Powermeter

Ein Powermeter, auch Wattmesser^[1], misst die Tretleistung beim Fahrradfahren. Es kommt vor allem im Training und bei Rennen zum Einsatz.

Vor Einführung von Powermetern war eine genaue Leistungsmessung nur auf stationären Geräten möglich, während der Fahrt wurde die Leistung nach gefühlter Belastung und, ab den späten 1970er Jahren, mittels Herzfrequenzsensoren geschätzt.^[2]

1986 entwickelte Ulrich „Uli“ Schoberer das erste mobile Powermeter, für welches er 1987 ein Patent^[3] erhielt.^[4][5] Das Grundprinzip, über Dehnungsmessstreifen (hier zwischen Kurbel und Kettenblatt) die aufgebrachte Kraft zu messen,^[3] ist auch Grundlage vieler moderner Powermeter. Die über die Schoberer Rad Messtechnik (SRM) vertriebenen Modelle blieben aufgrund der hohen Preise von teilweise über 10.000 US-Dollar zunächst weitestgehend auf professionelle Sportler beschränkt. Später kamen günstigere Optionen auf den Markt und Wattmesser konnten sich ab Mitte der 2000er Jahre im ambitionierten Hobbysport verbreiten.^[6][2]

1997 wurde das erste in die Hinterradnabe integrierte Powermeter von Etune vorgestellt. Das Unternehmen wurde später von CycleOps übernommen.^[6]

2002 stellte Ergomo ein in das Tretlager integriertes Powermeter vor, welches über optische Sensoren die Verwindung messen konnte.^[6]

Ab 2008 wurden von MetriGear die ersten Pedale mit integrierter Leistungsmessung entwickelt, das Unternehmen wurde von 2010 von Garmin aufgekauft.^[6] Die ersten kommerziell erhältlichen Modelle waren die 2011 vorgestellten Look KeO Power und die kurz darauf folgenden Garmin Vector.^[4][5]

Zur direkten Kraftmessung werden verschiedene Verfahren verwendet. Um genaue Ergebnisse zu erzielen, müssen Umweltfaktoren wie die Temperatur und alterungsbedingte Materialveränderungen berücksichtigt bzw. ausgeglichen werden. Üblicherweise wird die Leistung über das direkt gemessene Drehmoment und die Winkelgeschwindigkeit errechnet.^[7]

Dehnungsmessstreifen

Dehnungsmessstreifen ändern bei einer Verformung ihren elektrischen Widerstand. Nach einer Kalibrierung kann so aus einer bekannten Widerstandsänderung ein Drehmoment abgeleitet werden. Dies ist das gängigste Messverfahren.^[6][7]

Resonant String Gauge

Bei dieser Messmethode verändert sich unter Dehnung oder Stauchung die Eigenfrequenz des Sensors.^[7]

Optische Messung

Bei der optischen Messung wird die Veränderung einer oder mehrerer Rechteckschwingungen durch die Verformung des Sensors gemessen.^[8]

Die Winkelgeschwindigkeit kann über einen oder mehrere Magnetsensoren, welche die Umlauffrequenz erfassen, oder Akzelerometer gemessen werden.^[7]

Nach Newtons drittem Gesetz entsprechen die dem Fahrer entgegengesetzten Kräfte der aufgewendeten Kraft. Durch die Messung der Rollgeschwindigkeit, der Windgeschwindigkeit, der barometrischen Höhe, der Geschwindigkeit und der Kombination mit bekannten Parametern wie dem Gewicht und dem Rollwiderstand kann so die aufgebrachte Kraft errechnet werden.^[4] In Kombination mit einer direkten Messmethode können Luft- und Rollwiderstand gemessen und optimiert werden.^[6]

Die Genauigkeit von Powermetern ist vom Gerät selbst und externen Faktoren abhängig. Die Geräte mit Dehnungsmessungsstreifen von SRM werden von einigen Autoren als Goldstandard für mobile Powermeter gesehen.^[5][6][7]

Bei Pedalen und Kurbelarmen kann die Messung über Sensoren auf einer oder beiden Seiten erfolgen. Die Abweichung in der Tretleistung zwischen rechtem und linkem Bein beträgt etwa 5 %, weswegen eine beidseitige Messung genauere Aufschlüsselung der Ergebnisse ermöglicht.^[6][9]

Durch Reibungsverluste messen antriebsseitige Geräte (z. B. Pedale) systematisch höhere Werte als abtriebsseitige (z. B. Nabe), letztere haben eine reduzierte Richtigkeit. Durch Kalibration kann diese Diskrepanz ausgeglichen werden.^[7]

Ein ovales Kettenblatt kann bei einer Messung an der Kurbel falsch hohe Werte verursachen, da die Winkelgeschwindigkeit des Kettenblatts nicht gleichmäßig ist.^[6]

Die Leistung kann mit anderen Daten wie dem GPS-Track, der Geschwindigkeit, barometrischen Höhendaten, der Herzfrequenz und der Kadenz kombiniert werden, und für Trainings- oder Rennzwecke analysiert werden.

