Neospevovaní hrdinovia bicykla, myslíme si, že je načase, aby si prehovorili zaslúžený rešpekt
Tieto tenké pramene drôtu vykonávajú neúnavne náročnú prácu, pričom sa opakovane naťahujú a stláčajú pri každej jednej otáčke našich kolies. Prenášajú tiež akceleračné sily pedálovania z náboja na ráfik kolesa a prenášajú aj brzdné sily. Ich úloha v tom, že vôbec dokážeme jazdiť na bicykli, je takmer magická – také tenké vlákna unášajú také obrovské zaťaženie. Cítili sme teda, že je najvyšší čas, aby si pokorný prejav pripísal nejaké zásluhy, a preto je potrebné veľa.
'Geniálom lúčového kolesa je, že dokáže preniesť často veľmi veľké sily vytvárané jazdcom, bicyklom a rôznymi povrchmi vozovky do týchto tenkých tyčí, pričom každá je systematicky stláčaná, keď sa koleso otáča a zaťaženie prenáša z jeden hovoril s druhým, a tak to pokračuje,“hovorí profesor Mark Miodownik, riaditeľ Inštitútu tvorby na University College London, autor Stuff Matters, televízny moderátor a nadšený cyklista. Pokračuje: ‚Je to krásny spôsob, ako optimalizovať hmotnosť, náklady a výkon kolesa.‘
Lúče, keď sú napnuté, v podstate podopierajú ráfik pomocou náboja ako centrálnej kotvy. V scenári dokonalého sveta sa každý lúč ťahá s rovnakým napätím, aby sa zaťaženie rovnomerne rozložilo po celom kolese a zároveň držalo ráfik pravý a kruhový. Špice musia podopierať koleso proti priečnemu ohybu a deformácii ráfika a tiež účinne odolávať pritlačeniu kolesa vertikálnym zaťažením (radiálna kompresia). Žiadna malá úloha. Niet divu, že od príchodu kolesa bolo preskúmaných len veľmi málo iných riešení.
Napätie v reči
Teraz veci začínajú byť technické a nebudete sami, ak je to, čo nasleduje, trochu mätúce a neintuitívne. Existuje rázna nezhoda v tom, či bicykel v skutočnosti visí na horných lúčoch (tie nad nábojom, keď sa na bicykel pozeráte zboku), alebo je skôr podopretý spodnými, ktoré pôsobia ako malé stĺpiky.„Posledný názor, akokoľvek sa to zdá zvláštne, je definitívne pravdivý,“hovorí Jim Papadopoulos z Northeastern University’s College of Engineering v Bostone, USA, a spoluautor Bicycling Science.
Aj keď je ľahké uveriť, že by sa špica bicykla jednoducho zrútila pod váhou bicykla a jazdca, pokračuje vo vysvetľovaní, že napätie vytvorené v špici počas procesu výroby kolesa (nazývané „predpätie“) je čo umožňuje spodným lúčom niesť zaťaženie bez vybočenia, ako by to bolo, keby neexistovalo žiadne predpätie. „Každý špic na nezaťaženom kolese má napätie rádovo 100 libier [445 N]. Keď je náprava pritlačená k zemi silou 100 lb, jediným významným účinkom na napnutie lúčov je zníženie napätia priamo pod nábojom – zvyčajne sa zníži na približne 50 lb a lúče na každej strane tohto náboja sa znížia na približne 75 lb. To je presne to, čo by človek videl s masívnymi drevenými lúčmi ako staré koleso vagóna – spodné by unieslo 50 libier a tie na oboch stranách 25 libier. Rozdiel oproti kolesám s drôtenými lúčmi spočíva v tom, že drôtené lúče nemôžu niesť kompresné zaťaženie – zrútia sa. Všetky špice sú teda dômyselne predpäté. Drôt nemôže uniesť kompresné zaťaženie 50 lb, okrem prípadov, keď už nesie ťahové zaťaženie presahujúce túto hranicu.
