Studie der Sporthochschule Köln zum Windschattenfahren

Warum mit dem Handbike im Windschatten fahren?

Vielen Dank an Dr. Thomas Abel und seinem Team (Deutsche Sporthochschule Köln) für die Genehmigung zur Veröffentlichung.

'Windschatteneffekt beim Handbiken'

Ralf Lindschulten*, Tobias Pidun*, Thomas Abel* und Petra Platen**

Deutsche Sporthochschule Köln - Institut für Motorik und Bewegungstechnik - Institut für Kreislaufforschung und Sportmedizin


Zur Arbeitsgruppe

Im Institut für Motorik und Bewegungstechnik der Deutschen Sporthochschule Köln werden seit geraumer Zeit wissenschaftliche Untersuchungen im Bereich der Leistungsdiagnostik im Sport von Menschen mit Behinderung und Leistungsminderung durchgeführt. Ein Schwerpunkt der Arbeiten liegt bei Untersuchungen in der Sportart Handbiken. Die zum Teil vom Bundesinstitut für Sportwissenschaft geförderten Studien, die von Dr. Thomas Abel und Ralf Lindschulten durchgeführt wurden, beschäftigten sich unter anderem mit biomechanischen, trainingsphysiologischen und wettkampfspezifischen Aspekten des Handbikens. Fragen können an Dr. Thomas Abel (e-Mail) gerichtet werden. Deutsche Sporthochschule Köln Institut für Motorik und Bewegungstechnik Carl-Diem-Weg 6 50933 Köln

Die Studie

Das Handbike ist in den letzten Jahren in Deutschland zu einem beliebten Sportgefährt für Menschen mit einer Rückenmarksschädigung oder einer Amputation der unteren Extremitäten geworden.
Derzeitige im Wettkampf eingesetzte Handbikes (Abb.1) haben ihren Ursprung im Adaptivbike, einer Konstruktion aus Alltagsrollstuhl und daran befestigtem Handbike.

Handbike
Abbildung 1: Modernes Rennhandbike (Fa. Sopur)

Vergleiche der Wettkampfresultate der letzten Jahre zeigen eine rasante Leistungszunahme. Beim Heidelberg-Marathon 2005 betrug die Zeit auf der Marathondistanz 01:07:18, was einer Durchschnittsgeschwindigkeit von über 37 km/h entspricht. Um eine derartige Leistung zu erbringen, ist es unumgänglich, systematisch zu trainieren und ein optimales taktisches Verhalten im Rennen zu zeigen. Generell wird die Leistungsdichte immer größer. Hierdurch wird deutlich, dass das Fahren im Windschatten des Vordermanns ein wichtiges taktisches Manöver ist und unter Umständen rennentscheidend sein kann.
In den letzten Jahren wurden umfangreiche Untersuchungen zum Thema des Windwiderstands im Radsport sowie im Laufen und Inline-Skaten durchgeführt QUOTE "(3;4;8;12-15)"(3;4;8;12-15),QUOTE"" Alle Untersuchungen kamen zu dem Ergebnis, dass Fahren im Windschatten zu Ersparnissen in der aufzubringenden Leistung führt.
Untersuchungen von Neumann (2000), Capelli et al. (1993) sowie Kyle (1979) ergaben eine deutliche Reduzierung der zu erbringenden Leistung beim Fahren im Windschatten bei hohen Geschwindigkeiten. Die aufzubringende Leistung kann durch das Fahren im Windschatten bei einer Geschwindigkeit von 48 km/h um 38% reduziert werden QUOTE (5;13;14)" (5;13;14).QUOTE
Beim Handbiken müssen zur Fortbewegung verschiedene Widerstandskräfte überwunden werden. In der Literatur wird keine einheitliche Terminologie benutzt.

Im folgenden Artikel wird die Terminologie nach Gressmann (2003) verwendet.

Seiner Beschreibung folgend gibt es drei Widerstandskräfte, die der Handbiker zu überwinden hat.