Ursprünglich wurden die Daten über Kabel übertragen.^[4] Modelle ab etwa 2010 können in der Regel über drahtlose Standards wie Bluetooth, Bluetooth Low Energy oder ANT+ mit Fahrradcomputern oder Smartphones verbunden werden, welche die aktuelle Leistung anzeigen und aufzeichnen können. Die Daten können von diesen Geräten üblicherweise auch direkt bei cloudbasierten Diensten der Powermeterhersteller oder Fitness-Tracking-Apps wie Strava oder Komoot hochgeladen werden.^[6]

Teilweise sind Funktionen von Powermetern von der Verfügbarkeit von herstellerseitigen Onlinediensten abhängig. Nachdem Shimano 2020 die Powermetersparte von Pioneer aufkaufte, stellte es im Folgejahr den Betrieb der Server ein. Nutzer können seitdem ihre Daten von manchen Powermetern nicht mehr kabellos an andere Geräte übertragen und sind auf Workarounds für den Export zu anderen Diensten angewiesen.^[10]

Powermeter im Bereich der Kurbel sind neben pedalbasierten Systemen am häufigsten.^[11] Sie verwenden üblicherweise Dehnungsmessstreifen.^[7]

Kurbelarm

Die Messung am Kurbelarm ermöglicht eine breite Kompatibilität und eine vergleichsweise einfache Nachrüstung. Häufig wird nur der linke, nicht direkt mit dem Kettenblatt verbundene Arm zur Messung verwendet, und der gemessene Wert verdoppelt, um die Gesamtleistung zu errechnen. Durch den zusätzlichen Raumbedarf des Sensors auf der Innenseite bieten manche Rahmen nicht genug Platz bei den Kettenstreben.^[9][11]

Kurbelstern oder Spider

Im Kurbelstern wird die Kraft beider Beine zwischen der Tretlagerachse und dem Kettenblatt gleichzeitig gemessen. Aufgrund verschiedener Lochkreisdurchmesser und Tretlagerstandards sind Powermeter im Kurbelstern nicht mit allen Rahmen kompatibel.^[6]

Kettenblatt

Das Powermeter wird hier auf den Kurbelstern aufgeschraubt und ersetzt das Kettenblatt. Die äußerste, verschleißende Schicht des Kettenblatts ist austauschbar.

Wie bei einer Messung im Kurbelstern wird die Kraft beider Beine gleichzeitig gemessen, das Gerät ist jedoch mit mehr Fahrrädern kompatibel und kann einfacher getauscht werden.^[6]

Pedalsysteme mit Wattmessung verwenden üblicherweise Resonant String Gauges.^[7]

Im Vergleich zu anderen Systemen lassen sie sich besonders einfach nachrüsten oder an mehreren Fahrrädern verwenden. Sie ermöglichen zudem die Unterscheidung zwischen tangentialen und radialen Kräften.^[4][6]

Aufgrund verschiedener Tretlagerstandards und des vergleichsweise aufwändigen Einbaus sind diese Powermeter selten.^[11]

Von der Firma Ergomo wurden ab 2002 optische Sensoren an der Tretlagerachse verwendet. Da die rechte Seite der Achse fest mit dem Antriebsstrang verbunden ist, wurde die Verwindung nur links gemessen. Durch die Verbreitung neuerer Tretlagertypen wurde diese Messmethode verdrängt und wird heute nicht mehr angeboten.^[6]

Ein in die Nabe integriertes Powermeter ermöglicht die Nutzung in verschiedenen Rahmen. Das gleiche Laufrad für Training und Rennen zu verwenden wird als nachteilig gesehen. Aufgrund von Verlusten im Antriebsstrang ist die Leistung in der Hinterradnabe geringer als bei anderen Messpunkten.^[12][13] Sie wurden von anderen Systemen weitestgehend verdrängt.^[11][4]

Wichtigster Hersteller von nabenbasierten Powermetern war der amerikanische Hersteller CycleOps, bei dessen PowerTap-Serie Dehnungsmessstreifen zwischen Freilaufkörper und Nabe die Kraft erfassten.^[4]

Durch Messung Umlaufgeschwindigkeit der Fahrradkette über ein Schalträdchen und der Kettenspannung kann die aktuelle Leistung berechnet werden. Diese Technologie wurde zeitweise von Polar verwendet. Sie war leicht nachrüstbar, jedoch vergleichsweise ungenau.^[4]

