Οι αφανείς ήρωες του ποδηλάτου, πιστεύουμε ότι είναι καιρός οι ακτίνες να κερδίσουν τον σεβασμό που πρέπει
Αυτές οι λεπτές λωρίδες σύρματος εκτελούν μια αδυσώπητα σκληρή δουλειά, τεντώνοντας και συμπιέζονται επανειλημμένα με κάθε περιστροφή των τροχών μας. Μεταφέρουν επίσης τις δυνάμεις επιτάχυνσης του πεντάλ από την πλήμνη στο χείλος του τροχού και μεταδίδουν επίσης δυνάμεις πέδησης. Ο ρόλος τους στο γεγονός ότι μπορούμε να οδηγήσουμε καθόλου ποδήλατο είναι σχεδόν μαγικός – τόσο λεπτά σκέλη που υποστηρίζουν τόσο τεράστια φορτία. Έτσι, αισθανθήκαμε ότι ήταν καιρός η ταπεινή ομιλία να λάβει κάποια εύσημα, όπου οφείλεται ένα ολόκληρο φορτίο.
'Η ιδιοφυΐα του τροχού με ακτίνες είναι ότι μπορεί να μεταφέρει τις συχνά πολύ μεγάλες δυνάμεις που δημιουργούνται από τον αναβάτη, το ποδήλατο και τις διάφορες επιφάνειες του δρόμου σε αυτές τις λεπτές ράβδους, καθεμία από τις οποίες συμπιέζεται συστηματικά καθώς γυρίζει ο τροχός και μεταφέρονται τα φορτία από ο ένας μίλησε στον άλλο και έτσι συνεχίζεται», λέει ο καθηγητής Mark Miodownik, διευθυντής του Ινστιτούτου Δημιουργίας στο University College του Λονδίνου, συγγραφέας του Stuff Matters, τηλεοπτικός παρουσιαστής και δεινός ποδηλάτης. Συνεχίζει, «Είναι ένας όμορφος τρόπος να βελτιστοποιήσετε το βάρος, το κόστος και την απόδοση ενός τροχού.».
Οι ακτίνες, αφού τεντωθούν, στην ουσία συγκρατούν το χείλος χρησιμοποιώντας την πλήμνη ως κεντρική άγκυρα. Σε ένα σενάριο τέλειου κόσμου, κάθε ακτίνα έλκεται με ίση τάση για να κατανέμει το φορτίο ομοιόμορφα σε όλο τον τροχό, ενώ ταυτόχρονα διατηρεί το χείλος αληθινό και κυκλικό. Οι ακτίνες πρέπει να υποστηρίζουν τον τροχό έναντι της πλευρικής κάμψης και της παραμόρφωσης του χείλους και επίσης να αντιστέκονται στην αποτελεσματική σύνθλιψη του τροχού από κατακόρυφη φόρτιση (ακτινική συμπίεση). Όχι μικρό έργο. Δεν είναι περίεργο ότι από την εμφάνιση του τροχού, πολύ λίγες άλλες λύσεις έχουν διερευνηθεί.
Spoke Tension
Τώρα τα πράγματα αρχίζουν να γίνονται τεχνικά και δεν θα είστε μόνοι αν αυτό που ακολουθεί είναι λίγο μπερδεμένο και αντιφατικό. Υπάρχει έντονη διαφωνία σχετικά με το εάν ένα ποδήλατο κρέμεται ουσιαστικά από τις επάνω ακτίνες (αυτές πάνω από την πλήμνη καθώς βλέπετε το ποδήλατο από το πλάι) ή μάλλον στηρίζεται από τις κάτω, λειτουργώντας σαν μικροσκοπικές κολόνες.«Η τελευταία άποψη, όσο περίεργη φαίνεται, ισχύει οριστικά», λέει ο Τζιμ Παπαδόπουλος από το Κολλέγιο Μηχανικών του Northeastern University στη Βοστώνη, ΗΠΑ, και ο συν-συγγραφέας του Bicycling Science.
