Głębokie koła: Wyczyn inżynieryjny, który wykracza poza aerodynamikę
Co jest takiego wyjątkowego w szybkich kołach? Liczne zawiłości inżynieryjne sprawiają, że obręcze o głębokim przekroju są trudne do udoskonalenia.
Dźwięk koła o głębokim przekroju pędzącego przez szybki zakręt to dźwięk współczesnych wyścigów. Koła te są wszechobecne w lokalnych wyścigach i czasówkach, ponieważ są szybkie. Mają też unikalne cechy. Koła o głębokim przekroju są sztywne w pionie. Jest to funkcja ich geometrii: Głęboki profil, stworzony w celu zmniejszenia oporu aerodynamicznego, tworzy sztywną w pionie konstrukcję wymagającą niewielu szprych. Większość ludzi nie zdaje sobie jednak sprawy z tego, że koła o głębokim przekroju są elastyczne poprzecznie. Podczas sprintu obręcz ma tendencję do wyginania się w przód i w tył, często ocierając klocki hamulcowe. A ze względu na układ włókien węglowych, większość z nich staje się nieco odstająca, gdy opona jest napompowana. Dlaczego koła o głębokim przekroju są tak elastyczne? Ponownie, wynika to z geometrii. Wysoka sekcja obręczy, gdy jest dociskana bokiem do drogi, działa jak dźwignia, która zawiasuje się w miejscu, w którym styka się ze szprychami - im głębsza obręcz, tym większa dźwignia. (Patrz ilustracja poniżej.)
Zawias w miejscu mocowania szprych sprawia, że obręcz pochyla się bardziej niż płaszczyzna koła, gdy pedałując rower dociska bok opony do drogi. Nie ma możliwości złagodzenia tego zjawiska, ponieważ obręcz odchyla się poza miejsce, w którym szprychy mogą ją kontrolować. Zmiana naprężenia szprych lub wzoru szprych nie przyniesie żadnego efektu. Bill Mould, autor książki "Koło Rowerowe: Fizyka i inżynieria", stworzył doskonały film online ilustrujący ten efekt.
Obręcze o głębokim przekroju są zbudowane z włókna węglowego, ponieważ obręcze aluminiowe o równoważnej wysokości byłyby bardzo ciężkie i nie można by ich zwinąć w okrąg bez powstawania zagięć. Większość głębokich obręczy z włókna węglowego jest formowana w jednym kawałku, a mocowania szprych znajdują się w dolnej części obręczy (jak w przypadku większości obręczy). W ten sposób cały karbon w kole jest traktowany jako element strukturalny. Niektóre głębokie obręcze składają się jednak z obręczy o płytkim przekroju z cienką, niestrukturalną warstwą karbonu o głębokim przekroju (przoduje w tej technologii hed), przyklejoną do jej wewnętrznej średnicy. Zamiast mocować się na dole głębokiej sekcji, szprychy przechodzą przez otwory w obręczy i mocowane są do jej płytkiej sekcji, co decyduje o tym, jak obręcz się wygina. (Nie wieszaj roweru na haku za koła tego typu, ponieważ cienka część osłony mogłaby się złamać i zapaść). Pozbawione długiej dźwigni standardowego koła o głębokim przekroju, koła te mają mniejszy zawias w miejscu mocowania szprych, co skutkuje mniejszym ugięciem bocznym podczas sprintu.
Im głębsza obręcz, tym większy nacisk wywiera na nią droga, gdy jest pochylona. Nacisk drogi na obręcz o płytkim przekroju (po lewej) jest relatywnie mniejszy, więc jest ona odpychana na boki w mniejszym stopniu niż obręcz o głębokim przekroju (pośrodku). Jest to szczególnie prawdziwe, gdy rower jest mocno obciążony, na przykład podczas sprintu z siodełka. Koło o głębokim przekroju zaprojektowane z obręczą o płytkim przekroju i cienką, niestrukturalną powłoką z włókna węglowego (po prawej) jest również bocznie zawiasowanie w punkcie mocowania szprychy; jednak ponieważ to mocowanie znajduje się daleko w środku, a nie na wewnętrznej średnicy głębokiego przekroju, nie wygina się tak bardzo, jak tradycyjne koło o głębokim przekroju.
Włókno węglowe w obu typach obręczy to "pre-preg" jednokierunkowa tkanina z włókna węglowego; włókna są równoległe i wstępnie impregnowane żywicą, która łączy ze sobą warstwy tkaniny. Tkanina jest przechowywana w zamrażarce, aby zapobiec utwardzeniu żywicy, a następnie jest cięta i umieszczana w formach w chłodnych pomieszczeniach, aby zapobiec przywieraniu żywicy do ostrzy tnących lub rękawic roboczych. Kawałki materiału są cięte maszynowo i układane ręcznie w określonej orientacji w formie.
Po podgrzaniu materiału, ciśnienie zewnętrzne z pęcherza wewnątrz karbonu zagęszcza jego warstwy do wnętrza formy, wyciskając nadmiar żywicy. W przypadku obręczy o małej głębokości, długi pasek materiału może być ułożony w formie, składając go wzdłużnie w kształt litery U, owijając się dookoła, aż końce się spotkają. Technika ta nie jest zwykle stosowana w przypadku obręczy o głębokim przekroju, ponieważ włókna węglowe są tak sztywne, że zewnętrzna średnica paska nie będzie się rozciągać, a wewnętrzna średnica nie będzie się kurczyć; w ten sposób ściany będą się marszczyć. Zamiast tego, ściany boczne głębokich obręczy są zwykle wykonane z kawałków prostych włókien w kształcie łuku, ułożonych w formie w sposób patchworkowy. I odwrotnie, łoże obręczy wykonane jest z ciągłych pasków owiniętych wokół obręczy. Wyobraźmy sobie drewniane koło wagonowe wykonane z prostych kawałków drewna w kształcie łuku, ograniczonych płaską, stalową taśmą owiniętą wokół nich.
Wraz ze wzrostem ciśnienia w oponie na kole zwiększa się również szerokość obręczy (głównie jeśli jest to obręcz dedykowana oponom), podczas gdy naprężenie szprych zmniejsza się, ponieważ średnica obręczy ściska się z powodu siły ciśnienia powietrza. Gdyby układ włókien węglowych był jednolity w całym kole, spadek naprężenia szprych byłby również jednolity. Jednak w większości głębokich kół spadek naprężenia nie jest równomierny, ponieważ układ włókien w kształcie łuku nie jest taki sam na każdej szprysze. Włókna promieniowe ściskają się mniej niż włókna pod niskim kątem, więc szprychy wokół włókien promieniowych utrzymują największe naprężenie. Szprychy, w których włókna są ustawione pod największym kątem do średnicy koła, tracą największe naprężenie. W konsekwencji, im wyższe ciśnienie w oponie, tym bardziej obręcz traci swoją okrągłość.
Teraz już wiesz, że o kołach o głębokim przekroju należy wiedzieć znacznie więcej niż tylko o aerodynamice.
komentarze