‘Samozrejme, že koleso bicykla sa zrúti, ak sa odstránia horné alebo horizontálne lúče,‘dodáva Papadopoulos. „Je to však v podstate preto, že zmenená konštrukcia má veľmi odlišnú dráhu zaťaženia a navyše nie je schopná poskytnúť požadované predpätie. Tento kolaps nemôžeme použiť na to, aby sme dospeli k záveru, že typické koleso prenáša zaťaženie cez horné lúče.‘Ak sa vám z toho zakrúti hlava, nie ste sami. Prejdime teda k priamočiarejšej oblasti hovoreného materiálu.
Steel Spokes
Spice sú vyrobené prevažne z ocele, výber materiálu, ktorý, ako nám hovorí Miodownik, „v podstate spočíva v schopnosti mať spoľahlivý závit. Oceľové lanko je skvelé, pretože aj pri veľmi malom množstve upevňovacej plochy, napríklad tam, kde vsuvka drží špicu na ráfiku, môžete na ne veľmi silne napnúť bez toho, aby ste odizolovali závit. Nehrdzavejúca oceľ je ideálny materiál, pretože má tú správnu kombináciu vysokej pevnosti a nízkej hmotnosti, pričom je tiež cenovo dostupná.‘
Nehrdzavejúca oceľ je od konca 19. storočia preferovaným kovom pre lúče, pretože má vysokú pevnosť v ťahu, čo umožňuje lúčom zostať relatívne tenké a ľahké a zároveň zvládať sily, ktoré na ne pôsobia. „Špice z mäkkej ocele by museli byť dvakrát tak ťažké a hrubé,“hovorí Chris Hornzee-Jones, riaditeľ stavebných inžinierov Aerotrope. Navrhol prelomový horský bicykel Lotus z uhlíkových vlákien a pracoval na jednom z najväčších kolies s napínanými lúčmi, aké boli kedy vyrobené – na konštrukcii s priemerom 60 metrov zavesenej pod strechou Millennium Dome, ktorá sa používa ako platforma pre leteckých umelcov. „Pridaním chrómu a molybdénu do železa a uhlíka mäkkej ocele je výsledná zliatina nehrdzavejúcej ocele oveľa odolnejšia voči únave.'
Únava je nepriateľom hovorcov. Ak si myslíte, že vaše štvorkolky sú opakovane zaťažované opakovaním vašich pedálov, potom ľutujte vaše lúče, ktoré sú udierané pri každej jednej otáčke kolesa. Každý lúč v kolese je vystavený tlakovému zaťaženiu iba na zlomok sekundy, keď je priamo pod nábojom, a v tomto momente sa stlačí, kým tlak pominie a môže sa vrátiť na svoju normálnu dĺžku. Je to neúprosný cyklus, ktorý môže byť doslova zničením zle postaveného kolesa.
'Koleso je pre špice ako únavný bežiaci pás, ktorý je pre ne o to ťažší, že má na jednom konci pridaný závit a na druhom [vo väčšine prípadov] ohyb a/alebo hlavu,' hovorí Hornzee-Jones. „Závit je koncentrátorom napätia a prenos zaťaženia prebieha väčšinou cez niekoľko prvých závitov. Ba čo viac, vsuvka je pomerne tuhá a keďže sa snaží sedieť kolmo na ráfik, málokedy sa dokonale zarovná s uhlom, do ktorého lúč dosiahne, čo môže byť príčinou dodatočného sústredeného namáhania. Na druhom konci sa ohyb J nepatrne ohne a po stovkách tisíc normálnych otáčok kolesa sa môžu začať otvárať akékoľvek drobné povrchové kazy, hlboké len mikróny a úplne nepostrehnuteľné ľudským okom. Spočiatku je to pomalý proces, ale nakoniec povedie k prasknutiu lúča.‘
Hliníkové špice
Ocel však nie je jediným materiálom používaným na lúče. Mavic a Campagnolo (rovnako ako sesterská spoločnosť Campagnolo Fulcrum) sú už dlho zástancami hliníkových lúčov. Hliník má jednu tretinu hustoty ocele, ale tiež asi jednu tretinu tuhosti, takže špice musia byť hrubšie, čo znamená, že sú potenciálne menej aerodynamické, vyžadujú si vsuvky s väčším priemerom a následne väčšie otvory v ráfikoch, čo môže znížiť pevnosť a tuhosť ráfika. Hliníkové lúče majú tiež tendenciu používať dizajn s priamym ťahom, pretože ohyb v tvare písmena J v hliníku by s vysokou pravdepodobnosťou zlyhal pod tlakom.