Αν και είναι εύκολο να πιστέψει κανείς ότι μια ακτίνα ποδηλάτου απλώς θα κατέρρεε κάτω από το βάρος του ποδηλάτου και του αναβάτη, συνεχίζει εξηγώντας ότι η τάση που δημιουργείται σε μια ακτίνα κατά τη διαδικασία κατασκευής του τροχού (που ονομάζεται «προένταση») είναι τι επιτρέπει στις κάτω ακτίνες να αντέχουν το φορτίο χωρίς λυγισμό, όπως θα έκαναν αν δεν υπήρχε προένταση. «Κάθε ακτίνα στον τροχό χωρίς φορτίο έχει τάση της τάξης των 100 lb [445 N]. Όταν ο άξονας πιέζεται προς το έδαφος με δύναμη 100 lb, η μόνη σημαντική επίδραση στις τάσεις των ακτίνων είναι να μειωθούν εκείνες που βρίσκονται ακριβώς κάτω από την πλήμνη - συνήθως, κάποιος μειώνεται σε περίπου 50 λίβρες και οι ακτίνες σε κάθε πλευρά μειώνονται σε περίπου 75 λίβρες. Αυτό ακριβώς θα έβλεπε κανείς με τις συμπαγείς ξύλινες ακτίνες σαν μια παλιά ρόδα βαγονιού – η κάτω θα κουβαλούσε 50 λίβρες και αυτές σε κάθε πλευρά της θα έφεραν 25 λίβρες. Η διαφορά με τους συρμάτινους τροχούς είναι ότι μια συρμάτινη ακτίνα δεν μπορεί να φέρει φορτίο συμπίεσης - θα καταρρεύσει. Έτσι, όλες οι ακτίνες είναι έξυπνα προενταμένες. Ένα καλώδιο δεν μπορεί να φέρει φορτίο συμπίεσης 50 lb, εκτός εάν φέρει ήδη φορτίο τάσης που υπερβαίνει αυτό.
«Φυσικά ένας τροχός ποδηλάτου θα καταρρεύσει εάν αφαιρεθούν οι επάνω ή οριζόντιες ακτίνες», προσθέτει ο Παπαδόπουλος. «Αλλά αυτό οφείλεται ουσιαστικά στο ότι η τροποποιημένη δομή έχει πολύ διαφορετική διαδρομή φορτίου και επιπλέον δεν είναι σε θέση να παρέχει την απαιτούμενη προένταση. Δεν μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτήν την κατάρρευση για να καταλήξουμε στο συμπέρασμα ότι ο τυπικός τροχός μεταφέρει φορτίο στις επάνω ακτίνες.» Εάν αυτό κάνει το κεφάλι σας να γυρίζει, δεν είστε μόνοι. Ας προχωρήσουμε λοιπόν στην πιο απλή περιοχή του υλικού ακτίνων.
Ακτίνες από χάλυβα
Οι ακτίνες είναι κατά κύριο λόγο κατασκευασμένες από χάλυβα, μια επιλογή υλικού που, όπως μας λέει ο Miodownik, «βασικά οφείλεται στην ικανότητα να έχεις ένα αξιόπιστο νήμα. Το ατσάλινο σύρμα είναι υπέροχο γιατί ακόμα και με πολύ μικρή περιοχή στερέωσης, όπως το σημείο όπου η θηλή συγκρατεί την ακτίνα στο χείλος, μπορείτε να ασκήσετε μεγάλη τάση πάνω τους χωρίς να αφαιρέσετε το νήμα. Ο ανοξείδωτος χάλυβας είναι το ιδανικό υλικό καθώς έχει το σωστό μείγμα υψηλής αντοχής και χαμηλού βάρους, ενώ είναι και προσιτό.'
