(Ontwerp)snelheid, versnellen en remmen

Fietsers moeten in fysiek opzicht altijd twee krachten overwinnen, namelijk de rolweerstand en de luchtweerstand, en bij opgaande hellingen bovendien de zwaartekracht. De rolweerstand wordt vooral bepaald door de banden en het wegdek. De luchtweerstand is afhankelijk van de vorm (stroomlijning) van de fiets inclusief zijn berijder en de windsnelheid en -richting. De zwaartekrachtcomponent komt nader ter sprake in paragraaf 3.5 ‘Hellingen’.

Bij het ontwerpen van fietsvoorzieningen is het essentieel dat geen samenloop of directe opeenvolging van kritische ontwerpelementen ontstaat. Hellingen (zowel neergaand als opgaand), scherpe bochten, een slecht wegdek, windgevoelige locaties en dwarsconflicten zijn hier voorbeelden van. Waar zij onvermijdelijk zijn, moeten dergelijke elementen zo goed mogelijk worden gespreid.

De fiets wordt aangedreven door de spierkracht van zijn berijder. Het vermogen dat een fietser kan leveren, is echter beperkt. Extra weerstand moet worden gecompenseerd door extra fysieke inspanning. Gebeurt dit niet, dan heeft dat tot gevolg dat de snelheid afneemt. Daarom is het van belang dat in een fietsvriendelijk wegontwerp potentiële energetische verliezen zo veel mogelijk worden beperkt.

De voornaamste factoren die energieverlies veroorzaken, zijn:

• wrijving ten gevolge van lagers en ketting;
• rolweerstand, bepaald door de spanning en breedte van de fietsbanden en de kwaliteit van het wegdek;
• luchtweerstand, bepaald door de snelheid van de fietser;
• tegenwindcomponent, bepaald door meteorologische omstandigheden;
• hellingspercentage.

Deze factoren bepalen samen in belangrijke mate het totale energieverlies waarmee een fietser te maken krijgt (bij meewind krijgt een fietser uiteraard een deel van de benodigde energie cadeau).

Bij een goed onderhouden fiets vormt de factor wrijving slechts een fractie (1 à 1,5%) van de totale weerstand. Hierop heeft de wegontwerper uiteraard geen invloed. De mate waarin de overige factoren een rol spelen, is wel (mede)afhankelijk van het wegontwerp. Dit betekent dat de wegontwerper een belangrijke invloed heeft op de inspanning die fietsers moeten leveren.

In figuur 3-2 zijn de weerstanden in relatie tot de snelheid weergegeven [2]. De weerstand als gevolg van de zwaartekracht treedt vanzelfsprekend alleen op bij hoogteverschillen. De energie die wordt verbruikt bij het oprijden van een helling, wordt voor een deel teruggewonnen bij het naar beneden gaan.

De rolweerstand en trillingsverliezen worden vooral veroorzaakt door de kwaliteit van het wegdek en de oneffenheden daarin. Bij een hard opgepompte band op een vlak wegdek bedraagt de rolweerstand 0,06 N/kg; op een slecht wegdek kan deze oplopen tot een veelvoud hiervan. Uit de beperkte literatuur op dit gebied kan worden afgeleid dat vooral vlakheid en voegen van invloed zijn en dat stroefheid en textuur minder effect hebben op de rolweerstand. De laatste twee eigenschappen zijn wel van belang voor de stabiliteit, en dus voor de veiligheid van de fietser.

Luchtweerstand is vooral afhankelijk van rijsnelheid en gaat pas een serieuze rol spelen bij snelheden boven circa 20 km/h. Tegenwind (recht van voren of schuin) is daarentegen ook bij een lage rijsnelheid al een weerstandsfactor van belang; hij is groter naarmate de windsnelheid hoger is en neemt toe met de rijsnelheid. Anders dan zeilers, kunnen fietsers niet profiteren van zijwind. Zijwind geeft bij fietsers juist wrijving die als weerstand wordt gevoeld, mede door de ongunstige aerodynamische vorm van fiets plus berijder. Bij grote turbulentie, bijvoorbeeld tussen gebouwen, is de wisselende windsterkte extra hinderlijk voor de fietser omdat hij steeds wordt afgeremd en daarna weer moet optrekken. Ook de subjectieve beleving van wind speelt een rol. Een proef waarbij een windscherm werd geplaatst, werd – hoewel de feitelijke windhinder aanzienlijk afnam – door fietsers als negatief beoordeeld omdat men nog altijd wind voelde en dit als negatief beleefde [3].

