Die Leistung in Watt beim Radfahren entspricht der mechanischen Arbeit, die der Radfahrer aufbringt, um die Summe der Widerstände zu überwinden: Luftwiderstand, Rollwiderstand, Schwerkraft, Beschleunigung und Antriebsverluste.
Dieser ausführliche Artikel beschreibt das mechanische Modell, auf dem die Leistungsberechnung im Radsport basiert, die Parameter, die diese beeinflussen, die Grenzen der einzelnen Methoden sowie die Vorkehrungen, die getroffen werden müssen, um eine zuverlässige Schätzung zu erhalten. Insbesondere:
- Ein auf der Geschwindigkeit basierender Leistungsrechner ist auf einer kurzen, gleichmäßigen Strecke (Bergpass, flaches Gelände, Zeitfahren) zuverlässig.
- Auf einer Strecke mit unterschiedlichen Steigungen, Windverhältnissen und Geschwindigkeiten verliert die Schätzung an Genauigkeit.
- Die Parameter, die am schwierigsten zu ermitteln sind – Luftwiderstandsbeiwert (CdA/SCx), Rollwiderstandsbeiwert (Crr) und Windgeschwindigkeit – sind zugleich diejenigen, die bei der Berechnung das größte Gewicht haben.
Leistungsrechner
Dieses Gerät ist ein Rechner und kein Sensor. Ein Leistungssensor misst die ausgeübte Kraft direkt; ein Rechner schätzt die erforderliche Leistung anhand von angenommenen Bedingungen.
Hier entspricht die angezeigte Leistung der Leistung, die erforderlich ist, um die eingegebenen Bedingungen aufrechtzuerhalten, und nicht einer physiologisch durchhaltbaren Leistungsfähigkeit. Die Genauigkeit hängt vor allem von CdA, Crr, Wind und der Luftdichte ab.
Für nicht angezeigte Felder (Steigung, Wetter, CdA, Crr, Temperatur, Höhe usw.) werden Standardwerte verwendet (z. B. flach, windstill, typische Bedingungen). Um alle Einstellungen anzupassen, wechseln Sie in den erweiterten Modus.
Füllen Sie je nach Bedarf CdA, Crr oder den Saugwert ein – Sie können diese Werte anschließend manuell anpassen.
CdA und Crr: Die empfindlichsten Parameter des Modells. Die Voreinstellungen (sofern angezeigt) füllen diese automatisch aus.
Das mechanische Modell: Wie berechnet man die Leistung beim Radfahren?
Die Tretleistung entspricht der Energie pro Zeiteinheit, die der Radfahrer aufbringen muss, um mit einer bestimmten Geschwindigkeit voranzukommen. Das physikalische Referenzmodell, das durch die Arbeiten vonMartin¹ validiert und in der aktuellen Literatur aufgegriffen wurde, zerlegt diese erbrachte Leistung in mehrere Komponenten, die der Fahrer gleichzeitig überwinden muss.
Luftwiderstand
Der Luftwiderstand (aerodynamischer Widerstand) ist bei hohen Geschwindigkeiten die dominierende Kraft. Er hängt von der Luftdichte, der Frontfläche des Radfahrers und seines Fahrrads (SCx oder CdA), der relativen Geschwindigkeit gegenüber dem Wind und der Sitzposition auf dem Fahrrad ab.
Auf ebenem Gelände bei 35 km/h macht der Luftwiderstand etwa 80 bis 90 % der insgesamt erforderlichen Leistung aus.
Der Luftwiderstandsbeiwert variiert je nachdem, ob der Radfahrer in der hohen Position auf den Bremshebeln, in der tiefen Position auf den Lenkerenden oder auf Zeitfahrlenkern fährt. Dieser Parameter wurde von Experten wie Frédéric Portoleau oder Antoine Vayer in der Leistungsanalyse im Radsport, insbesondere bei der Tour de France, bekannt gemacht.