Ο ανοξείδωτος χάλυβας ήταν το μέταλλο της επιλογής για τις ακτίνες από τα τέλη του 19ου αιώνα λόγω της υψηλής αντοχής του σε εφελκυσμό, που επιτρέπει στις ακτίνες να παραμένουν σχετικά λεπτές και ελαφριές ενώ αντιμετωπίζουν τις δυνάμεις που ασκούνται σε αυτές. «Οι ακτίνες από ήπιο χάλυβα θα πρέπει να είναι δύο φορές πιο βαριές και παχιές», λέει ο Chris Hornzee-Jones, διευθυντής της δομικής μηχανικής Aerotrope. Σχεδίασε το πρωτοποριακό ποδήλατο βουνού Lotus από ανθρακονήματα και δούλεψε σε έναν από τους μεγαλύτερους τροχούς με ακτίνες που κατασκευάστηκαν ποτέ – τη δομή διαμέτρου 60 μέτρων που αναρτήθηκε κάτω από την οροφή του Millennium Dome, που χρησιμοποιείται ως πλατφόρμα για εναέριους καλλιτέχνες. «Με την προσθήκη χρωμίου και μολυβδαινίου στον σίδηρο και τον άνθρακα του μαλακού χάλυβα, το κράμα ανοξείδωτου χάλυβα που προκύπτει είναι πολύ πιο ανθεκτικό στην κόπωση.'
Η κούραση είναι η νέμεση της ακτίνας. Αν νομίζετε ότι οι τετρακέφαλοι σας καταπονούνται επανειλημμένα από την επανάληψη των χτυπημάτων του πεντάλ σας, τότε λυπηθείτε τις ακτίνες σας που χτυπιούνται με κάθε περιστροφή του τροχού. Κάθε ακτίνα στον τροχό υφίσταται συμπιεστικό φορτίο μόνο για κλάσμα του δευτερολέπτου που βρίσκεται ακριβώς κάτω από την πλήμνη και για εκείνη τη στιγμή συμπιέζεται προτού η πίεση εκτονωθεί και μπορέσει να επιστρέψει στο κανονικό της μήκος. Είναι ένας αδυσώπητος κύκλος που μπορεί να είναι η ανατροπή ενός κακώς κατασκευασμένου τροχού, κυριολεκτικά.
'Ένας τροχός είναι σαν ένας κουραστικός διάδρομος για ακτίνες, κάτι που τους γίνεται ακόμη πιο δύσκολο αφού έχουν προστεθεί ένα νήμα στο ένα άκρο και [στις περισσότερες περιπτώσεις] μια κάμψη και/ή ένα κεφάλι στο άλλο, λέει ο Hornzee-Jones. «Το νήμα είναι ένας συγκεντρωτής τάσης και η μεταφορά φορτίου γίνεται κυρίως μέσω των πρώτων νημάτων. Επιπλέον, η θηλή είναι σχετικά άκαμπτη και, καθώς προσπαθεί να καθίσει κάθετα στο χείλος, σπάνια ευθυγραμμίζεται τέλεια με τη γωνία στην οποία φτάνει η ακτίνα, γεγονός που μπορεί να είναι η αιτία πρόσθετης συγκεντρωμένης πίεσης. Στο άλλο άκρο, η κάμψη J κάμπτεται ελάχιστα και, μετά από εκατοντάδες χιλιάδες κανονικές περιστροφές του τροχού, τυχόν μικροσκοπικά ελαττώματα επιφάνειας, με βάθος μόνο μικρομέτρων και εντελώς ανεπαίσθητα στο ανθρώπινο μάτι, μπορεί να αρχίσουν να ανοίγουν. Είναι μια αργή διαδικασία στην αρχή, αλλά τελικά θα οδηγήσει σε σπάσιμο ακτίνων.'
Ακτίνες αλουμινίου
Ο χάλυβας, ωστόσο, δεν είναι το μόνο υλικό που χρησιμοποιείται για ακτίνες. Οι Mavic και Campagnolo (καθώς και η αδελφή εταιρεία του Campagnolo Fulcrum) είναι εδώ και καιρό υποστηρικτές των ακτίνων αλουμινίου. Το αλουμίνιο έχει το ένα τρίτο της πυκνότητας του χάλυβα, αλλά περίπου το ένα τρίτο της ακαμψίας, επομένως οι ακτίνες πρέπει να είναι παχύτερες, πράγμα που σημαίνει ότι είναι δυνητικά λιγότερο αεροδυναμικές, απαιτούν θηλές μεγαλύτερης διαμέτρου και, στη συνέχεια, μεγαλύτερες τρύπες στις ζάντες, που μπορεί να μείωση της αντοχής και της ακαμψίας του χείλους. Οι ακτίνες αλουμινίου τείνουν επίσης να χρησιμοποιούν σχέδιο ευθείας έλξης, καθώς μια κάμψη J σε αλουμίνιο είναι πολύ πιθανό να αποτύχει υπό πίεση.
