Neopěvovaní hrdinové jízdních kol, myslíme si, že je na čase, aby si promluvili získali náležitý respekt
Tyto tenké prameny drátu vykonávají neúnavně náročnou práci a jsou opakovaně natahovány a stlačovány s každou jednotlivou otáčkou našich kol. Přenášejí také zrychlovací síly při šlapání z náboje na ráfek kola a přenášejí také brzdné síly. Jejich role v tom, že vůbec umíme jezdit na kole, je téměř magická – tak tenké prameny nesou tak obrovské zatížení. Cítili jsme tedy, že je nejvyšší čas, aby si pokorné řeči připsaly nějakou zásluhu, kde je potřeba celá nálož.
'Geniálem paprskového kola je to, že dokáže přenést často velmi velké síly vytvářené jezdcem, jízdním kolem a různými povrchy vozovky do těchto tenkých tyčí, přičemž každá je systematicky stlačována, když se kolo otáčí a zatížení se přenáší z jeden mluvil s druhým, a tak to pokračuje,“říká profesor Mark Miodownik, ředitel Institutu tvorby na University College London, autor Stuff Matters, televizní moderátor a nadšený cyklista. Pokračuje: ‚Je to krásný způsob, jak optimalizovat hmotnost, náklady a výkon kola.‘
Paprsky, jakmile jsou napnuté, v podstatě vyztuží ráfek pomocí náboje jako centrální kotvy. Ve scénáři dokonalého světa každý paprsek táhne se stejným napětím, aby rovnoměrně rozložil zatížení na celé kolo a zároveň držel ráfek pravý a kruhový. Paprsky musí podpírat kolo proti bočnímu ohybu a deformaci ráfku a také účinně odolávat přimáčknutí kola vertikálním zatížením (radiální komprese). Žádný malý úkol. Není divu, že od příchodu kola bylo prozkoumáno jen velmi málo jiných řešení.
Napětí v řeči
Nyní věci začínají být technické a nebudete sami, pokud bude následující text trochu matoucí a neintuitivní. Panují silné neshody ohledně toho, zda kolo ve skutečnosti visí z horních paprsků (ty nad nábojem, když si kolo prohlížíte ze strany), nebo je spíše podpíráno spodními, které působí jako malé sloupky.„Poslední pohled, jakkoli se to zdá zvláštní, je definitivní,“říká Jim Papadopoulos z Northeastern University’s College of Engineering v Bostonu, USA, a spoluautor Bicycling Science.
I když je snadné uvěřit, že by se výplet kola jednoduše zhroutil pod tíhou kola a jezdce, pokračuje ve vysvětlení, že napětí vytvořené ve výpletu během procesu výroby kola (tzv. „předpětí“) je což umožňuje spodním paprskům nést zatížení bez vybočení, jako by tomu bylo, kdyby neexistovalo žádné předpětí. „Každý paprsek nezatíženého kola má napětí řádově 100 liber [445 N]. Když je náprava přitlačena k zemi silou 100 lb, jediným významným účinkem na napětí paprsků je snížení napětí přímo pod nábojem – obvykle se sníží na přibližně 50 lb a paprsky na každé straně tohoto náboje se sníží na přibližně 75 lb. To je přesně to, co by člověk viděl s masivními dřevěnými paprsky jako staré kolo vozu – spodní kolo by uneslo 50 liber a ty na obou stranách 25 liber. Rozdíl oproti kolům s drátěnými paprsky spočívá v tom, že drátěné paprsky nemohou přenášet kompresní zatížení – zbortí se. Všechny paprsky jsou tedy důmyslně předepnuty. Drát nemůže unést kompresní zatížení 50 lb, s výjimkou případů, kdy již nese tahové zatížení přesahující toto.
‘Samozřejmě, že kolo kola se zhroutí, pokud jsou odstraněny horní nebo horizontální paprsky,‘dodává Papadopoulos. „Ale to je v podstatě proto, že změněná konstrukce má velmi odlišnou dráhu zatížení a navíc není schopna dodat požadované předpětí. Nemůžeme tento kolaps použít k závěru, že typické kolo nese zátěž přes horní paprsky.‘Pokud se vám z toho zatočí hlava, nejste sami. Pojďme tedy k přímější oblasti mluveného materiálu.
Ocelové paprsky
Paprsky jsou převážně vyrobeny z oceli, což je výběr materiálu, který, jak nám říká Miodownik, „v podstatě spočívá ve schopnosti mít spolehlivý závit. Ocelové lanko je skvělé, protože i s velmi malým množstvím upevňovací plochy, například tam, kde vsuvka drží paprsek na ráfku, na ně můžete poměrně hodně napnout, aniž byste strhli nit. Nerezová ocel je ideálním materiálem, protože má správnou kombinaci vysoké pevnosti a nízké hmotnosti a zároveň je cenově dostupná.‘
Nerezová ocel je od konce 19. století preferovaným kovem pro paprsky, protože má vysokou pevnost v tahu, což umožňuje paprskům zůstat relativně tenké a lehké a zároveň zvládat síly, které na ně působí. „Měkké ocelové paprsky by musely být dvakrát těžší a tlustší,“říká Chris Hornzee-Jones, ředitel stavebních inženýrů Aerotrope. Navrhl průlomové horské kolo Lotus z uhlíkových vláken a pracoval na jednom z největších kol s napínacími paprsky, která kdy byla vyrobena – konstrukci o průměru 60 m zavěšenou pod střechou Millenium Dome, která se používá jako platforma pro letecké umělce. „Přidáním chrómu a molybdenu do železa a uhlíku měkké oceli je výsledná slitina nerezové oceli mnohem odolnější vůči únavě.'