  Fges = FSt + FL + FR
   
wobei Fges = Gesamtwiderstand in Newton
FSt = Steigungswiderstand in Newton
FL = Luftwiderstand in Newton
FR = Rollwiderstand in Newton

Aus dieser Formel resultiert die zu erbringende Leistung wie folgt:

P = Fges * v
wobei P (Watt) der physikalischen Leistung entspricht
Fges (Newton) dem Gesamtwiderstand entspricht und
V (m/s) der gefahrenen Geschwindigkeit entspricht

Der Steigungswiderstand (FST) ergibt sich aus dem Gewicht des Systems „Rad + Person“ und der zu überwindenden Steigung QUOTE "6;7;14)"(6;7;14).
Die Rollwiderstände (FR) des Handbikes sind hauptsächlich vom Zustand des Handbikes (Bereifung, Sturz der Hinterräder), vom Gewicht des Fahrers und von der Beschaffenheit des Bodens abhängig. Der Rollwiderstand spielt ab einer Geschwindigkeit von ca. 16 km/h eine untergeordnete Rolle. Die Rollwiderstände, die bei Geschwindigkeiten von über 30 km/h zu überwinden sind, betragen letztendlich nur 10-20 % der gesamten Leistung QUOTE "(7;13)"(7;13;9)
Der Luftwiderstand wird mit 80 % - 90 % des Gesamtwiderstandes, der überwunden werden muss, angegeben QUOTE "(6;7)"(6;7) QUOTE"" Er resultiert aus zwei Widerständen, dem Strömungswiderstand QUOTE "(7)"(7)und dem Reibungswiderstand. Der Luftwiderstand steigt quadratisch mit der Windgeschwindigkeit an. Um das Phänomen des Windschattens zu verstehen, sind die Strömungsverhältnisse und Druckverhältnisse (Staudruck) entscheidend. Bei Windstille und einer bestimmten Fahrgeschwindigkeit v prallen die Luftmoleküle mit exakt der Geschwindigkeit v auf die Stirnfläche A und erzeugen vor dem Fahrer einen Staudruck p1. Die Stirnfläche A und der cw-Wert bestimmen den Grad der Ablenkung (Verengung der Strömungslinien) der Luft und deren Verwirbelung. Die Verwirbelung verlangsamt die Strömungsgeschwindigkeit der Luft und sorgt so für einen verminderten Druck p2 hinter dem Fahrer. Die Druckdifferenz zwischen p1 und p2 erzeugt den resistiven Luftwiderstand. Physikalische Gesetzmäßigkeiten der Strömungslehre können zur Begründung herangezogen werden QUOTE "(6)" (6). Durch die Verlangsamung der Strömungsgeschwindigkeit der Luft und dem verminderten Druck hinter dem Athleten ist der Vorteil für den dicht hinterherfahrenden Handbiker offensichtlich. Fährt er in dem druckärmeren Bereich, vermindert sich der Staudruck p1 vor seinem Körper, der Druck p2 bleibt aber gleich, so dass die Differenz der Druckverhältnisse und damit der resistive Luftwiderstand sinkt.
Inhalt der hier vorliegenden Studie war es, den Einfluss des "Formationsfahrens" auf folgende Parameter zu untersuchen: Leistung in Watt, Geschwindigkeit in km/h und Kurbelfrequenz in U/min. Diese wurden mit Hilfe eines SRM-Kraftmesssystems (Fa. Schoberer Rad Messtechnik, Jülich, Deutschland) bestimmt und aufgezeichnet (Abb. 2).
Der Parameter Herzfrequenz wurde mit einer Pulsuhr Polar „S710“ (Fa. Polar Electro, Oy, Finnland) kontinuierlich aufgezeichnet.
Die Laktatkonzentration wurde nach der Blutentnahme aus dem manuell hyperämisierten Ohrläppchen mit einem Ebio plus Analysegerät (Fa. Eppendorf, Hamburg, Deutschland) gemessen.
An den Untersuchungen nahmen 16 gesunde männliche Probanden teil, nachdem ihnen der Umfang und die Risiken der Untersuchung erklärt wurden und sie schriftlich ihr Einverständnis in die Untersuchung gegeben hatten. Bei den Probanden handelte es sich um Studierende der Deutschen Sporthochschule Köln mit einem guten Trainingszustand der oberen Extremität aus den Sportarten Schwimmen, Handball und Judo.