Ένας άλλος περιορισμός είναι ότι το αλουμίνιο δεν συγκρατεί το νήμα τόσο εύκολα. Η λύση του Mavic είναι να περάσουν τις θηλές απευθείας στο χείλος, αντί στην ακτίνα. Η Campagnolo προτείνει να επιλέγει ακτίνες αλουμινίου που ζυγίζουν το ίδιο με τις ατσάλινες εκδόσεις, αλλά συγκριτικά βελτιώνουν την αίσθηση οδήγησης των τροχών της, ωστόσο αυτό είναι ένα πολύ υποκειμενικό θέμα στο οποίο οι ακτίνες παίζουν μόνο έναν ρόλο, με ελαστικά, ζάντες και πλήμνες επίσης σημαντικούς παίκτες. πόσο μάλλον το υπόλοιπο ποδήλατο.
Δεδομένων των διαφόρων καταπονήσεων που αντέχουν οι ακτίνες, οι ανθρακονήματα μπορεί να μην φαίνονται καθόλου πιθανή επιλογή, αλλά η Mavic, μαζί με πολλές άλλες μάρκες τροχών υψηλής ποιότητας, όπως η Lightweight και η Reynolds, έχουν βρει τρόπους για να αξιοποιήσει την αντοχή του σε εφελκυσμό στις ακτίνες, με προφανή εξοικονόμηση βάρους. Η R-Sys SLR της Mavic, για παράδειγμα, χρησιμοποιεί κοίλους σωλήνες άνθρακα για να παρέχει ακαμψία υπό τάση και αντίσταση στη συμπίεση.«Το τέντωμα της ακτίνας είναι πολύ χαμηλότερο από το χάλυβα ή το κράμα επειδή ο άνθρακας είναι πιο άκαμπτος», λέει ο Michel Lethenet του Mavic. «Όντας σωλήνες, αντιστέκονται στη συμπίεση, η οποία βοηθά στη διατήρηση της ακαμψίας του τροχού, αν και απαιτούνται ορισμένα μεταλλικά μέρη, τα οποία είναι συνδεδεμένα σε κάθε άκρο για να κάνουν τα εξαρτήματα στο χείλος και την πλήμνη.» Μια εναλλακτική μέθοδος χρησιμοποιείται στο Cosmic Carbone του Mavic. Ultimate, όπου οι ακτίνες άνθρακα με λεπίδες πηγαίνουν από τη μια πλευρά του τροχού στην άλλη, συνδέονται με τη φλάντζα πλήμνης και διασχίζουν άλλες ακτίνες στη διαδρομή.
Truth from spin
Υπάρχουν μερικά άλλα κομμάτια της σοφίας για το ποδήλατο που σχετίζονται με ακτίνες που ο Peter Marchment, επιστήμονας υλικών και διευθυντής της Hunt Bike Wheels, είναι πρόθυμος να διαλύσει. «Ένας τροχός που χρησιμοποιεί βαθύτερο χείλος με μικρότερες ακτίνες συχνά θεωρείται «δυνατότερος», αλλά αυτό συνήθως οφείλεται στην εγγενή πρόσθετη ακαμψία στο χείλος», λέει.«Επίσης, πολλοί άνθρωποι πιστεύουν ότι μια υψηλότερη τάση ακτίνων σημαίνει ότι έχετε έναν πιο άκαμπτο τροχό, αλλά αυτό δεν συμβαίνει. Η ακαμψία του τροχού επηρεάζεται από πολλά πράγματα εκτός από την τάση και μόνο, όπως ο αριθμός ακτίνων, η γωνία στήριξης και το βάθος της ζάντας.