Mehrere Unternehmen stellten Prototypen von in Schuhplatten integrierten Powermetern vor. Mit Stand 2023 wurde kein solches Produkt in Serie produziert.^[14]

Im Radsport und Triathlon haben sich Powermeter als Kern moderner Trainingskonzepte etabliert. Im Gegensatz zur subjektiven gefühlten Belastung und anderen Messgrößen wie der Herzfrequenz oder der Geschwindigkeit, welche durch Umwelteinflüsse und individuelle Unterschiede verzerrt werden oder verzögert reagieren, sind die Wattmessungen gut zwischen verschiedenen Fahrten und Fahrern vergleichbar. Für ein strukturiertes Training werden viele Datenpunkte zu einem Gesamtbild synthetisiert.^{[2][15]:3 ff.}

Powermeter werden auch in Kombination mit Rollentrainern verwendet, insbesondere Modelle mit Direktantrieb haben ein solches häufig auch eingebaut. Anbieter für virtuelles Training wie Zwift können die Daten von Powermetern verwenden, um eine realistischere Simulation zu bieten.^[11]

Bei professionellen Radrennen ist der Einsatz eines Powermeters mit gekoppeltem Fahrradcomputer üblich.^[16] Andy Schlecks Sieg bei der Tour de France 2010 war der letzte, der ohne die Verwendung eines Powermeters erreicht wurde.^[17]

Der Renneinsatz von Powermetern und weiterer technologischer Hilfsmittel wie Funkgeräten wurde kontrovers diskutiert. Kritiker wie Alberto Contador und Nairo Quintana führten an, dass durch die konstante Verfügbarkeit objektiver Leistungsdaten Intuition und fahrerisches Können in den Hintergrund geraten, und Rennen durch eine zu datenlastige Strategie steril würden. Andere schätzen den Einfluss auf den Rennbetrieb als gering ein.^[16]

2018 setzte sich Christian Prudhomme, damaliger Renndirektor der Tour de France, für ein Verbot von Powermetern bei Rennen ein,^[18] während manche ehemalige Fahrer wie Lance Armstrong forderten, Powermeterdaten live zu veröffentlichen.^[19] Mit Stand 2023 sind Powermeter nach den Regeln der UCI im Renneinsatz zugelassen.^[20]

Powermeter werden auch in Rehabilitationprogrammen und zu Forschungszwecken verwendet.^[7]

Mit der Popularität von Powermetern haben sich verschiedene leistungsbasierte Kenngrößen für Vergleichszwecke etabliert. Diese werden üblicherweise als absolute Werte in Watt oder als gewichtsbezogene Leistungsdichte in Watt/Kilogramm angegeben. Da an Steigungen ein Großteil der Energie verwendet wird, um das eigene Körpergewicht zu heben, ist die Leistungsdichte vor allem für Bergfahrer relevant.^[21][22]

Die funktionale Schwellenleistung ist die höchste Dauerleistung, die eine Stunde lang gehalten werden kann, und entspricht etwa der anaeroben Schwelle. Der absolute Wert ist vor allem für Zeitfahrer relevant.^{[2][15]:52 ff.}

Auch als Peak Output (PO) bezeichnet, wird hier die maximal mobilisierbare Schnellkraft auf einer Strecke von 50–100 Metern gemessen. Sie dient vor allem zum Vergleich von Sprintern.^[23][24]

Commons: Power meter (bike) – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