Wegontwerper en wegbeheerder kunnen het energieverlies voor fietsers in belangrijke mate beïnvloeden. Doel moet zijn om onnodig energieverlies zo veel mogelijk te beperken. Dat kan op vele manieren. Een belangrijk uitgangspunt moet zijn dat fietsers zo min mogelijk hoeven te stoppen. Eén stop correspondeert met de energie die nodig is om 75 tot 100 meter te fietsen (afhankelijk van de snelheid). Bij elke stop, vanwege een rood verkeerslicht of een andere verkeersoorzaak, wordt de door menselijke arbeid opgebouwde kinetische energie tenietgedaan. Deze moet bij het optrekken weer worden opgebouwd door het overwinnen van wrijvingsweerstanden en massatraagheid.

Een trapfrequentie van ongeveer 70 omwentelingen per minuut leidt tot een ‘normale’ fietssnelheid van 15 à 23 km/h, afhankelijk van de persoons- en fietskenmerken en de heersende omstandigheden. Bij het onderzoek van de Fietsbalans [4] wordt gereden met een kruissnelheid van 18 km/h. Op een fietspad kunnen er regelmatig sportieve fietsers zijn die een snelheid van 30 km/h halen. Op fiets/bromfietspaden binnen de bebouwde kom is dat ook de maximumsnelheid voor bromfietsers. Voor normale situaties is daarom een ontwerpsnelheid van 30 km/h aan te bevelen. Een aandachtspunt is de snelheid op hellingen. Neergaande fietsers kunnen hier een snelheid van circa 35 km/h bereiken.

Op fiets/bromfietspaden buiten de bebouwde kom is een ontwerpsnelheid van 40 km/h aan te bevelen (dit is tevens de maximumsnelheid voor bromfietsers). Bij een ontwerp met een te lage ontwerpsnelheid (bijvoorbeeld krappe bogen of beperkt zicht) is het mogelijk dat fietsers van de weg raken of dat zij tegenliggers te laat opmerken.

De snelheid die een fietser kiest, is afhankelijk van de duur van de belasting, de weerstanden die hij moet overwinnen en het motief van de fietsrit. Zo zal bij tegenwind op een woon-werkverplaatsing sneller een hogere belastingsgraad worden geaccepteerd (men wil op tijd op het werk komen) dan tijdens een recreatieve rit.

Voor een versnelling uit stilstand kan worden gerekend met een waarde van 0,8 tot 1,2 m/s². De vertraging is afhankelijk van diverse factoren, maar er mag worden uitgegaan van ongeveer 1,5 m/s² (comfortabel) tot ongeveer 2,6 m/s² (noodstop).

De aandrijving door spierkracht betekent, zoals eerder aangegeven, dat in een fietsvriendelijk wegontwerp energieverliezen zo gering mogelijk worden gehouden. Niet alle energieverliezen die optreden tijdens het fietsen zijn voor de ontwerper en beheerder te beïnvloeden, maar dat geldt wel voor de rolweerstand. Deze wordt namelijk in sterke mate bepaald door (de vlakheid van) het wegdek. Om energieverliezen zo beperkt mogelijk te houden, gaat de voorkeur uit naar een vlakke, gesloten verharding, zoals asfalt of beton.

Andere belangrijke maatregelen die een ontwerper kan treffen om (onnodig) energieverlies voor fietsers te voorkomen, zijn:

• het voorkomen of minimaliseren van hoogteverschillen;
• het voorkomen van onnodig stoppen en optrekken;
• het bieden van beschutting tegen windhinder;
• het anticiperen op mogelijke valwinden.