Der Rollwiderstand
Der Rollwiderstand hängt vom Rollwiderstandskoeffizienten (Crr) zwischen Reifen und Fahrbahn ab. Ein glatter Reifen auf glattem Asphalt weist einen Crr von etwa 0,003 auf, gegenüber 0,006 bis 0,012 auf unebenen Mountainbike- oder Schotterwegen.
Das Gewicht des Radfahrers und des Fahrrads (Gesamtmasse in Kilogramm) wirkt sich direkt aus: Je höher die Masse, desto größer ist der Rollwiderstand.
Der Schwerkraftwiderstand / die Steigung
Der Widerstand durch die Schwerkraft kommt zum Tragen, sobald die Steigung nicht mehr gleich Null ist. In den Bergen oder auf einem Pass gewinnt diese Komponente die Oberhand, und das Verhältnis von Gewicht zu Leistung kommt voll zur Geltung.
Die Formel des Protéalpes-Rechners basiert auf dem Steigungswinkel (arctan Steigung / 100), dem Gesamtgewicht und der Schwerkraft. Der kumulierte Höhenunterschied einer Strecke ist ein direkter Indikator für die aufzubringende kinetische Energie.
Mechanische Verluste
Die Beschleunigung und mechanische Verluste vervollständigen das Modell. Der Antrieb (Kette, Schaltwerk, Lager) nimmt je nach Zustand der Mechanik und Trittfrequenz etwa 2 bis 4 % der erzeugten Leistung auf.
Die Verluste in den Radlagern sind zwar gering, lassen sich aber ebenfalls modellieren. Die Drehzahl der Räder und ihre Trägheit spielen in den Beschleunigungsphasen eine Rolle.
Die allgemeine Formel lässt sich wie folgt zusammenfassen: Die Leistung am Tretlager entspricht der Summe der Leistungen, die zur Überwindung der einzelnen Widerstände erforderlich sind, geteilt durch den Wirkungsgrad des Antriebs. Die gesamte mechanische Arbeit (in kJ) entspricht dieser Leistung multipliziert mit der Dauer der Anstrengung.
Kritische Parameter und ihre Auswirkungen auf das Ergebnis
Die Zuverlässigkeit einer Leistungsberechnung hängt direkt von der Genauigkeit der Eingabeparameter ab. Hier sind die Faktoren, die die Leistung beeinflussen, sowie deren Empfindlichkeit:
| Einstellung | Typischer Wert | Auswirkungen auf das Ergebnis |
|---|---|---|
| CdA / SCx (Aerodynamik) | 0,25–0,40 m² | Dominant bei > 25 km/h. Ein Fehler von 10 % beim Luftwiderstandsbeiwert führt bei hohen Geschwindigkeiten zu einem Fehler von ca. 8 % bei der geschätzten Leistung. |
| Crr (Lager) | 0,003–0,012 | Besonders spürbar bei niedrigen Geschwindigkeiten und beim Bergauffahren. Variiert je nach Reifen, Reifendruck und Fahrbahnbelag. |
| Gewicht des Radfahrers + Gewicht des Fahrrads | 60–100 kg insgesamt | Entscheidend beim Bergauffahren. Jedes Kilogramm zählt für die Leistung beim Bergauffahren. |
| Luftdichte | 1,05–1,30 kg/m³ | Hängt von der Höhe, der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit ab. In 1.500 m Höhe sinkt die Dichte im Vergleich zum Meeresspiegel um etwa 15 %. |
| Windgeschwindigkeit (Richtung und Stärke) | 0–30 km/h | Ein Gegenwind von 15 km/h kann den Kraftbedarf auf ebener Strecke verdoppeln. Seitenwind verändert den Anstellwinkel (Yaw) und damit den effektiven Luftwiderstand. |
| Gefälle | 0–15 % | Dominanter Faktor in der Kolonisation. Die Gravitationskraft steigt linear mit der Neigung und der Masse. |
| Getriebeübersetzung | 95–98 % | Geringe Auswirkungen auf den Einzelnen, aber systematisch. |
Ein wichtiger Punkt: Jeder Parameter steht in Wechselwirkung mit den anderen:
- Eine Berechnung, bei der die Luftdichte mit 1,225 kg/m³ angenommen wird (Standardwert auf Meereshöhe bei 15 °C), ist in der Höhe falsch, sowohl im Sommer als auch im Winter.
