Theorie achter stormstrips

Naar aanleiding van een discussie bij een blog over de harde wind de laatste tijd, vroeg Brandweer zich af of de positieve effecten van een stormstrip te verklaren zijn. Bij deze een poging.

Allereerst:

1- Dit is geen volledige aerodynamische theorie. Ik probeer twee richtingen aan te geven waarin het probleem van de stormstrip kan worden opgelost: via vector-analyse van de krachten op de velomobiel en via drukverschillen. Ik probeer expres weg te blijven bij allerlei formules.

2- Ik ben geen specialist in aerodynamica. Als er iemand wetenschappelijk onderlegde feedback heeft dan is hij/zij van harte welkom. Aerodynamica is een verradelijk vakgebied. Zo verwijs ik graag naar de Wiki site waarin lift van een vleugel wordt uitgelegd: http://en.wikipedia.org/wiki/Lift_(force). Dan blijkt uit het flow-filmpje dat luchtpakketjes boven de vleugel zoveel sneller gaan dan eronder dat ze veel eerder van de achterzijde afvloeien dan de pakketjes onder de vleugel, ook al hebben ze een langere weg af te leggen. Populair-wetenschappelijke uitleg beweert vaak dat de pakketjes tegelijk van de vleugel af moeten vloeien. Onzin natuurlijk, maar dat is gemakkelijk gezegd achteraf.

3- Voor de driedubbelovergehaalde landrotten onder de lezers:
Loef = de kant waar de wind vandaan komt
Lij = de kant waar de wind naartoe gaat.


Bij harde zijwind treden er drie problemen op, zie figuur 1, valwind:
1- De velomobiel wordt opzij gedrukt en raakt zo uit koers: rode pijl.
2- Als er teveel wind onder de velomobiel komt, bijv. bij valwind rond een gebouw, dan wordt ze omver gekiept bij de loefzijde: grijze draaiende pijl.
3- Als loef eenmaal een stuk omgekomen is, kan de hele fiets opgetild worden en wegwaaien: zwarte pijl.

Even een spektakel tekeningetje gemaakt om nog maar eens te waarschuwen voor valwinden bij hoge gebouwen. Op een gegeven moment helpt ook een stormstrip niet meer.

Rechtsboven in figuur 2A heb ik een paar maten opgegeven. De hoogte van de body van Magic Bullet is bij de voorwielen 64cm. Een stormstrip schat ik op een hoogte van ~4mm. De hoogte van de body neemt dus maar 0.6% toe, verwaarloosbaar. Dit is belangrijk verderop in het betoog. Verder heb ik de body van een velomobiel in de figuren vereenvoudigd tot een cirkel. De onderzijde van een velomobiel is echter vlak. Door deze vorm wordt een velomobiel minder makkelijk opgetild door de wind dan de tekeningen suggereren.

In figuur 2A is meer te zien. Als een velomobiel aan zijwind onderhevig is, dan wordt de wind door de velomobiel gesplitst in een stroom onder de fiets door en 1 eroverheen. Met andere woorden, een deel van de lucht wordt omlaag geduwd en een ander deel omhoog. In het geval van een stormstrip krijgt de omhoog gesplitste wind nog een extra zet omhoog van de stormstrip.

In figuur 2B kijken we naar de krachten die deze luchtstromen veroorzaken. De body duwt tegen de wind, rode stippelpijltjes. Actie is reactie, dus de wind duwt even hard tegen de body. Zonder stormstrip levert dat hoofdzakelijk een zijwaartse kracht op. De neerwaartse en opwaartse krachten heffen elkaar immers grotendeels op. In het geval van de stormstrip zal deze zijwaartse kracht hooguit 0.6% toenemen, verwaarloosbaar, zie boven. Een veel groter verticaal effect treedt op omdat de wind daar vooral opgetild wordt en de velomobiel dus naar beneden geduwd wordt. Meer druk op de wielen levert direct een hogere koersstabiliteit op.

Figuur 2C laat bovendien zien dat er met een stormstrip meer kracht nodig is om de wielen op te wippen.

Figuur 2 is eigenlijk een half verhaal. We kijken immers alleen naar wat er gebeurt aan loef. Door naar drukverschillen te kijken, kan ik aangeven wat er aan lij gebeurt.

In figuur 3A is te zien dat er aan loef overdruk heerst en aan lij onderdruk. Een stormstrip brengt een scherpere scheiding aan, waardoor er overdruk bovenop de body ontstaat aan loef en onderdruk aan lij, bovenop de body.

Bovendien blijkt dat er een groter oppervlak aan loef ontstaat met overdruk en aan lij met onderdruk. Er valt te argumenteren dat de totale kracht aan lij ongeveer gelijk blijft. De zijwaartse kracht neemt dan af. Immers, een deel van de kracht wordt opwaarts gericht. Nu geldt bovendien P=F/A, ofwel druk is kracht per oppervlak. Omdat het oppervlak toeneemt maar de kracht gelijk blijft, neemt de druk af.  Theoretisch maakt het niet uit, de totale kracht blijft immers gelijk, maar praktisch betekent dit misschien toch iets rustiger rijgedrag.

Nu blijkt in figuur 3B dat de downforce vooral aan loef zit, waar je hem ook wilt hebben. Aan lij zal wellicht wat upforce zijn. De stormstrip zorgt dus voor een draaiing waarbij de loef omlaag gedrukt wordt, net als hangen aan de hoge loefzijde van een zeilbootje. Hierdoor beperkt de stormstrip de kracht van de wind waarbij de loefzijde juist omhoog gedraaid wordt, figuur 3C.


Discussie
Metingen en aerodynamische experts kunnen deze ideeen wellicht verder onderbouwen of ontkrachten. Een compleet alternatieve benadering kan zijn dat de stormstrip er voor zorgt dat de velomobiel makkelijker door de wind 'snijdt'. In plaats van dwars over de fiets heen te gaan, zou de wind dan meer naar achteren wegvloeien. Vooral bij aandewindse koersen ten opzichte van de schijnbare wind kan ik me daar wat bij voorstellen. Dat zou betekenen dat de stormstrip vooral werkt als je hard fietst...Zonder harde data of theorie durf ik geen oordeel te vellen over dit idee.


Conclusie
De stormstrip zorgt voor een hogere wieldruk aan loef en daardoor voor meer koersstabiliteit. Aan lij vermindert de zijwaartse kracht wellicht enigszins, ook meer stabiliteit. Een deel van de windkracht wordt immers gebruikt voor upforce aan lij.
Dit geheel resulteert in minder snel 'pootje lichten' van het loefwiel, de eerste fase van omslaan en/of wegwaaien.'