Warum der velofahrende Mensch zu den effizientesten Lebewesen gehört

In dem Moment, in dem sich die Pedale drehen, konkurriert man energetisch nicht nur mit Joggern im Park, sondern rein rechnerisch auch mit fliegenden Vögeln und schwimmenden Fischen. Die Pendelstrecke wird damit zu einem kleinen biomechanischen Wunder.

Die Frage, wie effizient sich Lebewesen fortbewegen, beschäftigt die Wissenschaft seit Jahrzehnten. Eine der zentralen Kennzahlen sind die sogenannten «Cost of Transport» (COT), also die Energiemenge, die ein Organismus pro Kilogramm Körpergewicht und pro zurückgelegtem Meter benötigt. Je kleiner dieser Wert, desto effizienter ist die Fortbewegung. 

Je grösser, umso effizienter

Eine führende Arbeit zu diesem Thema stammt von dem britischen Biomechaniker R. McNeill Alexander. In seiner Studie «The Cost of Transport and Body Size in Terrestrial Animals» (Journal of Zoology, 1977) zeigte Alexander, dass grössere Tiere beim Laufen pro Kilogramm Körpermasse tendenziell weniger Energie verbrauchen als kleinere. Ein Hund oder ein Pferd bewegt sich pro Kilogramm Körpergewicht effizienter als eine Maus. Ausserdem konnte der Forscher zeigen, dass der Mensch im Vergleich zu ähnlich schweren Säugetieren kein besonders effizienter Läufer ist.

Praktisch bedeutet das: Wer zu Fuss unterwegs ist, verbraucht für einen Kilometer grob zwischen 50 und 70 Kilokalorien, je nach Tempo und Körpergewicht. Das entspricht ungefähr einem kleinen Apfel pro Kilometer. Auf einer druchschnittlichen Pendelstrecke von fünf Kilometern sind das bereits gut 300 Kilokalorien.

Zwei Räder verändern alles

Dass sich dieses Verhältnis dramatisch ändert, sobald zwei Räder ins Spiel kommen, wurde unter anderem in einer Analyse im «American Journal of Physics» (1983) gezeigt. Dort verglichen Forschende biologische und technische Fortbewegungssysteme anhand ihres Energieaufwands. 

Das Resultat: Ein Mensch auf dem Velo benötigt für denselben Kilometer nur etwa ein Drittel bis die Hälfte der Energie des Gehens. In praktischen Zahlen heisst das rund 20 bis 30 Kilokalorien pro Kilometer, also eher ein halber Apfel statt ein ganzer.

Den Vergleich des Zweirads zur Tierwelt wurde bereits in einen Artikel in Scientific American aus dem Jahr 1973 gezogen. Dort wurde argumentiert, dass ein Mensch auf einem Velo, gemessen am Energieaufwand pro Gewicht und Strecke, effizienter unterwegs sei als nahezu jedes andere bekannte Tier.

In der Liga der Kondore

In späteren Zusammenstellungen, etwa in Principles of Animal Locomotion (2003), wird deutlich, dass nur spezialisierte Fortbewegungsformen wie das Segelfliegen grosser Vögel oder das Schwimmen stromlinienförmiger Fische ähnlich günstige Werte wie der velofahrende Mensch erreichen.

 Ein Mensch auf einem Fahrrad bewegt sich, gemessen am Energieaufwand pro Gewicht und Strecke, in einer Liga mit Kondoren im Gleitflug und deutlich effizienter als die meisten gehenden Landtiere. Während ein trabendes Pferd etwa seine Muskelenergie fortlaufend gegen die Schwerkraft einsetzen muss, verwandelt das Fahrrad die menschliche Muskelarbeit verlustarm in eine Rollbewegung.

Biologisch betrachtet bleibt der Mensch also ein mittelmässiger Läufer, technisch erweitert durch das Velo wird er jedoch zu einem der effizientesten «Fortbewegungssysteme» im Tiervergleich.

Leichtigkeit im Alltag

Im Alltag wird diese Effizienz spürbar, sobald man eine konstante Geschwindigkeit erreicht. Während beim Gehen jeder Schritt den Körper leicht anhebt und wieder absenkt, was Energie kostet, gleitet das Velo gleichmässig dahin. Die Muskelarbeit wird über Kette und Zahnkranz verlustarm übertragen, und die Räder reduzieren den Reibungswiderstand drastisch. Selbst moderate Geschwindigkeiten von 15 bis 20 km/h lassen sich mit erstaunlich geringem Energieeinsatz halten. Wer schon einmal nach einer längeren, flachen Radtour überrascht festgestellt hat, wie weit man mit «so wenig Anstrengung» gekommen ist, erlebt genau diesen physikalischen Vorteil.

Zwei Räder, ein Rahmen, eine Kette – mehr braucht es nicht, um aus einem energetisch mittelmässigen Läufer einen der effizientesten Reisenden im Tierreich zu machen. Vielleicht liegt gerade darin seine zeitlose Aktualität: Wer heute aufs Velo steigt, betreibt nicht nur Fortbewegung, sondern angewandte Physik mit erstaunlich wenig Energie.