput zal raken.

Bert Blocken, Hoogleraar TU Eindhoven en Gewoon Hoogleraar KU Leuven, Aerodynamisch adviseur Team Jumbo-Visma & Cycling Ireland/Paralympics Ireland.

In 2016 was Team Jumbo-Visma, toen Lotto-NL Jumbo genaamd, het spreekwoordelijke lelijke eendje in het World Tour peloton, het minst sterke team. In de voorbije jaren is dat kleine lelijke eendje van weleer een sierlijke zwaan geworden, in 2020 zelfs het beste team van de wereld. In hoofdzaak uiteraard dankzij het fantastische werk van CEO Richard Plugge en zijn medewerkers. Maar ook een klein beetje dankzij de aerodynamische ondersteuning door onze windtunneltesten en computersimulaties. In de filosofie van het team: #SamenWinnen. Aerodynamica is de studie van krachten op objecten, op hen uitgeoefend door de lucht, en de resulterende beweging van die objecten, en vice versa. Aangezien lucht alom aanwezig is, is aerodynamica dat evenzeer. In de sport wordt aerodynamica belangrijker naarmate de bewegingssnelheid groter wordt, omdat dan ook de luchtweerstand die overwonnen moet worden groter wordt. Hoe lager die luchtweerstand, hoe groter de snelheid die gerealiseerd kan worden bij een bepaalde inspanning of vermogen. In het wielrennen is aerodynamica van groot belang. Dat inzicht is niet nieuw. Al van bij de uitvinding van de fiets in de tweede helft van de 19de eeuw werden er snelheidsrecords gevestigd door het rijden achter motoren of treinen waardoor de luchtweerstand veel lager was. Wanneer men rijdt op vlakke weg, bij windstil weer en aan meer dan 40 km/u, dan is de luchtweerstand meer dan 90% van de totale weerstand die men moet overwinnen. De niet zo keurige maar desalniettemin gevleugelde Engelse uitspraak "gravity is a bitch" geldt ook in het wielrennen. Want reeds zodra het stijgingspercentage hoger wordt dan 1.5% neemt de zwaartekracht het over als belangrijkste weerstand. Dat betekent echter niet dat aerodynamica onbelangrijk wordt - een hardnekkig misverstand. Bij een stijgingspercentage van 7.5% is de luchtweerstand nog steeds 14% van de totale weerstand bij 20 km/u en 28% bij 30 km/u.Aerodynamica optimaliseren kan je toelaten om met dezelfde inspanning, sneller te rijden. Dat door de positie op de fiets verbeteren, het materiaal (fiets, wielen, helm, tijdritpak, sokken of overschoenen) te verbeteren, en door gebruik maken de nabijheid van andere renners of voertuigen. Vooral bij het tijdrijden wordt de fietspositie geoptimaliseerd, zodat de combinatie bovenarmen-schouders-helm-hoofd-bovenrug een mooi compact en gestroomlijnd geheel vormt. Fietsontwerpen hebben een lange geschiedenis doorgemaakt, net als wielen en helmen. Een zo glad mogelijk pak is trager dan een pak dat een georganiseerde lappendeken is van gladde en ruwe lappen - fascinerende maar zeer complexe fysica. Aerodynamica is vooral belangrijk in tijdritten, maar ook in reguliere ritten. Loshangende en flapperende regenjasjes of rugnummers zijn uit den boze. Die flapperen niet zo maar. Die doen dat omdat jij als wielrenner energie levert om die te laten flapperen, energie die je dus niet gebruikt om sneller te rijden. De positie van renners optimaliseren gebeurt vooral bij testen op de weg en in de windtunnel. In de windtunnel werken we met wereldtoppers zoals Wout van Aert, Primoz Roglic, Tom Dumoulin, Jonas Vingegaard en Steven Kruiswijk. Voor de studie van de aerodynamica van tijdritpakken werken we met replica's of poppen op ware grootte van Wout en Primoz. Zo kunnen we nagenoeg onbeperkt in de tijd optimaliseren zonder dat deze renners fysiek aanwezig dienen te zijn.Luchtweerstand verminderen kan ook door achter een andere renner te rijden, in het zogenaamde zog of slipstream achter die renner. Als beide renners min of meer dezelfde lichaamsbouw en positie op de fiets hebben, kan de luchtweerstand voor de tweede renner met zo'n 35% afnemen. Maar ook de eerste renner zal een - weliswaar klein - aerodynamisch voordeel genieten door de aanwezigheid van de volger. Bij korte afstand tussen beiden is dat ongeveer 2% afname in luchtweerstand. Er is dus een stroomopwaarts effect van de tweede op de eerste renner. Dit tegenintuïtieve effect werd in het wielrennen voor het eerst door ons onderzocht en bekend gemaakt in 2012. Dat stroomopwaartse effect zit ingebakken in de wiskundige Navier-Stokes-vergelijkingen die het gedrag van gassen en vloeistoffen beschrijven. Deze zijn de uitwerking van de tweede wet van Newton (kracht = massa x versnelling) voor fluïda (vloeistoffen en gassen). Het zijn gekoppelde niet-lineaire partiële differentiaalvergelijkingen, die wiskundig elliptisch gedrag vertonen voor snelheden onder de snelheid van het geluid. Dat