- Ein Rechner, der die Windrichtung außer Acht lässt und nur Gegen- oder Rückenwind berücksichtigt, vereinfacht das Problem übermäßig.
Jüngste Untersuchungen zur Aerodynamik im Radsport zeigen, dass Seitenwind den effektiven Luftwiderstandsbeiwert nichtlinear beeinflusst, was die Entwicklung eines präzisen Messinstruments umso anspruchsvoller macht.2
Leistungsmesser vs. Online-Rechner: Was wird eigentlich gemessen?
Man muss grundsätzlich zwischen der Messung und der Berechnung von Leistung unterscheiden.
Ein Leistungsmesser (egal, ob er in der Kurbel, am Tretlager, in der Nabe oder an den Pedalen angebracht ist) misst direkt die ausgeübte Kraft und die Trittfrequenz.
Es misst die Leistung in Watt pro Sekunde, unabhängig von Wind, Steigung oder Untergrund. Es handelt sich um ein Messgerät.
Die Verwendung eines Leistungsmessers ist nach wie vor die genaueste und zuverlässigste Methode, um die tatsächlich erbrachte Leistung zu messen. Ein Sensor am Tretlager oder eine Einbauvorrichtung in der Kurbel ermöglicht eine direkte Erfassung der erbrachten Leistung, ohne dass Schätzungen erforderlich sind.
Ein Leistungsrechner hingegen ist ein Schätzwerkzeug, das auf einem mechanischen Modell basiert. Er nimmt verschiedene Parameter als Eingabe entgegen (Durchschnittsgeschwindigkeit, Gewicht, Steigung, Wind, Luftwiderstandsbeiwert, Rollwiderstandsbeiwert…) und berechnet die Leistung, die erforderlich ist, um unter diesen Bedingungen zu fahren.
Das Ergebnis hängt vollständig von der Qualität der Eingabedaten ab. Wenn einer der Parameter falsch eingeschätzt wird, ist das Ergebnis falsch, selbst wenn das physikalische Modell korrekt ist.
Dies führt häufig zu Verwirrung: Der Rechner misst nicht, was der Radfahrer tatsächlich geleistet hat, sondern schätzt, was er unter idealen Bedingungen hätte leisten sollen. In der Praxis weicht das Ergebnis eines Praxistests mit Sensor immer von der Schätzung des Rechners ab, schon allein aufgrund geringfügiger Schwankungen bei Wind, Fahrlinie und Tempo.
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Das Problem des Einzelabschnitts: Warum verliert ein Rechner auf einer kompletten Strecke an Zuverlässigkeit?
Das mechanische Modell funktioniert gut auf einer kurzen, gleichmäßigen Strecke: ein Pass mit gleichmäßigem Gefälle, flaches Gelände ohne wechselnden Wind, eine Zeitfahrleistung auf einer gestoppten Strecke.
Unter diesen Umständen sind die Eingangsparameter relativ stabil, und die Leistungsberechnung liefert eine zuverlässige Schätzung.
Auf einer kompletten Strecke – mit Tempoverschärfungen, Kurven, Höhenunterschieden, wechselnden Windverhältnissen, Phasen im Peloton (Windschatteneffekt) und Übergängen zwischen Flachland und Bergstrecken – nimmt die Zuverlässigkeit der Schätzung stark ab.
Der Grund dafür ist einfach: Der Rechner verwendet Durchschnittswerte (Durchschnittsgeschwindigkeit, durchschnittliche Steigung, Durchschnittswindgeschwindigkeit) für eine Belastung, die in Wirklichkeit ständig schwankt. Das Verhältnis zwischen Leistung und Geschwindigkeit ist jedoch nicht linear: Der aerodynamische Anteil variiert mit der dritten Potenz der Geschwindigkeit.
