Wussten Sie, dass der cw-Wert eines Lkw besser ist als der eines Formel-1-Autos?

Ja, der Titel dieses Artikels stimmt: Der cw-Wert eines Lkw ist besser als der eines Formel-1-Autos. Und das gilt auch für das Auto, das Sie täglich fahren. Das mag für diejenigen überraschend klingen, die mit den Grundprinzipien der Aerodynamik nicht vertraut sind. Doch es gibt eine Erklärung dafür. Und glauben Sie es oder nicht, es ist einfacher, als es scheint.

Ein Lkw hat einen günstigeren cw-Wert als ein Formel-1-Auto, aber ein F1-Wagen hat einen geringeren aerodynamischen Widerstand

Um das zu verstehen, sollte man zunächst einige zentrale Begriffe kennen und den aerodynamischen Widerstand nicht mit dem cw-Wert verwechseln. Zur Orientierung: Der cw-Wert eines Lkw liegt zwischen 0,6 und 0,7, wobei es Ausnahmen gibt, etwa den Lkw von Tesla, für den ein erstaunlicher cw-Wert von 0,36 angekündigt wurde. Der eines Formel-1-Autos bewegt sich dagegen um 1, während ein Serienpersonenwagen üblicherweise um 0,30 liegt. Und je niedriger dieser Wert ist, desto besser für einen geringeren aerodynamischen Widerstand.

Beim aerodynamischen Widerstand spielen jedoch noch weitere Faktoren eine Rolle. Und hier liegt der Schlüssel: Ein Lkw hat einen günstigeren cw-Wert als ein Formel-1-Auto, aber ein F1-Wagen hat einen geringeren aerodynamischen Widerstand. Sehen wir uns das genauer an.

Aerodynamischer Widerstand

Der aerodynamische Widerstand ist die der Bewegung entgegenwirkende Kraft, die ein bestimmter Gegenstand (in diesem Fall ein Pkw, ein Lkw … oder ein Formel-1-Auto) beim Durchfahren der Luft erfährt. Dieser Widerstand wird mit einer Formel berechnet, die Sie nicht auswendig lernen müssen. Man muss nur wissen, dass er das Produkt aus Faktoren wie der Luftdichte, der Stirnfläche des Objekts, seinem cw-Wert und dem Quadrat der Geschwindigkeit ist, mit der sich das Objekt relativ zur Luft bewegt.

Da wir Objekte vergleichen, sind uns hier die Luftdichte und die Geschwindigkeit nicht wichtig. Merken Sie sich: Der endgültige aerodynamische Widerstand eines Objekts wird unter anderem durch den cw-Wert und die Stirnfläche bestimmt, mit der das Objekt dem Wind entgegentritt. Und zwar proportional zu beiden Größen.
Cw-Wert

Der cw-Wert, auch

Luftwiderstandsbeiwert genannt, ist eine dimensionslose Zahl (sie hat also keine Maßeinheit), die einer bestimmten Fläche zugeordnet ist und den Widerstand eines Körpers beim Bewegen in einem fluiden Medium quantifiziert (in unserem Fall ist dieses Medium Luft), verglichen mit dem Widerstand eines Körpers, der den Luftstrom beim Auftreffen vollständig stoppen könnte.

Wie bereits erwähnt, gilt: Je niedriger der cw-Wert, desto besser für den aerodynamischen Widerstand. Weitere Beispiele für cw-Werte geometrischer Körper sind etwa 0,47 für eine Kugel, 0,50 für einen Kegel oder 1,05 für einen Würfel. Erinnern wir uns an das, was wir eingangs festgestellt haben: Bei einem herkömmlichen Serienpersonenwagen liegt der cw-Wert zwischen 0,25 und 0,30; bei einem Lkw bei etwa 0,7; und bei einem Formel-1-Auto mit unverkleideten Rädern und variablen Flügeln kann er … von 0,7–0,8 bei Rennen auf Strecken wie Monza bis hin zu etwa 1,2 in Monaco reichen!

