De rol van de mens bij het ontwerpen van een racefiets is uitgespeeld, stelt Chris Yu, Director of Integrated Technologies van Specialized. In plaats daarvan neemt de computer het over en gaat het in sneltreinvaart naar de perfecte racer.

Foto’s: Valentin Rapp

Ooit, een jaar of 30, 40 geleden, was het leven simpel. Je ging naar je fietsenmaker voor een racefiets en kwam dan veelal terug met een Gazelle Champion Mondial, omdat je fietsenmaker daar dealer van was. Had je een fietsenmaker die zelf frames soldeerde, dan werd het een Zieleman, of een Rih, of een Visser Vainqueur. Maar veel verschil zat er niet in. De buizen, je kon kiezen uit Reynolds 531 of Columbus SL, werden in een soldeermal geplaatst en aan elkaar gesoldeerd met lugs als verbinding. Naar geometrie werd een beetje gekeken, gewicht al een stuk minder en van aerodynamica had nog niemand gehoord.

Hoe anders is het nu. Je kunt kiezen uit tientallen merken die allemaal verschillende soorten fietsen op de markt brengen. Dus niet alleen minder luxe, maar ook gewoon verschillend van elkaar. Performance racers, aero racers of klimfietsen: ze hebben allemaal hun specifieke kwaliteiten en ze worden allemaal op hun eigen manier ontworpen. Buizensets worden gemixt om het rijgevoel van een fiets te beïnvloeden. Hoeken worden veranderd om de luchtweerstand te verbeteren. Het is dat de UCI vasthoudt aan de diamantvorm van de fiets, anders waren de racers van nu in niets meer te vergelijken met de hoogtijdagen van de Champion Mondial. En het heeft wat opgeleverd. De fietsen rijden beter. Echt, een instapmodel van nu is significant beter dan het topmodel van toen.

En we zijn nog maar net begonnen bij de zoektocht naar de perfecte racer, zegt Chris Yu, officieel Director of Integrated Technologies van Specialized. Waarom? De computer krijgt steeds meer vat op het ontwerptraject en is nu al bepalend voor de snelheid van het ontwerpen. “Ik denk dat het nu al onmogelijk is voor een mens alleen om een fiets te ontwerpen, zonder computer om daarbij te helpen. Het traditionele ontwerpproces, van tekenen, windtunneltesten, behoort tot het verleden. Het is te langzaam en je kunt te weinig mogelijkheden onderzoeken. Als je de huidige generatie fietsen wilt verbeteren, dan moet je de hulp inroepen van een computer.”

Aan de hand van de levensloop van de Specialized Venge, zijn meest recente paradepaardje, laat Yu zien hoe het ontwerpen van een fiets het laatste decennium is veranderd. “Om te illustreren hoe krachtig dit proces is en waarom we steeds meer leunen op computers om het ontwerp te doen: de research en ontwikkeling van de Venge ViAs kostte bijna twee jaar. De eerste 8 maanden zaten we constant in de windtunnel en kwamen we niet voorbij de eerste generatie. Het kostte nog eens acht maanden windtunnel om die te verbeteren. Als je dan het nieuwste model neemt, dan zie je dat we eerst vier maanden hebben besteed aan het schrijven van de software. Daarna hebben we een maand nodig gehad om de simulaties te doen met die software. En na vijf maanden hadden we een eerste prototype. Dat prototype, een 3D geprinte plastic fiets, was al sneller dan de ViAs.”

Simulaties? Ja. Waarom in de windtunnel en buiten testen, als je dat ook binnen op de computer kunt doen? “Van de 1000 keer dat je dat als ingenieur een mogelijke verbetering probeert, kom je 999 keer verkeerd uit. Slechts één keer heb je daadwerkelijk een verbetering te pakken. Door te simuleren op de computer kun je veel gemakkelijker die duizend verschillende aanpassingen doorrekenen.”

NASA

Dat is in veel industrieën al gemeengoed; in de fietsbranche komt dat er nu voorzichtig in. Yu is van oorsprong een luchtvaartingenieur. Hij studeerde in 2008 af aan de Universiteit van Stanford in Californië en had tijdens zijn stage bij NASA al gezien hoe krachtig computers werken bij industrieel ontwerpen. De Amerikaanse ruimtevaartorganisatie gebruikte al computers toen de rest van de wereld nog per postduif communiceerde. Eenmaal bij Specialized kon hij die kennis implementeren. In detail vertelt hij de stappen die werden gezet bij de drie generaties Venge. “De eerste generatie had als pay-off meer bike than aero. Dus een snelle aero bike, maar ook een goede racer en redelijk licht. Dus we wilden handling, aero en gewicht optimaal afstemmen. Het gereedschap dat we hadden was een windtunnel, die we huurden, en gelimiteerde simulatiemogelijkheden van de aerodynamica (CFT-waarden). Het ontwerpen ging erg langzaam; na een jaar ontwerpen hadden we vijf prototypes. We maakten er een, vlogen naar de windtunnel en moesten gaan aanpassen.