1. ↑ Robert Kühnen: Test 2021: Powermeter bis 1.000 Euro - Wie war ich? In: TOUR. 21. Januar 2021, abgerufen am 24. Juli 2023. 
2. ↑ ^{a b c d} Joe Friel: Die Trainingsbibel für Radsportler. 3. Ausgabe, dritte, komplett überarbeitete und aktualisierte deutschsprachige Ausgabe Auflage. Covadonga Verlag, Bielefeld 2019, ISBN 978-3-95726-036-9, Kap. 4 "Trainingsintensität". 
3. ↑ ^{a b} Patent DE3722728C1: Leistungsmesser für einen Kurbelantrieb. Erfinder: Ulrich Schoberer.‌
4. ↑ ^{a b c d e f g h} Richard Hallett: The Bike Deconstructed. Princeton Architectural Press, New York 2014, ISBN 978-1-61689-228-9, S. 170 ff. (englisch). 
5. ↑ ^{a b c} James L. Witherell: Bicycle History: A Chronological Cycling History of People, Races, and Technology. 2. Auflage. McGann, 2010, ISBN 978-0-9859636-5-1 (englisch). 
6. ↑ ^{a b c d e f g h i j k l m n} Hunter Allen, Andrew Coggan, Stephen McGregor: Training + Racing With a Power Meter. 3. Auflage. VeloPress, Boulder, Colorado 2019, ISBN 978-1-948006-10-1, Kap. 2 "Power Tools" (englisch). 
7. ↑ ^{a b c d e f g h i} Anthony Bouillod, Georges Soto-Romero, Frederic Grappe, William Bertucci, Emmanuel Brunet, Johan Cassirame: Caveats and Recommendations to Assess the Validity and Reliability of Cycling Power Meters: A Systematic Scoping Review. In: Sensors. Band 22, Nr. 1, Januar 2022, ISSN 1424-8220, S. 386, doi:10.3390/s22010386, PMID 35009945, PMC 8749704 (freier Volltext) – (mdpi.com [abgerufen am 26. Juli 2023]). 
8. ↑ A. Kirkland, D. Coleman, J. Wiles, J. Hopker: Validity and Reliability of the Ergomo®pro Powermeter. In: International Journal of Sports Medicine. Band 29, Nr. 11, November 2008, ISSN 0172-4622, S. 913–916, doi:10.1055/s-2008-1038621 (thieme-connect.de [abgerufen am 26. Juli 2023]). 
9. ↑ ^{a b} Robert Kühnen: Leistungsmesser fürs Rennrad: Pedale oder Kurbel – was ist besser? In: Tour. 11. März 2021, abgerufen am 26. Juli 2023. 
10. ↑ Shimano Kills Off Pioneer’s Bike Computers In The Ugliest Way Possible. In: DC Rainmaker. 10. Juni 2021, abgerufen am 22. Juli 2023 (amerikanisches Englisch). 
11. ↑ ^{a b c d e} Aaron Borrill: Best power meters: Precise, accurate, and reliable data. In: Cycling News. 7. März 2022, abgerufen am 26. Juli 2023 (englisch). 
12. ↑ Oliver Bridgewood: PowerTap G3 Hub review. In: Cycling Weekly. 13. April 2017, abgerufen am 27. Juli 2023 (englisch). 
13. ↑ Praxistest: Leistungsmessung mit Powertap. In: TOUR. 10. Mai 2007, abgerufen am 22. Juli 2023. 
14. ↑ Alan Coté: Are cleat-based power meters on the way? In: Velo. 9. März 2021, abgerufen am 27. Juli 2023 (amerikanisches Englisch). 
15. ↑ ^{a b} Joe Friel: The Power Meter Handbook. Velopress, Boulder, CO 2012, ISBN 978-1-934030-95-0 (englisch). 
16. ↑ ^{a b} Peter Cossins: How the Race was Won. VeloPress, 2018, ISBN 978-1-948006-07-1, Kap. 12 "Is Technology Killing Tactics?" (englisch). 
17. ↑ Michelle Arthurs-Brennan: Tour de France winning bikes: Pinarello is the top dog. In: Cycling Weekly. 28. Juni 2022, abgerufen am 26. Juli 2023 (englisch). 
18. ↑ Prudhomme spricht sich für Verbot von Powermetern aus. In: Radsport-News.com. 25. Oktober 2018, abgerufen am 26. Juli 2023. 
19. ↑ Alex Ballinger: Watts the problem? Pros give their views on proposed power meter ban. In: Cycling Weekly. 11. November 2018, abgerufen am 26. Juli 2023 (englisch). 
20. ↑ UCI Cycling Regulations - Part 1 General Organisation of Cycling as a Sport. Union Cycliste Internationale, 17. Juli 2023, §4 1.3.006 bis (ctfassets.net [PDF; abgerufen am 26. Juli 2023]). 
21. ↑ Joe Friel: Die Trainingsbibel für Radsportler. 3. Ausgabe, dritte, komplett überarbeitete und aktualisierte deutschsprachige Ausgabe Auflage. Covadonga Verlag, Bielefeld 2019, ISBN 978-3-95726-036-9, Kap. 5 "Der Einstieg". 
22. ↑ Hunter Allen, Andrew Coggan, Stephen McGregor: Training + Racing With a Power Meter. 3. Auflage. VeloPress, Boulder, Colorado 2019, ISBN 978-1-948006-10-1, Kap.4 "Determining Your Strengths and Weaknesses" (englisch). 
23. ↑ Hunter Allen, Andrew Coggan, Stephen McGregor: Training + Racing With a Power Meter. 3. Auflage. VeloPress, Boulder, Colorado 2019, ISBN 978-1-948006-10-1, Kap.3 "Power-Based Training: Where to Begin?" (englisch). 
24. ↑ Joe Friel: Die Trainingsbibel für Radsportler. 3. Ausgabe, dritte, komplett überarbeitete und aktualisierte deutschsprachige Ausgabe Auflage. Covadonga Verlag, Bielefeld 2019, ISBN 978-3-95726-036-9, Kap. 2 "Physische Leistung".