Únava je nepřítelem řečníků. Pokud si myslíte, že vaše čtyřkolky jsou opakovaně namáhány opakovaným sešlápnutím pedálů, pak litujte vašich paprsků, které do nich buší s každou otáčkou kola. Každý paprsek v kole je vystaven tlakovému zatížení pouze na zlomek sekundy, kdy je přímo pod nábojem, a v tu chvíli se stlačí, než tlak pomine a může se vrátit na svou normální délku. Je to neúprosný koloběh, který může doslova zničit špatně postavené kolo.
'Kolo je pro paprsky jako únavný běžící pás, který je pro ně o to těžší, že mají na jednom konci přidaný závit a na druhém [ve většině případů] ohyb a/nebo hlavu,' říká Hornzee-Jones. „Závit je koncentrátorem napětí a k přenosu zatížení dochází většinou přes několik prvních závitů. A co víc, vsuvka je poměrně tuhá a jelikož se snaží sedět kolmo k ráfku, zřídka se dokonale srovná s úhlem, do kterého paprsek dosáhne, což může být příčinou dalšího koncentrovaného napětí. Na druhém konci se ohyb J nepatrně ohýbá a po stovkách tisíc normálních otáček kola se mohou začít otevírat drobné povrchové kazy, hluboké jen mikrony a zcela nepostřehnutelné lidským okem. Zpočátku je to pomalý proces, ale nakonec povede k prasknutí paprsku.‘
Hliníkové paprsky
Ocel však není jediným materiálem používaným pro paprsky. Mavic a Campagnolo (stejně jako sesterská společnost Campagnolo Fulcrum) jsou již dlouho zastánci hliníkových paprsků. Hliník má třetinovou hustotu než ocel, ale také asi třetinovou tuhost, takže paprsky musí být tlustší, což znamená, že jsou potenciálně méně aerodynamické, vyžadují niple s větším průměrem a následně větší otvory v ráfcích, které mohou snížit pevnost a tuhost ráfku. Hliníkové paprsky mají také tendenci používat konstrukci s přímým tahem, protože ohyb ve tvaru písmene J v hliníku by velmi pravděpodobně selhal pod tlakem.
Dalším omezením je, že hliník tak snadno neudrží závit. Mavicovým řešením je navléknout niple přímo do ráfku místo na paprsky. Campagnolo navrhuje zvolit hliníkové paprsky, které váží stejně jako ocelové verze, ale ve srovnání s nimi zlepšují jízdní pocit z kol, nicméně to je do značné míry subjektivní záležitost, ve které hrají paprsky pouze jednu roli, přičemž pneumatiky, ráfky a náboje jsou také významnými hráči. natož zbytek motorky.
Vzhledem k různému namáhání, které paprsky snášejí, se karbonové vlákno nemusí zdát jako pravděpodobná volba, ale Mavic spolu s několika dalšími špičkovými značkami kol, jako jsou Lightweight a Reynolds, abychom jmenovali dva, našli způsoby. využít jeho pevnost v tahu do paprsků, se zřejmými úsporami hmotnosti. Mavic R-Sys SLR například používá duté uhlíkové trubky k zajištění tuhosti při tahu a odolnosti vůči stlačení.„Roztažení paprsků je mnohem menší než u oceli nebo slitiny, protože uhlík je tužší,“říká Michel Lethenet z Mavic. „Vzhledem k tomu, že se jedná o trubky, odolávají kompresi, což pomáhá udržovat tuhost kola, i když jsou vyžadovány některé kovové části, které jsou na každém konci spojeny, aby vytvořily připevnění na ráfku a náboji.“Alternativní metoda je použita v Mavic's Cosmic Carbone. Ultimate, ve kterém karbonové paprsky jdou z jedné strany kola na druhou, spojují se s přírubou náboje a na cestě křižují další paprsky.
Pravda ze spinu
Existuje několik dalších přijatých cyklistických moudrostí týkajících se paprsků, které Peter Marchment, materiálový vědec a ředitel společnosti Hunt Bike Wheels, rád rozptýlí. „Kolo využívající hlubší ráfek s kratšími paprsky je často považováno za „silnější“, ale to je obvykle způsobeno přidanou tuhostí ráfku,“říká.„Mnoho lidí také věří, že vyšší napnutí paprsků znamená, že získáte tužší kolo, ale není tomu tak. Tuhost kola kromě samotného napětí ovlivňuje mnoho věcí, včetně počtu paprsků, úhlu vyztužení a hloubky ráfku.