De tweede generatie, de ViAs, was anders. Aerodynamica was het belangrijkst. Het moest de snelste fiets zijn, niet de lichtste of stijfste. Ook de gereedschappen waren anders. In de tussentijd hadden we een eigen windtunnel gekocht en ons computerprogramma was verbeterd: we konden veel meer simulaties doen. In plaats van vijf prototypes hadden we er nu honderd. We maakten er een, liepen naar de overkant van de straat naar de windtunnel en pasten het frame weer aan. Dat ging veel sneller. Het maakte de fiets ook complexer. Als je alleen al naar de liggende buis kijkt, zie je veel verschillende vormen in een buis. Dat werkt prima voor aerodynamica, maar voor een stijve fiets werkt dat juist niet. Om die stijfheid op peil te houden, moesten we extra lagen carbon gebruiken. Dat kwam het gewicht niet ten goede; de Venge ViAs is een relatief zware fiets.

Dus toen we de derde generatie gingen ontwikkelen, de fiets die nu in de winkel staat, zochten we weer de balans op, de mentaliteit van de eerste generatie. Het doel was de aerodynamica te behouden, maar tegelijk het gewicht en de stijfheid te verbeteren. Dat is gemakkelijker gezegd dan gedaan. Normaal gesproken geldt: als je dezelfde hoeveelheid ontwerptijd en dezelfde gereedschappen gebruikt, het resultaat van je inspanningen hetzelfde is. Dus er moest iets nieuws worden bedacht: meer prototypes. Duizenden, tienduizenden. Dat vereiste een nieuw proces, dat we Free Shape Optimization noemen. Dat is een software simulatieprogramma, speciaal door ons ontwikkeld. Dan gaat de software de vorm van de buizen optimaliseren om de luchtweerstand te verminderen. Het Free Shape, omdat het letterlijk elke vorm kan zijn, als je er maar de juiste vereisten invoert. Als je die aanpast, zie je ook de vorm van de buizen veranderen in het simulatieprogramma. Door te simuleren konden we echt tienduizenden varianten maken.”

Buizenbibliotheek

Het ontwerpen van een frame draait om de verhouding van de drie kernkwaliteiten van dat frame: rijgedrag (stijfheid), gewicht en aerodynamica. De drie zijn in veel gevallen communicerende vaten: je kunt de een verbeteren, maar dan wordt de ander slechter. “Stel je voor dat je een ingenieur bent met een buis en je denkt: ik wil die buis beter maken. Stijver, of aerodynamischer. Dan kun je ‘m dunner en langer maken, waardoor de luchtweerstand afneemt. Het gewicht blijft gelijk, maar de stijfheid neemt af. Je kunt ‘m ook stijver maken en dan maak je de buis ronder, waardoor de aerodynamica vermindert. Zo ruil je de prestaties uit tegen elkaar. Dit soort beslissingen kan een ingenieur maken voor alle verschillende buizen van een frame, die dan ook nog eens invloed op elkaar hebben. Je begrijpt dat je dat handmatig niet kunt doen. Je kunt het gewoon niet onbeperkt uitproberen, dus moet je een compromis accepteren.”

In het computerprogramma is elke buisvorm van een dataset voorzien. In die dataset zitten gegevens die zijn ontdekt in de windtunnel, de CFT-waarden, maar ook de stijfheid, het gewicht, de eisen die de UCI stelt, de maat. “We noemen het de FreeFoil Shape Library, omdat het een soort bibliotheek is van buisvormen. We baseren die buisvormen op de cirkel, waarbij de perfecte cirkel 1:1 is. Al die vormen in de bibliotheek zijn geoptimaliseerd. Je kunt dan een buis niet aerodynamischer maken, zonder de buis ook zwaarder te maken. Het is ook onmogelijk om de vorm lichter te maken, zonder dat de luchtweerstand achteruit gaat. Daarbij hoort ook een bijpassende stijfheid. Dan gaan de ingenieurs aan de slag om een prototype te maken van de beste combinatie van buizen voor het doel van de fiets.

“Helaas zijn we nog niet zo ver dat de simulatie de ideale fiets uitspuugt. Dat komt met name omdat we in de buizenbibliotheek de kabelroutes niet meenemen. En we zagen dat het invoeren van de kabels ergens luchtweerstand opleverde, die we moesten wegwerken. Dat kon alleen met windtunneltesten, waarna we weer terug moesten naar de computer. Dus we zullen moeten blijven aanpassen.”

Perfecte fiets

De mens speelt volgens Yu vooral een rol bij het vergaren van data. “We werken heel veel samen met profs, om een recept te vinden dat een goede handeling van de fiets oplevert. Het gaat dan om een combinatie, van afdalen, sturen in het peloton, sprinten. Hun feedback stoppen we in onze buizenbibliotheek, waarna we de gegevens kunnen gebruiken in simulatie.”

Komen we op deze manier steeds dichter bij de perfecte fiets, die een optimale balans heeft tussen rijeigenschappen, gewicht en aerodynamica? “Je ziet door de generaties fietsen bij elkaar komen. Neem de Tarmac SL6 van ons, die is aerodynamischer dan de eerste generatie Venge, maar ook veel lichter. De nieuwe Venge is weer 10 watt sneller bij 40 kilometer per uur maar 160 gram zwaarder dan de Tarmac. Het kan best dat we naar de perfecte fiets toewerken, maar nu is het verschil nog groot genoeg om relevant te zijn. Neem onze sprinters, als Sagan en Viviani, die letterlijk vechten om een paar centimeter die het verschil tussen winst en verlies kunnen bepalen. Het is niet eerlijk om tegen hen te zeggen dat ze een Tarmac moeten hebben. Tegelijk geldt hetzelfde voor de klimmers om te zeggen dat ze een Venge moeten pakken, die bijna 200 gram zwaarder is. Het verschil wordt kleiner en is voor consumenten niet meer van belang. Alleen voor profs.”