Geometrie, de wiskunde achter frames
Geometrie, de wiskunde achter frames – Bij de aankoop van een driedelig kostuum is de pasvorm een van de belangrijkste criteria. Het moet lekker zitten en goed aansluiten. Voor een fiets geldt eigenlijk hetzelfde, maar desondanks bestaat er nog veel onduidelijkheid hoe de geometrie van het fietsframe invloed heeft op de rijeigenschappen. Redacteur Ronald van der Boon voelde het Nederlandse Isaac Cycles eens goed aan de tand over dit onderwerp.
De fiets is als transportmiddel enorm eenvoudig, maar is de geometrie ook zo simpel of zit daar meer achter?
Achter de geometrie zit zeker meer. En dat kan een ingewikkelde rekensom zijn. Voor een goede geometrie zal de ontwerper tal van compromissen moeten sluiten. Bepaalde elementen van de geometrie dragen bij aan stabiliteit als je rechtuit fietst, terwijl andere bijdragen aan de wendbaarheid van je fiets. Vaak werken deze twee elementen, wendbaarheid en stabiliteit, negatief op elkaar. Het is niet mogelijk om een zeer stabiele fiets te maken die ook nog eens erg wendbaar is, dus daar moet een compromis gevonden worden. De ware kunst van het ontwerpen van frame en geometrie zit ‘m dan ook in het bepalen van de punten waarop je de compromis sluit. Daarom is het belangrijk te weten wat de toepassing van de fiets wordt. Een racefiets heeft duidelijk andere belangrijke en leidende eigenschappen dan een gravelbike. Daarbij spelen conditie en het fysieke gestel van de rijder ook een belangrijke rol. Bij een stadsfiets is geometrie soms minder belangrijk, maar bij een racefiets of gravelbike moet alles perfect kloppen voor de beste prestaties en het voorkomen van blessures.
Is de geometrie erg veranderd de laatste jaren?
Dit is vooral afhankelijk van het type fiets. Binnen het wielrennen heb je al drie types: de aerobike, de klimfiets en de endurance-variant. Zelfs in de wereld van gravelbikes zien we al meer verschillende typen, van agressieve frames tot aan hele relaxte geometrie. Vroeger was hier minder onderscheid in. Er was de racefiets en de cyclocrosser, daar moest je het mee doen. Sinds dat het schakelen van de onderbuis naar het stuur is gegaan, heeft de racefiets wel degelijk een metamorfose ondergaan. Renners rijden meer bovenop het stuur en daardoor zijn de frames wat korter geworden. Maar niet alleen het frame beïnvloedt de zitpositie of het rijgedrag. Bijkomende factoren als stuurpenlengte en hoogte wegen net zo goed mee.
Zijn zitpositie en rijgedrag met elkaar verbonden of staan deze los van elkaar?
Deze zijn absoluut met elkaar verbonden. In theorie zou je met elke positie hetzelfde rijgedrag kunnen creëren. Rijgedrag is een combinatie van een aantal factoren zoals wielbasis, de hoogte van de trapas en de hoek van de balhoofdbuis. Hoe dieper de zit, hoe aerodynamischer we kunnen rijden. Daarnaast zorgt een diepe zit in afdalingen voor meer controle, doordat het zwaartepunt lager is. Maar comfort speelt natuurlijk ook mee, en een diepe zit is vaak minder comfortabel. Daarnaast is de lengte van een renner van invloed: een langer persoon heeft weer een hoger zwaartepunt. Door bijvoorbeeld de wielbasis te vergroten wordt de fiets weer stabieler, al heeft dit wel weer invloed op het rijgedrag. Uiteindelijk moet er een afweging worden gemaakt wat belangrijker is. Het kan soms knap lastig zijn om de juiste fiets te vinden. Iedereen is anders en heeft een andere positie op de fiets.
Verschillen hedendaagse racefietsen onderling vooral qua zitpositie of ook qua rijgedrag?
Ze verschillen in beide, maar dit is heel erg afhankelijk van het typefiets. Bij Isaac hebben we verschillende modellen voor verschillende doeleinden. Qua zitpositie ben je meestal gebonden aan de beschikbare standaardmaten en moet de rest met zadelpen en stuurpen worden opgelost. De meeste mensen kunnen prima overweg met een standaard geometrie dus dit is geen enkel probleem.
Waarin verschilt een racefiets ten opzichte van een gravelbike?