Wir konzentrieren uns hier nur auf den Beiwert in Richtung der X-Achse, in der sich das Fahrzeug bewegt. Es gibt aber auch die Beiwerte Cy (seitlich) und Cz (vertikal). Sie sind für unser Thema nicht direkt relevant, aber man sollte wissen, dass bei einem F1-Wagen der cw-Wert zugunsten eines hohen Cz-Wertes geopfert wird (der für Abtrieb sorgt), indem man mit der Flügelkonfiguration spielt. Deshalb hat ein F1-Wagen auf „schnellen“ Strecken, wo wenig Abtrieb gefragt ist, einen besseren cw-Wert als auf langsamen Strecken, wo der aerodynamische Widerstand weniger ins Gewicht fällt, aber das Auto am Boden „kleben“ soll, um die Kurvenfahrt zu begünstigen.
Die Stirnfläche

Die Stirnfläche ist der einfachste Begriff in dieser Gleichung: Sie bezeichnet die Größe der Luftfläche, die das Objekt beim Vorwärtsfahren verdrängen muss. Anders gesagt: die Fläche, die es von vorne betrachtet einnimmt. Bei einem Fahrzeug spielen hier die Abmessungen der Karosserie eine Rolle, aber auch die Außenspiegel, die Reifen …

Die Stirnfläche eines Personenwagens kann etwa 2 Quadratmeter betragen. Die eines Formel-1-Einsitzers liegt bei rund 1,4 Quadratmetern. Und die eines modernen Lkw bei etwa 8–9 Quadratmetern. Klar ist, dass

die effizienteste Form für einen großen Innenraum (bei einem Lkw die Kastenform) am wenigsten effizient in Bezug auf den aerodynamischen Widerstand ist, denn sie hat die größte Stirnfläche.

Um die Aerodynamik zu verbessern, verwenden Lkw beispielsweise Dachdeflektoren. Diese Deflektoren verändern die Stirnfläche nicht, wohl aber den cw-Wert. Bei einem Serienauto wie dem Audi e-tron verbessert der Austausch der herkömmlichen Außenspiegel durch virtuelle Spiegel beides: weniger Stirnfläche und einen besseren cw-Wert.

Ein weiterer wichtiger Punkt bei der Aerodynamik ist die Gestaltung des hinteren Teils des Fahrzeugs, fast so wichtig wie die Front, denn die Luft soll möglichst schnell und gleichmäßig über die Karosserie strömen und hinten wieder austreten, ohne Turbulenzen oder Schichten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten zu erzeugen, die die Aerodynamik beeinträchtigen. Wir werden auf diesen Abschnitt hier jedoch nicht näher eingehen.
Der Lkw, der Formel-1-Wagen und die Mathematik

Mit diesen drei Konzepten fällt es deutlich leichter, die Gleichung zu verstehen, die die Frage dieses Artikels beantwortet. Denn der cw-Wert eines Objekts sagt für sich allein wenig aus, wenn er nicht mit der Stirnfläche in Verbindung gebracht wird.

Bei gleichem cw-Wert hat ein Objekt mit größerer Stirnfläche einen größeren aerodynamischen Widerstand. Deshalb

verbraucht ein SUV bei gleicher Leistung mehr als ein Personenwagen, denn der cw-Wert kann sogar gleich sein, aber das SUV hat die größere Stirnfläche.

Wir haben bereits gesehen, dass ein Formel-1-Wagen tatsächlich einen ungünstigeren cw-Wert hat als ein Lkw. Sein aerodynamischer Widerstand ist dennoch geringer, denn dieser Widerstand ist direkt proporционаl zum Produkt aus cw-Wert (Cw) und Stirnfläche (A). Nennen wir dieses Produkt CwA: Bei einem Formel-1-Wagen kann es etwa 1,4–1,5 betragen, während der CwA-Wert eines Lkw etwa 4-mal so hoch ist wie der eines Formel-1-Wagens. Obwohl sein cw-Wert günstiger ist, ist der aerodynamische Widerstand schlechter.

Eine weitere interessante Frage ist der Faktor Geschwindigkeit. Wie Sie sich erinnern, sagten wir, dass der aerodynamische Widerstand proportional zur Luftdichte, zum CwA-Wert und zum Quadrat der Geschwindigkeit ist. Sie können den Rechner nutzen, um den Unterschied im aerodynamischen Widerstand zu sehen, den ein Lkw bei seiner Höchstgeschwindigkeit von etwa 100 km/h überwinden muss, und den, den ein Formel-1-Wagen bei dem Dreifachen dieser Geschwindigkeit überwinden muss.

Ich möchte hier noch darauf hinweisen, dass es auch einen Zusammenhang zwischen aerodynamischem Widerstand, Geschwindigkeit und Leistung gibt, den man kennen sollte. Konkret ist die Leistung, die nötig ist, um einen bestimmten aerodynamischen Widerstand zu überwinden, nicht proportional zur Geschwindigkeit, sondern zu deren dritter Potenz. Deshalb kann ein Auto mit einer eher „durchschnittlichen“ Aerodynamik die Marke von 200 km/h mit gerade einmal 150 PS erreichen, während man, um die Höchstgeschwindigkeit ohne Änderung der Aerodynamik zu verdoppeln, die Leistung mehr als versechsfachen muss. Aber das ist eine andere Geschichte, die einen neuen Artikel verdient.