Ďalším obmedzením je, že hliník tak ľahko neudrží závit. Mavicovým riešením je navliecť bradavky priamo do ráfika namiesto na špicu. Campagnolo navrhuje zvoliť hliníkové lúče, ktoré vážia rovnako ako oceľové verzie, no v porovnaní s tým zlepšujú jazdný pocit z jeho kolies, ide však o do značnej miery subjektívnu záležitosť, v ktorej hrajú lúče len jednu úlohu, pričom pneumatiky, ráfiky a náboje sú tiež významnými hráčmi. nehovoriac o zvyšku bicykla.
Vzhľadom na rôzne namáhania, ktoré lúče znášajú, sa uhlíkové vlákna vôbec nemusia javiť ako pravdepodobná voľba, ale Mavic spolu s niekoľkými ďalšími špičkovými značkami kolies, ako sú Lightweight a Reynolds, aby sme vymenovali dve, našli spôsoby. využiť svoju pevnosť v ťahu v lúčoch so zjavnou úsporou hmotnosti. Mavic's R-Sys SLR napríklad používa duté uhlíkové rúrky na zaistenie tuhosti pri ťahu a odolnosti voči stlačeniu.„Roztiahnutie lúčov je oveľa menšie ako pri oceli alebo zliatine, pretože uhlík je tuhší,“hovorí Michel Lethenet z Mavic. „Keďže ide o rúrky, odolávajú kompresii, čo pomáha udržiavať tuhosť kolesa, aj keď sú potrebné niektoré kovové časti, ktoré sú na oboch koncoch spojené, aby vytvorili pripevnenie na ráfiku a náboji.“Alternatívna metóda je použitá v Mavic's Cosmic Carbone. Ultimate, v ktorom karbónové lúče s lopatkami prechádzajú z jednej strany kolesa na druhú, spájajú sa s prírubou náboja a na ceste križujú ostatné lúče.
Pravda z rotácie
Existuje niekoľko ďalších múdrostí o bicykloch týkajúcich sa lúčov, ktoré Peter Marchment, materiálový vedec a riaditeľ spoločnosti Hunt Bike Wheels, rád rozptýli. „Koleso využívajúce hlbší ráfik s kratšími lúčmi sa často považuje za „silnejšie“, ale zvyčajne je to spôsobené inherentnou pridanou tuhosťou ráfika,“hovorí.„Mnoho ľudí tiež verí, že vyššie napnutie lúčov znamená, že získate tuhšie koleso, ale nie je to tak. Tuhosť kolesa je ovplyvnená mnohými faktormi okrem samotného napätia, vrátane počtu lúčov, uhla vystuženia a hĺbky ráfika.
V skutočnosti sa špica pri zaťažení predĺži o rovnakú hodnotu, bez ohľadu na použité predpätie, čo znamená, že zvýšenie napnutia špice nespôsobí tuhšie koleso.“Marchment pokračuje: „Uvedenie špíc pod správne napnutie je rozhodujúca. Pri extrémne vysokom napätí je ráfik a lúče náchylnejšie na poškodenie, pretože sú účinne predpäté veľkou silou. Problémom je však aj nízke napnutie lúčov, pretože vsuvka sa s väčšou pravdepodobnosťou uvoľní [uvoľní], keď sa uvoľní v dôsledku nárazov alebo vibrácií na vozovke, čo spôsobí, že sa koleso vymkne zo správnej polohy.‘
Bez ohľadu na napätie a vzor, existuje široká škála lúčov, z ktorých si môžete vybrať, nehovoriac o mnohých variáciách v kvalite drôtu, z ktorého sú vyrobené. Sapim, jeden z popredných výrobcov lúčov, vyrába 300 miliónov lúčov ročne a nakupuje, aby si zachoval kvalitu a zostal konkurencieschopný v rámci svojho sortimentu. „Šesťdesiat až 70 percent ceny obyčajného lúča môže byť v materiáli, takže je dôležité, aby to bolo správne, ale najdôležitejšou vecou pre všetky naše lúče je výkon drôtu,“hovorí manažér predaja spoločnosti Sapim., Klaus Grüter. „Hľadáme drôt, ktorý je jasný a lesklý a ktorý má pevnosť v ťahu 1 000 až 1 050 N/mm2 s dobrými údajmi o únave a, čo je dôležité, s vynikajúcou odolnosťou proti korózii.“
Grüter nám hovorí, že vzorky sú testované v laboratóriu na pevnosť v ťahu, ohyb a odolnosť proti krúteniu. Po prijatí sa drôt z cievok strojom narovná a odreže. Z drôtu s obyčajným priemerom sa môžu tiež vyrobiť lúče na tupo (kde je stredná časť užšia) pretiahnutím drôtu cez matricu. Po natupírovaní sa hlava lúča a ohyb v tvare písmena J vykujú a závit na druhom konci sa zroluje (nie odreže). Hotové lúče sú kontrolované ako systémami strojového videnia, tak aj ľudským okom a rukou. Jeden stroj je schopný vyrobiť 20 000 natupírovaných lúčov denne, čo vysvetľuje, prečo rôzne náklady na prácu majú malý vplyv na cenu hotového lúča a prečo výrobcovia na celom svete môžu predávať za podobné ceny.