Een racefiets is gebouwd voor asfalt, heeft vaak agressieve hoeken en is lichter in gewicht. Dat betekent niet dat we met een racefiets geen gravelsecties kunnen trotseren, kijk bijvoorbeeld maar eens naar de profs in de Strade Bianche. Maar een aeroracer als de Isaac Meson is minder geschikt voor gravel dan een enduranceracer als de Isaac Boson.
Onze gravelbikes zijn ontworpen voor veel verschillende ondergronden, waardoor ze veelzijdiger zijn dan onze racefietsen. Dat heeft als gevolg dat de framesets voor gravelbikes vaak minder licht zijn. Ook ligt er meer nadruk op comfort dan bij een racefiets. Neem de Isaac Torus even als voorbeeld: deze heeft een zithouding die meer lijkt op een enduranceracer dan op een aeroracer.
Aan welke basiseigenschappen moet de geometrie van een fiets voldoen?
Hierin kijken we altijd naar de volgende drie basiseigenschappen. De hoek van de balhoofdbuis bepaalt het stuurgedrag. De hoogte van de trapas beïnvloedt het zwaartepunt van de rijder. De wielbasis zorgt voor stabiliteit. Deze drie eigenschappen zijn bij een goede geometrie mooi in evenwicht.
Kan je een frame ontwerpen zonder dat je gebruikmaakt van wiskunde?
Nee, wiskunde is nodig om te zorgen dat de geometrie in orde is. We gebruiken wiskundige formules en modellen om te zorgen dat de drie basiseigenschappen kloppen, zodat al onze frames een gebalanceerde geometrie hebben.
Tegenwoordig zie je de aflopende bovenbuis in vrijwel elk frame, terwijl je die vroeger nooit zag. Wat is hier de reden voor?
In theorie wordt het frame iets stijver, doordat je de driehoek kleiner maakt. Dit merk je vooral in het stuurgedrag. Een ander bijkomend voordeel is dat er minder materiaal gebruikt wordt, waardoor het frame lichter is. De aflopende buis, wat in vakjargon sloping toptube heet, zorgt ervoor dat er meer vrijheid is in het bepalen van de juiste maat.
Maakt aerodynamica het ontwerpen van frames moeilijker?
Aerodynamica is op dit moment heel actueel. Elk minimaal wattage voordeel moet vaak ook worden toegepast. Toch maakt dit het ontwerpen van frames en het creëren van de juiste geometrie niet moeilijker. Bij Isaac hebben we geen moeite om geometrieformules toe te passen op het ontwerpen van aerobikes.
Een nieuwe trend die we zien ontstaan zijn de steeds breder wordende banden. In zowel racefietsen als gravelbikes worden deze steeds breder. Wat heeft dat voor gevolgen voor frameontwerp en rijgedrag?
De voorvork en achterbrug worden hierdoor breder, zodat de banden meer ruimte krijgen. Bredere voorvorken zijn ontwerptechnisch goed te doen, maar de achterbrug van het frame is daarin wat lastiger. De zone achter de trapas is met name moeilijk, dat is een plek waar weinig ruimte is. De trend met groepsets die een enkel voorblad hebben maakt dat ontwerptechnisch gelukkig weer makkelijker. Het gebrek aan een voorderailleur zorgt voor wat extra ruimte rondom dat gebied. Daarnaast zijn we er bij Isaac van overtuigd dat brede banden meer comfort bieden, dus zorgen wij er ook voor dat onze frames genoeg ruimte hebben.
Het mag duidelijk zijn dat er geen magische formule is voor dé perfecte geometrie, er zijn simpelweg te veel factoren die meespelen. In de zoektocht naar de juiste zitpositie en rij-ervaring gaat het om het sluiten van compromissen. Daarbij moet gekeken worden welke eisen het zwaarste wegen om zo tot een uiteindelijk frame ontwerp te komen. En dat is niet alleen voor de framebouwer belangrijk, maar ook voor de consument: als je weet waar het ontwerp van een frame op is gebaseerd, weet je al snel of deze voor jou geschikt is of niet.
Terminologie
A: Balhoofdbuis / headtube
B: Bovenbuis / toptube
C: Onderbuis / downtube
D: Wielbasis
E: Zitbuis / seattube
F: Achterbrug / chainstay
G: Voorvork
Tekst en foto’s: Ronald van der Boon
Dit artikel komt uit het magazine Wielrenblad #4 2022. Dit magazine is nog steeds los te bestellen in onze webshop, klik hier voor de webshop. Wil je meer wielrennieuws, Tips & Tricks, leesvoer en de laatste magazines kijk op Ridersguide.nl. Wil je altijd up-to-date blijven? Klik dan nu hier en word abonnee van Wielrenblad en volg ons op Facebook en Instagram!