Στην πραγματικότητα μια ακτίνα θα επιμηκυνθεί κατά το ίδιο ποσό όταν φορτωθεί, ανεξάρτητα από την προένταση που εφαρμόζεται, πράγμα που σημαίνει ότι η αύξηση της τάσης της ακτίνας δεν κάνει τον τροχό πιο άκαμπτο.» Η Marchment συνεχίζει, «Τοποθέτηση ακτίνων κάτω από τη σωστή τάση. είναι κρίσιμο. Σε εξαιρετικά υψηλές τάσεις, το χείλος και οι ακτίνες είναι πιο πιθανό να καταστραφούν επειδή ουσιαστικά προφορτώνονται με υψηλή δύναμη. Αλλά οι χαμηλές τάσεις των ακτίνων είναι επίσης ένα πρόβλημα, επειδή η θηλή είναι πιο πιθανό να χαλαρώσει [ξετυλίγεται] όταν καταπονούνται λόγω κρούσεων ή κραδασμών του δρόμου, με αποτέλεσμα ο τροχός να βγει αληθινός.'
Όποια κι αν είναι η ένταση και το σχέδιο, υπάρχει μια τεράστια γκάμα ακτίνων από τις οποίες μπορείτε να επιλέξετε, για να μην αναφέρουμε πολλές παραλλαγές στην ποιότητα του σύρματος από το οποίο κατασκευάζονται. Η Sapim, ένας από τους κορυφαίους κατασκευαστές ακτίνων, παράγει 300 εκατομμύρια ακτίνες ετησίως και πραγματοποιεί αγορές για να διατηρήσει την ποιότητα και να παραμείνει ανταγωνιστική σε όλη τη γκάμα προϊόντων της. «Το εξήντα έως το 70 τοις εκατό της τιμής μιας απλής ακτίνας μέτρησης μπορεί να είναι στο υλικό, επομένως είναι σημαντικό να γίνει σωστά, αλλά το πιο σημαντικό πράγμα για όλες τις ακτίνες μας είναι η απόδοση του σύρματος», λέει ο διευθυντής πωλήσεων της Sapim., Klaus Grüter. «Αναζητούμε ένα σύρμα που να είναι φωτεινό και γυαλιστερό και να έχει αντοχή εφελκυσμού 1.000 έως 1.050 N/mm2 με καλά δεδομένα κόπωσης και, κυρίως, εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση.»
Το Grüter μας λέει ότι τα δείγματα έχουν δοκιμαστεί εργαστηριακά για αντοχή σε εφελκυσμό, κάμψη και αντοχή στη στρέψη. Μόλις γίνει αποδεκτό, το σύρμα από τα καρούλια ισιώνεται με μηχανή και κόβεται. Το απλό σύρμα μετρητή μπορεί επίσης να κατασκευαστεί σε ακτίνες (όπου το κεντρικό τμήμα γίνεται στενότερο) τραβώντας το σύρμα μέσα από μια μήτρα. Μόλις κοπεί, η κεφαλή της ακτίνας και το J-bend σφυρηλατούνται και το νήμα στο άλλο άκρο τυλίγεται (δεν κόβεται). Οι έτοιμες ακτίνες επιθεωρούνται τόσο από συστήματα μηχανικής όρασης όσο και από ανθρώπινο μάτι και χέρι. Ένα μηχάνημα μπορεί να παράγει 20.000 ακτίνες με άκρα την ημέρα, γεγονός που εξηγεί γιατί το διαφορετικό κόστος εργασίας έχει μικρή επίδραση στην τιμή μιας τελικής ακτίνας και γιατί οι κατασκευαστές σε όλο τον κόσμο μπορούν να πουλήσουν σε παρόμοιες τιμές.
Αλλά γιατί να κουμπώσετε μια ακτίνα ούτως ή άλλως; Ο Jonathan Day της Strada Wheels εξηγεί: «Οι ακτίνες με άκρο είναι καλύτερες στο χειρισμό της ροπής από το απλό μετρητή. Είναι φαρδύτεροι στο επίπεδο του τροχού, που είναι η κατεύθυνση της δύναμης στρέψης, οπότε υπάρχει περισσότερο υλικό για να του αντισταθεί. Επίσης, κάμπτονται λίγο περισσότερο στο κάθετο επίπεδο, επομένως είναι καλύτερο να κατανέμουν το φορτίο συμπίεσης στον τροχό.'
