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Autos und Rennwagen

Der ständige Kampf gegen den Luftwiderstand

Der CO2-Ausstoß von Autos und LKWs ist in der heutigen Zeit ein wichtiger Faktor in der ökologischen und damit auch politischen Debatte. Neben alternativen Antriebsmöglichkeiten und effizienteren Motoren haben die Automobilhersteller über die vergangenen Jahrzehnte auch an der Aerodynamik ihrer Modelle gefeilt, um durch weniger Spritverbrauch auch weniger Treibhausgase auszustoßen.

Ford Model T
Das Modell T von Ford hatte einen cW-Wert von ungefähr 0,9. © ModelITMitch /CC-by-sa 4.0

Außerorts dominiert der Luftwiderstand

Während innerorts und bei geringen Geschwindigkeiten noch die Trägheit und der Rollwiderstand die größten Hemmfaktoren eines Autos sind, hat der Luftwiderstand ab 60 Kilometern pro Stunde aufwärts die größte Bedeutung. Auf der Autobahn stammen immerhin 70 Prozent des gesamten Fahrwiderstandes aus dem Luftwiderstand. Diesen zu minimieren, ist also entscheidend, wenn man effizient höhere Geschwindigkeiten erreichen will.

Wie viel Widerstand die Luft einem sich bewegenden Fahrzeug entgegensetzt, errechnet sich aus der Dichte der Luft, der Geschwindigkeit, der Stirnfläche und dem Widerstandsbeiwert cW. Letzterer setzt sich aus der Luftreibung am Fahrzeug und dem direkten Widerstand durch senkrecht zur Fahrtrichtung stehende Flächen zusammen. Der Widerstandsbeiwert wird oft als Kenngröße für den Luftwiderstand eines Autos gesehen.

Durch Design gesunken

Zu Beginn der Automobilentwicklung, als die Fahrzeuge noch sehr den damaligen Kutschen ähnelte, lag ihr cw-Wert dieser zwischen 0,8 und 1. Nach dem zweiten Weltkrieg verbreitete sich dann die „Ponton“-Karosserie, die erstmals ein Stufenheck mit Kofferraum besaß. Zusätzlich waren die Kotflügel und Scheinwerfer nicht mehr freistehend, sondern in die Karosserie integriert. Durch diese Bauform konnte der cW-Wert auf knapp über 0,5 gesenkt werden.

VW XL1
200 mal produziert: Der XL1 von VW mit einem cW-Wert von 0,186. © Travelarz /CC-by-sa 3.0

Ein großer Schub in der Entwicklung wurde durch die Ölkrise der 1970er Jahre ausgelöst, der die Hersteller dazu zwang, sich mit dem Kraftstoffverbrauch der Autos zu beschäftigen und diesen zu senken. Durch Optimierung der Karosserieform liegt der Widerstandsbeiwert der meisten PKWs heute bei rund 0,3. Nur einzelne, besonders aerodynamisch designte Konzeptmodelle fallen aus der Reihe, so hat VW beispielsweise das Modell XL1 mit einem cW-Wert von ca. 0,17 entwickelt.

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Dies gelingt unter anderem durch ein sehr flach gebautes, langes Heck. Dadurch kann die Luftströmung wirbelfrei umgeleitet werden. Bei einem abrupten, hohen Ende der Karosserie entsteht hinter dem Fahrzeug ein Unterdruck, der es zurückhält. Dieser könnte dann zwar von anderen als Windschatten genutzt werden. Dies ist im regulären Straßenverkehr allerdings aus Sicherheitsgründen nicht umsetzbar, weil der Verfolger auf wenige Meter aufschließen müsste.

cW alleine unzureichend

Um den Luftwiderstand von Fahrzeugmodellen quantitativ beurteilen zu können, reicht der Widerstandsbeiwert cW übrigens nicht aus. Wichtig ist auch die Stirnfläche, also die Fläche der Fahrzeugfront. Erst die Kombination aus dieser Fläche und dem Widerstandsbeiwert gibt eine gute Grundlage, um den Fahrtwiderstand zu beurteilen. SUVs beispielsweise besitzen zwar oft einen sehr ähnlichen cW-Wert wie Kleinwagen, durch die größere Stirnfläche haben sie aber einen deutlich höheren Gesamtwiderstand.

Die Aerodynamik beeinflusst aber nicht nur den Spritverbrauch, sondern hat auch direkte Auswirkungen auf die Höchstgeschwindigkeit eines Fahrzeugs. Ein unverkleidetes Motorrad mit einer Widerstandsfläche (cW mal Stirnfläche) von ca. 0,3 Quadratmetern kann mit 80 PS ungefähr 250 Kilometer pro Stunde (km/h) erreichen, ein vollverkleidetes schafft durch seine kleinere Widerstandsfläche von nur 0,14 Quadratmetern mit dem gleichen Motor 320 km/h.

Spoiler: Formel-1-Autos sind nicht windschnittig

In einem ähnlichen Geschwindigkeitsbereich bewegen sich auch die Boliden der Formel 1. Die äußerst windschnittig aussehenden Fahrzeuge überraschen jedoch durch einen hohen cW-Wert: Er liegt bei 1,2. Das kommt hauptsächlich durch die Front- und Heckspoiler, die Abtrieb erzeugen und das Fahrzeug auf die Straße drücken. Ohne diese „Downforce“ würde der Fahrer samt Bolide bei den enormen Geschwindigkeiten einfach abheben. In den engen Kurven sind die Rennwägen durch den hohen Grip außerdem wendiger.

Formel 1 Wagen
Scheinbar windschnittig: Rennwagen tauschen einen niedrigen Luftwiderstand gegen guten Halt auf der Straße ein. © mevans/ Getty images

Der hohe cW-Wert hilft den Formel-1-Fahrern demnach dabei, ihr Fahrzeug besser zu kontrollieren und ist ein notwendiges Übel. Die sehr kleine Stirnfläche und teilweise über 1.000 PS Leistung bringen die Boliden trotzdem auf Spitzengeschwindigkeiten.

Seit 2011 darf der Luftwiderstand von Rennwagen in bestimmten Rennsituationen sogar verändert werden. Beim Überholen an festgelegten Streckabschnitten können die Fahrer das „Drag-Reduction-System“ aktivieren. Dieses ändert die Stellung des Heckflügels und mindert dadurch den Abtrieb, den er erzeugt. Durch den verringerten Luftwiderstand wird das Auto schneller und es fällt den Fahrern dann leichter, ihre Konkurrenten zu überholen.

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Aerodynamik
Der Einfluss von Luft auf unser tägliches Leben

Autos und Rennwagen
Der ständige Kampf gegen den Luftwiderstand

Im Windkanal
Die Kinderstube der Modellentwicklung

Faszination Flugzeuge
Die richtige Form ist entscheidend

Windräder
Saubere Energie durch Auftriebskraft

Hochhäuser im Wind
Extreme Belastungen – extreme Chancen

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