Ve skutečnosti se paprsek při zatížení prodlouží o stejnou hodnotu, bez ohledu na použité předpětí, což znamená, že zvýšením napětí paprsku kolo neztuhne.“Marchment pokračuje: „Uvedení paprsků pod správné napnutí je zásadní. Při extrémně vysokém napnutí je ráfek a paprsky náchylnější k poškození, protože jsou účinně předpínány vysokou silou. Problémem je ale také nízké napnutí paprsků, protože vsuvka se s větší pravděpodobností uvolní [odmotá], když se uvolní nárazy nebo vibracemi vozovky, což způsobí, že se kolo vymkne ze správné polohy.‘
Bez ohledu na napětí a vzor existuje široká škála paprsků, ze kterých si můžete vybrat, nemluvě o mnoha variacích v kvalitě drátu, ze kterého jsou vyrobeny. Sapim, jeden z předních výrobců paprsků, vyrábí 300 milionů paprsků ročně a nakupuje, aby si zachoval kvalitu a zůstal konkurenceschopný v celé řadě svých produktů. „Šedesát až 70 procent ceny paprsku s hladkým průměrem může být v materiálu, takže je důležité, aby to bylo správně, ale nejdůležitější věcí pro všechny naše paprsky je výkon drátu,“říká obchodní manažer společnosti Sapim., Klaus Grüter. ‚Hledáme drát, který je lesklý a lesklý a který má pevnost v tahu 1 000 až 1 050 N/mm2 s dobrými údaji o únavě a, což je důležité, s vynikající odolností proti korozi.‘
Grüter nám říká, že vzorky jsou laboratorně testovány na pevnost v tahu, ohybu a torzní odolnosti. Po přijetí je drát z cívek strojně narovnán a odříznut. Hladký drát může být také vyroben do paprsků na tupo (kde je střední část vyrobena užší) protažením drátu skrz matrici. Po natupírování se hlava paprsku a ohyb ve tvaru písmene J vykují a závit na druhém konci se sroluje (ne odřízne). Hotové paprsky jsou kontrolovány jak systémy strojového vidění, tak lidským okem a rukou. Jeden stroj je schopen vyrobit 20 000 natupírovaných paprsků denně, což vysvětluje, proč různé mzdové náklady mají malý dopad na cenu hotového paprsku a proč výrobci po celém světě mohou prodávat za podobné ceny.
Ale proč vlastně dávat do zadku? Jonathan Day ze Strada Wheels vysvětluje: „Zpožďované paprsky lépe zvládají točivý moment než běžný rozchod. Jsou širší v rovině kola, což je směr torzní síly, takže je více materiálu, který jí odolává. Také se o něco více ohýbají v kolmé rovině, takže lépe rozdělují kompresní zatížení na kolo.’
Vzor paprsků
Tradiční paprskový vzor kola jízdního kola sestával ze 32 (nebo někdy 36) paprsků, třikrát zkřížených. Propletený vzor paprsků v tradičně šněrovaném kole, který zdaleka není jen pěkným kaleidoskopickým uspořádáním, je ve skutečnosti funkční součástí designu kola.
Pokud jde o boční tuhost, body, kde se paprsky protínají, umožňují každému z nich se opřít o druhý, když je umístěn pod napětím, a také jej podepřít, když je stlačen. Nejdůležitější role tříkřížového šněrovacího vzoru je v zadním kole, kde paprsky musí přenášet sílu šlapání z náboje. V tomto případě jsou paprsky zatíženy mnohem větším torzním zatížením díky kroutící síle z hnacího ústrojí. Paprsky na straně kazety, opouštějící náboj tangenciálně, přenášejí rotační sílu (točivý moment) z náboje na ráfek. Radiální paprsky (které sledují dráhu od středu náboje přímo k ráfku, aniž by se křížily s jiným) jsou mnohem méně schopné vyrovnat se s tímto typem zatížení a je pravděpodobnější, že selžou.
Když točivý moment nepředstavuje problém, například u předního kola s ráfkovými brzdami, má použití radiálních paprsků smysl. To šetří hmotnost, protože paprsky mohou být kratší a k vytvoření příčně tuhého kola je potřeba méně. Vypadá to taky dobře. Kotoučové brzdy způsobují značné torzní zatížení, ale radiální paprsky jsou téměř nemožné. „Získání správného vzoru šněrování je klíčové, protože paprsky sdílejí kompresní zatížení tím, že se přitisknou na sousedy, které kříží, takže paprsky by měly být šněrovány, aby byly vodicí nebo přívěsné,“říká Day. „Musíte se ujistit, že přední paprsky nejprve převezmou zátěž na straně pohonu. Na 32paprskovém kole chcete 16 předních paprsků, aby se dělilo o zatížení. Pokud se šněrování spletete, skončíte tak, že práci odvede jen osm.‘
Je pozoruhodné, že vzory paprsků zůstaly jedním z nejméně zpochybňovaných aspektů designu kol, a to navzdory několika masivním skokům vpřed v oblasti materiálů a výrobních technologií v posledních desetiletích. Je to skutečně osvědčená metodika a jak se říká, pokud se nerozbije…