gedrag houdt in dat elk object dat beweegt in een luchtstroming niet alleen de lucht achter het object beïnvloedt, maar ook voor het object. Daarom zal een volgwagen of een motorrijder op korte afstand achter een wielrenner die wielrenner ook een aerodynamisch voordeel geven. Voor een motor achter een renner op realistische tussenafstanden (van wiel tot wiel) van 1, 5 en 10 m is de reductie in luchtweerstand respectievelijk 3.8, 0.3 en 0.1%. Als een motor de renner volgt op 1 m afstand gedurende 2 km, dan is de winst ongeveer 2.56 seconden ten opzichte van een renner die niet gevolgd wordt. Genoeg om soms doorslaggevend te zijn voor winst of verlies. Die korte afstanden tussen renners en motoren zijn overigens niet ongevaarlijk, zoals Greg van Avermaet kan getuigen. In 2015 was hij goed op weg om de Clasica San Sebastian te winnen, toen een tv-motor hem aanreed langs achter, met als gevolg: kader en achterwiel gebroken, weg zege. Na ons onderzoek richtten wij ons tot de Internationale Wielerunie (UCI) met de oproep dat zij een minimale afstand tussen renner en motorrijder zouden moeten invoeren, om dit ongewenste aerodynamische voordeel te elimineren, en tegelijkertijd de veiligheid van de renners te bevorderen. Deze oproep bleef zonder gevolg. Toen de bekende Franse Sportkrant L'Equipe mij op 5 april 2017 interviewde over dit onderzoek, vroegen ze ook de mening van het Head of Performance van het Franse wielerteam Groupama-FDJ, Dr. Fred Grappe, en van een technisch directeur van de Internationale Wielerunie (UCI) die ik uit beleefdheid niet bij naam zal noemen. De eerstgenoemde schaarde zich achter onze bevindingen en adviezen, terwijl de technisch directeur liet optekenen dat hij niet geloofde in dit stroomopwaartse effect, en dat de UCI daarom zelfs niet zou overwegen om haar reglementen aan te passen. Nochtans dateert de tweede wet van Newton al uit 1678, en die is sindsdien toch redelijk ongecontesteerd (eufemisme). Wetenschapsontkenning, het is blijkbaar van alle tijden.Uiteraard levert rijden achter een motor veel meer winst op. In een uitgebreid onderzoeksproject berekenden we dat achter een motor rijden in windstil weer op realistische afstanden van 5, 10 of 20 m, een tijdswinst kan geven van 8, 5 of 3 seconden per gereden kilometer, vergeleken met renners zonder dit voordeel. Aangezien wedstrijden soms beslist worden op seconden of fracties van een seconde of op centimeters, kunnen die oneerlijke winsten doorslaggevend zijn. Dus wanneer Deceuninck-QuickStep manager Patrick Lefevere aanklaagt dat de motoren de uitslagen van wedstrijden kunnen beïnvloeden, heeft hij overschot van gelijk. Aerodynamica is ook van groot belang in de ploegentijdrit, een discipline waarin 4, 6, 8, of 9 renners van hetzelfde team in groep rijden om samen een bepaalde afstand zo snel mogelijk af te leggen. Typisch rijden de renners in een rij of trein, waarbij er wordt geroteerd: na een tijd op kop gereden te hebben zwaait de eerste renner letterlijk af en sluit aan achteraan de trein, en de tweede renner neemt de koppositie over. De vraag die wij ons stelden was welke volgorde het meest aerodynamisch en dus het snelst is. In een ploegentijdrit met 8 renners zijn er 40320 mogelijke volgorders van die renners in de trein. Bij een bepaald vast rotatieschema, blijven er netto 5040 mogelijke volgorders over. Omdat elke renner een verschillende lichaamsbouw heeft en een verschillende positie op de fiets, is geen enkel van die volgordes even aerodynamisch of even snel. Het is dus van belangrijk om na te gaan welke volgorde het snelst is. Op verzoek van Head of Performance Mathieu Heijboer bij Team Jumbo-Visma voerden we dit soort berekeningen uit voor een reeks volgordes in voorbereiding op de ploegentijdrit in de Ronde van Frankrijk van 2019. We wonnen die tijdrit met een grote voorsprong, 20 seconden, op Team Ineos, het sterkste team van het moment. Hoe mooi ook dit moment, als wetenschappers moeten wij bescheiden zijn. De voorbereiding van een ploegentijdrit is vergelijkbaar met het leggen van een gigantische puzzle, over een periode van meer dan een jaar. Waarbij uiteraard de renners zelf en de teamleiding de grootste stukken zijn. Maar de aerodynamica is ook een puzzelstuk. En als dan op een bepaald moment al die puzzelstukken in elkaar passen, kunnen er mooie dingen gebeuren.Aerodynamica in het wielrennen is even oud als de fiets zelf. De complexiteit ervan garandeert dat het vakgebied in de eerstvolgende decennia zeker niet uitgeput zal raken.Bert Blocken, Hoogleraar TU Eindhoven en Gewoon Hoogleraar KU Leuven, Aerodynamisch adviseur Team Jumbo-Visma & Cycling Ireland/Paralympics Ireland.