Ale načo si aj tak lámať hlavu? Jonathan Day zo spoločnosti Strada Wheels vysvetľuje: „Tučené lúče lepšie zvládajú krútiaci moment ako obyčajný rozchod. Sú širšie v rovine kolesa, čo je smer torznej sily, takže je viac materiálu, ktorý jej odoláva. Tiež sa o niečo viac ohýbajú v kolmej rovine, takže lepšie rozložia kompresné zaťaženie na koleso.’
Vzor lúčov
Tradičný vzor lúčov kolesa bicykla pozostával z 32 (alebo niekedy 36) lúčov, ktoré boli trikrát prekrížené. Prepletený vzor lúčov v tradične šnurovanom kolese, ktorý zďaleka nie je len pekným kaleidoskopickým usporiadaním, je v skutočnosti funkčnou súčasťou dizajnu kolesa.
Pokiaľ ide o bočnú tuhosť, body, v ktorých sa lúče pretínajú, umožňujú každému z nich oprieť sa o iný, keď je napnutý, a zároveň ho podopierať, keď je stlačený. Najdôležitejšia úloha trojkrížového vzoru šnurovania je v zadnom kolese, kde lúče musia prenášať silu pedálovania z náboja. V tomto prípade sú lúče zaťažené oveľa väčším torzným zaťažením vďaka krútiacej sile z hnacieho ústrojenstva. Špice na strane kazety, opúšťajúce náboj tangenciálne, prenášajú rotačnú silu (krútiaci moment) z náboja na ráfik. Radiálne lúče (ktoré sledujú dráhu od stredu náboja priamo k ráfiku bez toho, aby sa križovali s iným) sú oveľa horšie schopné vyrovnať sa s týmto typom zaťaženia a je pravdepodobnejšie, že zlyhajú.
Keď krútiaci moment nie je problém, napríklad na prednom kolese s ráfikovými brzdami, použitie radiálnych lúčov má zmysel. To šetrí hmotnosť, pretože lúče môžu byť kratšie a na vytvorenie bočne tuhého kolesa je potrebných menej. Aj to vyzerá dobre. Kotúčové brzdy však spôsobujú značné torzné zaťaženie, čo znemožňuje radiálny výplet. „Získanie správneho vzoru šnurovania je kľúčové, pretože lúče zdieľajú kompresné zaťaženie tým, že sa pritláčajú k susedom, ktoré prekračujú, takže lúče by sa mali šnurovať, aby boli vodiacimi prvkami alebo prívesmi,“hovorí Day. „Musíte sa uistiť, že hlavná špica najprv prevezme záťaž na strane pohonu. Na 32-lúčovom kolese chcete, aby 16 predných lúčov zdieľalo záťaž. Ak sa pomýlite pri šnurovaní, prácu bude robiť iba osem.‘
Je pozoruhodné, že vzory lúčov zostali jedným z najmenej ohrozených aspektov dizajnu kolies, a to aj napriek niekoľkým obrovským skokom vpred v oblasti materiálov a výrobných technológií za posledné desaťročia. Je to skutočne osvedčená metodika a ako sa hovorí, ak sa nepokazí…
