Misverstand 1: Je hebt net zo veel voordeel van wind mee als nadeel van wind tegen
Ga je weleens een rondje fietsen of hardlopen bij harde wind? Misschien merk je dan dat je gemiddelde snelheid een stuk lager ligt dan normaal. En dat terwijl je net zo veel kilometers wind mee had als wind tegen. Heft dat elkaar niet op?
Nee, is het antwoord. Niet alleen is het lichamelijk en geestelijk zwaar om het ene stuk veel meer weerstand te hebben dan het andere stuk, ook natuurkundig gezien heb je er nadeel van.
Stel dat je tien kilometer heen en tien kilometer terug fietst. Heen heb je wind mee en vlieg je met veertig kilometer per uur over de weg. Terug rijd je tegen de wind in slechts twintig kilometer per uur. Wat is je gemiddelde snelheid over het hele stuk dan?
Intuïtief denk je misschien: dertig kilometer per uur. Maar dat is niet zo. Over de heenweg deed je een kwartier, over de terugweg een halfuur. Je hebt dus een kwartier met veertig kilometer per uur gefietst en een halfuur met twintig kilometer per uur. Je gemiddelde snelheid is dan (15 x 40 + 30 x 20) / 45 = 26,7 kilometer per uur. Omdat je langer doet over het stuk wind tegen dan over het stuk wind mee, gaat je gemiddelde bij harde wind omlaag.
Wil je je gemiddelde snelheid op peil houden, dan loont het om je bij wind tegen net wat meer in te spannen dan normaal. Het kost kracht om tegen de wind in te beuken, maar dan ben je er wel sneller weer vanaf.
Misverstand 2: Je hebt alleen voordeel van iemand voor je
Iedereen weet dat je als hardloper en met name als fietser veel profijt hebt van iemand voor je. De luchtweerstand is dan immers een stuk lager dan normaal. Zo haalde de Amerikaanse wielrenster Denise Mueller-Korenek achter een auto met een enorm windscherm de belachelijke snelheid van 296 kilometer per uur.
Maar wist je dat je ook voordeel hebt van iemand achter je? In 2012 ontdekten natuurkundigen van de TU Eindhoven dat een topwielrenner 2,5 procent minder luchtweerstand ondervindt wanneer die een andere renner direct achter zich heeft.
Dat komt doordat er achter een solorijder een gebied ontstaat met lage luchtdruk. Door die onderdruk wordt de renner een beetje naar achteren gezogen. Een renner die ‘in het wiel’ zit, zorgt voor een verlaging van die onderdruk, zodat de voorste renner minder hard wordt teruggezogen.
Ook als hardloper heb je een klein voordeel van iemand achter je. Dat werd duidelijk toen Eliud Kipchoge in 2019 als eerste de marathon onder de twee uur liep. De Keniaan werd bij zijn recordrace voortdurend omringd door zeven andere toplopers die hem uit de wind hielden. Onderzoekers van opnieuw de TU Eindhoven hebben via computermodellen bepaald wat de optimale formatie van deze ‘hazen’ was. De luchtweerstand bleek het laagst wanneer twee van de zeven helpers niet voor, maar achter Kipchoge liepen.
Alle beetjes helpen, zeker bij een lange inspanning. Ga daarom, als het even kan, samen met iemand anders lopen of fietsen; zelfs als jij dan het meeste kopwerk moet verrichten.
Misverstand 3: Je gewicht speelt geen rol in hoe hard je naar beneden gaat
Ruim vier eeuwen geleden gooide Simon Stevin twee loden bollen van de toren van de Nieuwe Kerk in Delft. De ene bol was zwaarder dan de andere. Stevin constateerde dat beide bollen tegelijk beneden aankwamen. Daaruit concludeerde Stevin dat de valversnelling op aarde altijd even groot is, ongeacht de massa van het vallende voorwerp.
Als je van een helling naar beneden fietst, zou je denken dat het voor je snelheid dus niet uitmaakt hoe zwaar je bent of hoe zwaar je fiets is. Maar dat maakt wel wat uit. Een fietser die een berg afrijdt heeft namelijk te maken met de zwaartekracht en een tegenwerkende kracht: de luchtweerstand. Die luchtweerstand zorgt voor een vertraging. In tegenstelling tot de valversnelling hangt die vertraging wél af van de massa van het voorwerp. Hoe zwaarder fietser en fiets, des te minder ze door de luchtweerstand vertraagd worden. En des te harder ze dus naar beneden gaan.
Deze redenering geldt ook voor de bollen van Stevin. De zwaardere bol viel dus eigenlijk net iets sneller naar beneden. Het verschil was echter zo klein dat Stevin toch één klap hoorde toen de bollen op de grond kwamen. Om het experiment echt goed te doen moet je de voorwerpen in het vacuüm laten vallen; dan heeft de luchtweerstand geen invloed. Dat bleek bijvoorbeeld toen Apollo-astronaut David Scott op de maan een hamer en een veer tegelijk liet vallen.
In de praktijk zijn er naast de massa nog allerlei andere zaken die de snelheid van een dalende fietser beïnvloeden. Het postuur en de houding van de fietser zijn bepalend voor de grootte van de luchtweerstand. Verder kan een lichte fiets(er) meer snelheid verliezen doordat die door luchtstromen meer aan het wiebelen wordt gebracht. Anderzijds kan een zware fiets(er) meer rolweerstand ondervinden doordat de banden meer op de weg drukken. Maar in het algemeen kunnen een paar extra kilo’s in een afdaling geen kwaad. Mocht je dus een lang stuk heuvelaf gaan fietsen – wederom: alle beetjes helpen – vul dan je bidons boven aan dat stuk.
Verantwoording
Dit artikel is eerder verschenen in de Robbert, een uitgave van het Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde ter gelegenheid van het honderdjarig bestaan van de Nederlandse Natuurkundige Vereniging.