μοτίβο ομιλίας
Το παραδοσιακό μοτίβο ακτίνων ενός τροχού ποδηλάτου αποτελείται από 32 (ή μερικές φορές 36) ακτίνες, που διασταυρώνονται τρεις φορές. Το συνυφασμένο σχέδιο των ακτίνων σε έναν παραδοσιακά δεμένο τροχό, όχι απλώς μια όμορφη καλειδοσκοπική διάταξη, είναι στην πραγματικότητα ένα λειτουργικό μέρος του σχεδιασμού του τροχού.
Σε ό,τι αφορά την πλευρική ακαμψία, τα σημεία στα οποία τέμνονται οι ακτίνες επιτρέπουν σε καθεμία να στερεώνεται πάνω σε μια άλλη καθώς τοποθετείται υπό τάση, καθώς και να τη στηρίζει καθώς συμπιέζεται. Ο πιο ζωτικός ρόλος του σχεδίου κορδονιών τριών σταυρών είναι στον πίσω τροχό, όπου οι ακτίνες πρέπει να μεταδίδουν την ισχύ του πετάλι από την πλήμνη. Σε αυτή την περίπτωση, οι ακτίνες φορτώνονται με πολύ μεγαλύτερα στρεπτικά φορτία χάρη στη δύναμη συστροφής από το σύστημα μετάδοσης κίνησης. Οι ακτίνες στην πλευρά της κασέτας, αφήνοντας την πλήμνη εφαπτομενικά, μεταφέρουν μια δύναμη περιστροφής (ροπή) από την πλήμνη στο χείλος. Οι ακτινικές ακτίνες (οι οποίες ακολουθούν μια διαδρομή από το κέντρο της πλήμνης απευθείας στο χείλος, χωρίς να διασχίζουν άλλη) είναι πολύ λιγότερο ικανές να αντιμετωπίσουν αυτό το είδος φόρτωσης και είναι πιο πιθανό να αποτύχουν.
Όταν η ροπή δεν είναι πρόβλημα, όπως σε μπροστινό τροχό με φρένα στεφάνης, η χρήση ακτινικών ακτίνων είναι λογική. Αυτό εξοικονομεί βάρος, καθώς οι ακτίνες μπορεί να είναι μικρότερες και χρειάζονται λιγότερες για τη δημιουργία ενός πλευρικά άκαμπτου τροχού. Καλό φαίνεται επίσης. Τα δισκόφρενα προκαλούν σημαντική στρεπτική φόρτιση, ωστόσο, καθιστώντας τις ακτινικές ακτίνες σχεδόν αδύνατες. «Η σωστή εφαρμογή του σχεδίου κορδονιών είναι το κλειδί επειδή οι ακτίνες μοιράζονται το φορτίο συμπίεσης πιέζοντας τους γείτονες που διασχίζουν, επομένως οι ακτίνες θα πρέπει να είναι δεμένες για να είναι κορυφαίες ή τρέιλερ», λέει ο Day. «Πρέπει να βεβαιωθείτε ότι μια προπορευόμενη ακτίνα καταπονείται πρώτα από την πλευρά της κίνησης. Σε έναν τροχό 32 ακτίνων θέλετε 16 κορυφαίες ακτίνες για να μοιράζονται το φορτίο. Αν κάνετε λάθος το κορδόνι, θα καταλήξετε με μόνο οκτώ να κάνουν τη δουλειά.»
Αξιοσημείωτα, τα μοτίβα ακτίνων παρέμειναν μια από τις λιγότερο αμφιλεγόμενες πτυχές του σχεδιασμού των τροχών, παρά τα τεράστια άλματα προς τα εμπρός στα υλικά και την τεχνολογία κατασκευής τις τελευταίες δεκαετίες. Είναι μια πραγματικά δοκιμασμένη μεθοδολογία και όπως λέει και η παροιμία, αν δεν χαλάσει…