Wenn man den Durchschnittswert der Geschwindigkeiten ermittelt und dann die Leistung auf Basis dieses Durchschnittswerts berechnet, erhält man ein Ergebnis, das sich von der Berechnung für jedes einzelne Segment unterscheidet (und in der Regel niedriger ausfällt).
Aus diesem Grund unterteilen die präzisesten Tools – wie sie von Profi-Teams oder in der Trainingsplanung verwendet werden – eine Strecke in kurze Abschnitte und berechnen die Leistung für jeden Abschnitt, bevor sie diese addieren.
Online-Rechner benötigen lediglich die Durchschnittsgeschwindigkeit und die zurückgelegte Strecke für eine Strecke von 100 km und können daher nur eine ungefähre Schätzung liefern.
Verhältnis von Gewicht zu Leistung und FTP: Die Zahlen richtig deuten
Das Leistungsgewicht
Das Leistungsgewicht (oder Leistungs-Gewichts-Verhältnis), ausgedrückt in Watt pro Kilogramm (W/kg) oder Watt pro Kilo, ist der Referenzwert für den Vergleich der Fahrleistung zwischen Personen unterschiedlicher Größe und unterschiedlichen Gewichts.
Für die Leistung beim Bergauffahren ist dies der entscheidende Wert. Ein Fahrer bei der Tour de France erzeugt an der anaeroben Schwelle auf einem Pass von 30 bis 45 Minuten Dauer typischerweise 6,0 bis 6,5 W/kg. Ein trainierter Amateur liegt eher zwischen 3,0 und 4,5 W/kg. So ist beispielsweise das Erreichen von 4 W/kg über 20 Minuten ein ehrgeiziges, aber realistisches Ziel für einen regelmäßig trainierenden Radfahrer.
Die Berechnung des Leistungsgewichts ist einfach: Verhältnis = Durchschnittsleistung (W) / Gewicht des Radfahrers (kg).
Das Gewicht des Fahrrads wird bei dieser Berechnung nicht berücksichtigt, auch wenn es die Geschwindigkeit beim Bergauffahren beeinflusst. Diese Information ist entscheidend für die Festlegung der Trainingsziele und die Anpassung des Trainings.
Die Muskelmasse, der Gewichtsverlust und die Körperzusammensetzung beeinflussen das Leistungs-Gewichts-Verhältnis direkt: Wenn man beim Abnehmen ein Kilogramm Körpergewicht verliert, ohne an Kraft einzubüßen, verbessert sich dieses Verhältnis automatisch.
Funktionale Schwellenleistung
Die FTP (Functional Threshold Power) ist ein weiterer wichtiger Indikator im Radsport. Die FTP ist definiert als die maximale Leistung, die über einen Zeitraum von etwa einer Stunde aufrechterhalten werden kann.
Durch die Berechnung der FTP lassen sich Trainingszonen festlegen und die eigenen Fortschritte verfolgen. Die klassische Methode besteht darin, einen 20-minütigen Test bei maximaler Leistung durchzuführen und 95 % der dabei erzielten Durchschnittsleistung zu nehmen.
Bitte beachten Sie: Die FTP im Radsport ist ein Schätzwert und kein absoluter physiologischer Wert. Sie hängt von der körperlichen Verfassung, der Temperatur, der Höhe über dem Meeresspiegel und der kumulierten Ermüdung ab.
Hier ist eine Tabelle mit W/kg pro Leistungsstufe, um die durchschnittliche Leistung im Radsport je nach Profil einzuschätzen. Diese Einstufung dient als Referenz bei der Berechnung der Wattzahl im Radsport, sowohl für das Verhältnis von Gewicht zu Leistung als auch für das Verhältnis von Leistung zu Gewicht im Triathlon oder im Laufsport:
| Stufe | Geschätzter FTP (W/kg) | Typisches Profil |
|---|---|---|
| Anfänger | 1,5–2,5 | Freizeitradler, Wiedereinstieg |
| Intermediär | 2,5–3,5 | Regelmäßiger Sportler, Radsportler |
| Fortgeschritten | 3,5–4,5 | Regionaler Wettkämpfer, Triathlon |
| Experte | 4,5–5,5 | Spitzenläufer |
| Elite / Profi | 5,5–6,5+ | Profi, Tour de France |
Um die Leistung zu optimieren, stützt sich die Trainingsplanung auf diese Werte in Kombination mit der Herzfrequenz, der maximalen Sauerstoffaufnahme (VO2max) und dem Energieverbrauch pro Trainingseinheit. Die erzeugte Leistung kann zudem dazu dienen, den Kalorienverbrauch bei einer bestimmten Belastung abzuschätzen.