Messgeraeteaufbau
Abbildung 2 Handbike mit eingebautem SRM System zur Messung der Leistung unter Belastung

Testdesign

In einer neu eröffneten und deshalb noch kaum genutzten Tiefgarage der Häfen und Güterverkehr Köln AG im Rheinauhafen, welche die Länge von 2,5 km hat, wurden optimale Testbedingungen vorgefunden. Die eigentliche Teststrecke hatte eine Gesamtlänge von 450 m. Die äußeren Bedingungen waren während der gesamten Testphase konstant.
Getestet wurde mit 4 Handbikes „Spirit 470“ (Fa. Sopur Sunrisemedical, Malsch, Deutschland). Die 4 Handbikes wurden vor dem Start mit dem SRM-Messsystem ausgerüstet. Vor jeder Fahrt wurden die Systeme kalibriert.
Die Gruppe der vier Handbiker musste jede der Geschwindigkeiten 22 km/h, 24 km/h und 28 km/h in jeweils einer Viererformation fahren (Abb. 3).

Viererformation
Abbildung 3: Viererformation

Die Geschwindigkeitsstufen wurden von den Probanden in randomisierter Form absolviert. Direkt im Anschluss an jede Belastung sowie nach einer Erholungszeit von 3 Minuten erfolgten die Blutentnahmen aus dem Ohrläppchen zur Bestimmung der Laktatkonzentration.
Die gesammelten Daten der Polaruhren und des SRM-Messsystems wurden später am Computer ausgewertet. Zur Berechnung statistisch signifikanter Unterschiede wurden Varianzanalysen (ANOVA) mit dem Programm Statistica Version 5.1 durchgeführt.

Ergebnisse

Die folgenden Abbildungen zeigen jeweils den Mittelwert 8 sowie den Standardfehler SE. Statistisch signifikante Unterschiede wurden in allen Graphen kenntlich gemacht.

Abbildung 4 zeigt die Mittelwerte der Laktatkonzentration direkt nach Belastungsende und in der dritten Minute der Erholung.

Laktatkonzentration
Abbildung 4: Mittlere Laktatkonzentration (mmol/l) mit Standardfehler
nach Belastung und nach drei Minuten Erholung mit Standardfehler

In Abbildung 5 ist die Leistung an den verschiedenen Positionen der Formation gemittelt für die drei Geschwindigkeiten dargestellt.

Leistung an den verschiedenen Positionen
Abbildung 5:Mittlere Leistung (W) mit Standardfehler gemittelt
über die drei Geschwindigkeiten an den vier Positionen

Abbildung 6 zeigt die zu erbringende Leistung bei der Geschwindigkeit 28 km/h. Die erbrachten Leistungen an den Positionen 2,3 und 4 unterscheiden sich hoch signifikant von denen an Position 1.

Leistung Position 2,3,4
Abbildung 6:Leistung (W) mit Standardfehler bei 28 km/h

In Abbildung 7 sind die Herzfrequenzen für 28 km/h an den Positionen 2,3 und 4 dargestellt.

Herzfrequenz
Abbildung 7: Herzfrequenz (S/min) mit Standardfehler
bei 28 km/ an den vier Positionen

Die Abbildung 8 stellt die Laktatkonzentrationen nach der Belastung und nach 3 Minuten Erholung für die Geschwindigkeit 28 km/h dar.

