The weight watchers...

Bike und Gewicht, diese Themenkombination kennt jeder. Jeder will ein leichtes Bike, aber was bringt's wirklich? Welche Vorteile ergeben sich durch ein leichtes Bike (für wen)? Und wie gross sind die Vorteile wirklich? Ein Erklärungsversuch mit physikalischen Gesetzen. Reibung und Luftwiederstand werden bei untenstehenden Überlegungen weggelassen: Ihr Einfluss ist in diesen (Fall-)Beispielen vernachlässigbar.

Basics bzw. relatives Gewicht

Unterscheiden wir Frauen, Männer und Kids/Jugendliche so ergeben sich grob folgende Gewichtsbereiche:
Männer: ca 65 - 80 kg
Frauen: ca 45 - 60 kg
Kids/Jug.: 25 – 50 kg

Ein Bike von rund 10kg ist also bei Männern ca. 15% des Körpergewichts, bei Frauen ca. 20% und bei Kids/Jugendlichen von 20% bis gegen 50%.
Es wird klar, warum gerade bei Frauen und Jugendlichen leichte Bikes so wichtig sind: Der relative Gewichtsanteil ist hier viel höher.
Dazu kommt, dass leichtere Personen in der Krafterzeugung tendenziell eine weniger grosse Leistung erbringen können als schwerere Personen (Leistung hängt bis zu einem gewissen Grad mit dem Gewicht zusammen, oder vereinfacht: Mehr Gewicht, mehr max. Leistung/Kraft).

Potentielle Energie (Lage-Energie)

E = m * g * h
Epot ist die Energie die Fahrer und Bike oben auf dem Berg haben (und welche beim Hinunterfahren mit dem Bremsen «vernichtet» wird).
Aber erstmal muss diese Energie aufgewendet werden, um hoch zu kommen. Wobei genau genommen wegen dem Luft- und Rollwiederstand sogar noch mehr Energie aufgewendet werden muss, wie nur die potentielle Energie, die man oben auf dem Berg hat.

Ein Beispiel: Bike 1 ist 8kg schwer, Bike 2 wiegt 10kg.
Der Fahrer fährt eine kurze, steile Rampe von 10% / 25m hoch (Höhendifferenz 2.5m)
Die Energiedifferenz beträgt rund 50 J.
Ein Fahrer mit 70kg wendet total mind. 1962 J auf für diesen Anstieg, kann etwa 2.5% der Energie sparen mit dem leichten Bike…
Ein Fahrer mit 45kg wendet total mind. 1350 J auf für diesen Anstieg, kann etwa 3.7% der Energie sparen mit dem leichten Bike…

(Potentielle Energie auf Wikipedia)

-2.5%-4%

Rotations-Energie

Dinge die rotieren, brauchten Energie, um sie in den rotierenden Zustand zu versetzen.
Man spricht von Rotations-Energie (siehe Wikipedia).
Am Bike rotieren die Laufräder und die Kurbel bzw. das Antriebssystem (Kette, Schaltung, …).
Gewicht und Gewichtsunterschiede machen hier v. a. die Betrachtung von Vorder- und Hinterrad interessant.

Fährt das Bike, drehen sich die Räder und man spricht von der sog. Winkelgeschwindigkeit in Bezug auf das Rad und seine Bewegung/Drehung.
Weiter spricht man in der Physik vom Trägheitsmoment eines Körpers, welches sich typischerweise aus m (Masse) und r (Radius) des Körpers zusammensetzt.
Vereinfacht in unserem Fall, da r (bei 29 Zoll Räder) gegeben, spielt hier die Masse eine grosse Rolle.

Tauchen wir noch etwas tiefer ein (Leifiphysik) so können wir mittels einiger Annahmen und Vereinfachungen grob folgendes Beispiel beleuchten:
Bike 1 hat folgende Laufräder: Felgen (300g), Pneu (600g)
Bike 2 hat folgende Laufräder: Felgen (450g), Pneu (650g)
Naben und Speichen vernachlässigen wir hier, Geschwindigkeit Bike: 20km/h (5.55 m/s)

Durchmesser von 29 Zoll Laufrädern: 622mm bzw. 0.622m ,Radius 0.311m
bei Rad: J (Trägheitsmoment) = m * r^2

Rotations-Energie Bike 1: 13.9 J *2 (Räder) = 27.8 J
Rotations-Energie Bike 2: 17 J *2 (Räder) = 34 J

Jedes Mal, wenn das Bike auf 20 km/h beschleunigt werden soll, muss also diese Energie aufgewendet werden, welche dann in den drehenden Rädern «gespeichert» ist, solange man 20km/h konstant weiterfährt. In Realität wird man bremsen, wieder antreten usw.

In Bezug auf einzig diese Rotationsenergie (es sind noch andere Energien/Kräfte im Spiel..) ist die Differenz zw. den beiden Bikes immerhin gut 6 J und in Relation zu rund 30J Total sind das ca. 20%.
Die Radsätze (Vorder- und Hinterrad) der beiden Bikes unterscheiden sich im Beispiel lediglich um total 400g. In der Praxis sind Unterschiede von 500g und mehr oft anzutreffen.
Weiter sind die Pneus aussen auf den Felgen aufgebracht, daher ist der Radius/Durchmesser eigentlich grösser als nur die Felge, und damit auch die gespeicherte Rotations-Energie bzw. die Energie-Differenz.
Es wird oft gesagt und nach obigen Ausführungen sollte es klar (bewiesen) sein: Dem Gewicht der Räder kommt grösste sprich doppelte Bedeutung zu:
Einerseits hat ihr Gewicht Einfluss bei der Potentiellen Energie (siehe 02), andererseits bei der Rotations-Energie.

-20%

Beschleunigung

F = m * a
Vereinfacht gesagt kann ein Fahrer eine maximale Kraft F aufbringen, und diese entspricht m (Masse) * a (Beschleunigung).
Einfach zu sehen, dass bei gleicher aufgewendeter Kraft und weniger Masse, eine höhere Beschleunigung resultiert.
In der Praxis zeugt sich dies nach dem Start, nach engen Kurven oder technisch schwierigen (langsamen) Passagen und immer da, wo wieder ein «Antritt» notwendig ist.
Mit einem leichten Bike wird der Antritt weniger Kraft kosten oder er ist bei gleicher Kraft schneller.

Leistung eines Fahrers
P = F * v
F= m * a
Beispiel, was ist die Leistung eines Fahrers, der von 0 auf 20 km/h beschleunigen will, und zwar innerhalb von 100m bzw. 10s
Dafür braucht er eine Beschleunigung a=2m/s^2 (s=0.5 * a * t^2)

F = P / v = m * a
P = m * a * v = m * 2m/s^2 * 5.55 m/s

Fall: Fahrer 70kg, Bike 8 kg P=865 Watt / Bike 10 kg P=888 Watt
Differenz 23 Watt bzw. 2.7 %, bei einem leichteren Fahrer wird die Differenz auch hier im Bereich von 3-5% liegen.