Ausdauergetränk
- Leistung während der Anstrengung
- 40 bis 60 g Kohlenhydrate/Stunde
- Glutenfrei
Einschränkungen und Vorsichtsmaßnahmen
Kein Rechner kann einen Leistungsmesser ersetzen, wenn es darum geht, die tatsächlich erzeugte Leistung zu messen. Die Bewertung anhand eines mechanischen Modells dient lediglich als Hilfsmittel zum besseren Verständnis und zur Planung, nicht als Messinstrument.
Hier sind die wichtigsten Punkte:
Die aerodynamischen Parameter (CdA, SCx) sind außerhalb eines Windkanaltests oder eines speziellen Feldversuchs selten genau bekannt. Die von den Rechnerprogrammen vorgeschlagenen Standardwerte sind Durchschnittswerte, die erheblich von denindividuellen Gegebenheiten abweichen können³ – der Kopf eines Radfahrers, seine Haltung und seine Ausrüstung beeinflussen den Luftwiderstand erheblich.
Der Wind ist der unvorhersehbarste Faktor. Auf einer tatsächlichen Tour ändern sich Windgeschwindigkeit und -richtung ständig. Ein Rechner, der für eine gesamte Strecke einen einzigen Windwert benötigt, kann nur eine grobe Schätzung liefern.
Der Untergrund und die Art der Fahrbahn beeinflussen den Crr erheblich: glatter Asphalt, beschädigter Asphalt, Schotterweg, Mountainbike-Strecke – jeder Untergrund weist einen anderen Reibungskoeffizienten auf. Ein Vergleich von Ergebnissen, die auf unterschiedlichen Untergründen erzielt wurden, ist ohne Anpassung dieses Parameters nicht aussagekräftig.
Die oft vernachlässigte Luftdichte variiert je nach Höhe und Temperatur. In den Bergen auf 2.000 m Höhe kann die Dichte im Sommer um 20 % unter dem Standardwert liegen, was den Luftwiderstand verringert und die Schätzung beeinflusst.
Schlussfolgerung
Ein Leistungsrechner ist ein wertvolles Hilfsmittel, um die wirkenden Kräfte zu verstehen, ein Ziel auf einem Pass oder bei einem Zeitfahren zu planen und die eigene Leistung auf dem Fahrrad im Vergleich zu Referenzwerten einzuschätzen.
Man sollte ihr jedoch nicht mehr Bedeutung beimessen, als sie verdient: Es handelt sich um eine Schätzung, die von jedem Eingabeparameter abhängt und umso zuverlässiger ist, je kürzer, homogener und besser charakterisiert das analysierte Segment ist.
Um die Leistung unter realen Bedingungen genau zu berechnen, ist der Sensor nach wie vor die Referenzquelle.
Wissenschaftliche Referenzen und Quellen
2 Luftwiderstand beim Radfahren im Feld mit Windschattenfahren: Schätzung, Vergleich und Analyse. European Journal of Applied Physiology von Debraux P., Grappe F., Manolova A. V., Bertucci W.
3 Individuelle aerodynamische und physiologische Daten sind entscheidend für die Optimierung der Leistung im Radzeitfahren: Es gibt keine Einheitslösung. Sports Engineering von Blocken B., van Druenen T., Toparlar Y., Andrianne T.
4 Radsport und Leistungsoptimierung: Wissenschaft und Trainingsmethodik. De Boeck Supérieur von Frédéric Grappe