Laktatkonzentration
Abbildung 8: Laktatkonzentration (mmol/l) nach Belastung und
drei Minuten Erholung mit Standardfehler bei 28 km/h
Diskussion

Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass vergleichbare Resultate aus dem Bereich des Radsports auf das Handbiken übertragbar sind. Es konnte gezeigt werden, dass durch das Fahren im Windschatten Ersparnisse bis zu 25% bei einer Geschwindigkeit von 28 km/h möglich sind. Aufgrund der Ergebnisse anderer Untersuchungsgruppen aus dem Sport von Menschen ohne Behinderung darf vermutet werden, dass bei höheren Geschwindigkeiten die Leistungsersparnisse deutlich höhere prozentuale Werte erlangen würden QUOTE "(6;10;11;13;14)" (6;10;11;13;14) QUOTE "" QUOTE "" QUOTE "" QUOTE "" . Leider war es den Probenden dieser Studie trotz eines guten Trainingszustands der oberen Extremität nicht möglich, höhere Geschwindigkeiten in einer geschlossenen Formation zu absolvieren. Derartige Untersuchungen wären sehr wünschenswert.
Für die leistungsphysiologischen Parameter Herzfrequenz und Laktatkonzentration ergeben die Daten dieser Studie kein einheitliches Ergebnis bezüglich der Positionen im Windschatten.
Unter umständen ist dies darauf zurückzuführen, dass die Herzfrequenz bei einer Belastungszeit von etwas mehr als einer Minute pro Test noch nicht in ein der Belastung entsprechendes Gleichgewicht eingestellt war.
Für den Parameter Laktat ergab die Untersuchung zwar einen signifikanten Unterschied bezüglich der Position 1 zur Position 2. Allerdings erweisen sich die Laktatkonzentrationen an den Positionen 3 und 4 im Vergleich zur Position 1 als nicht erniedrigt.
Für die Position 4 kann hier als Erklärung herangezogen werden, dass Fahrer 4 aufgrund einer zur kurzen Erholungsphase nach seiner Fahrt in der Führungsposition, die er jeweils vorab absolvieren Auffällig an den Ergebnissen ist, dass an Position 4 die Ersparnisse geringer ausfallen, als an den Positionen 2 und 3. Zu einem ähnlichen Ergebnis kommt Neumann (2000). In seiner Untersuchung muss der Fahrer an Position 4 ebenfalls eine größere Leistung aufbringen als die Fahrer an Position 2 und 3.musste, mit einer erhöhten Laktatkonzentration vorbelastet war.
Für diese Auffälligkeit gibt es keine physikalische Erklärung bzw. sind die Literaturbefunde hierzu nicht einheitlich (1;2;11) (1;2;11) QUOTE "" QUOTE ""
Neumann (2000) begründet den Unterschied über den Effekt der „Ziehharmonika“. Hiermit ist gemeint, dass bereits kleine Unregelmäßigkeiten bezüglich der Geschwindigkeit und des Abstands zwischen den einzelnen Fahrern jeweils von den anderen Fahrern ausgeglichen werden müssen. Dies potenziert sich insbesondere an der Position 4. Gleiche Ergebnisse finden sich bei Schumacher und Müller (2001).
Zusammenfassend ist zu sagen, dass der physikalische Parameter Leistung die Ersparnisse innerhalb der vorliegenden Untersuchung - ohne die Möglichkeit spiroergometrischer Untersuchungen - am besten aufzeigt. Hier konnte eine statistisch signifikante Leistungsreduktion um bis zu 25 % bei einer Geschwindigkeit von 28 km/h nachgewiesen werden.
Aufgrund dieser Ergebnisse und der Tatsache, dass die Sportart Handbiken in den letzten Jahren eine rasante, auch leistungsorientierte Entwicklung durchlaufen hat, ist es für die Athletinnen und Athleten von großer Bedeutung, die taktische Komponente „Fahren im Windschatten“ mit in die Rennplanung einzubeziehen.
Die Autoren bedanken sich bei den Probanden der Studie, bei der Firma SOPUR für das zur Verfügung stellen der Handbikes und bei der Häfen und Güterverkehr Köln AG für die Möglichkeit zur Nutzung der Tiefgarage.

Die Untersuchung wurde durch das Bundesinstitut für Sportwissenschaft gefördert (VF 0407/04/41/2003-2004).