Невъзпятите герои на велосипеда, смятаме, че е крайно време спиците да получат дължимото уважение
Тези тънки нишки от тел изпълняват безмилостно трудна работа, като се разтягат и компресират многократно с всяко едно завъртане на нашите колела. Те също така пренасят силите на ускорение при въртене на педалите от главината към джантата на колелото и предават и спирачните сили. Тяхната роля в самия факт, че изобщо можем да караме велосипед, е почти магическа – толкова тънки нишки издържат толкова огромни натоварвания. Така че решихме, че е крайно време скромната спица да получи малко заслуги, където се дължи цял товар.
'Гениалността на колелото със спици е, че то може да прехвърли често много големите сили, създавани от ездача, велосипеда и различните пътни настилки, в тези тънки пръти, като всяка от тях е систематично компресирана, докато колелото се върти и натоварването се прехвърля от един говори на друг и така продължава“, казва професор Марк Миодоуник, директор на Института по правене към Лондонския университетски колеж, автор на Stuff Matters, телевизионен водещ и запален колоездач. Той продължава: „Това е красив начин за оптимизиране на теглото, цената и производителността на колелото.“
Спиците, веднъж под напрежение, по същество закрепват джантата, използвайки главината като централна котва. В сценарий на перфектния свят всяка спица се дърпа с еднакво напрежение, за да разпредели равномерно натоварването в колелото, като същевременно държи джантата истинска и кръгла. Спиците трябва да поддържат колелото срещу странично огъване и деформация на джантата и също така да издържат на ефективното смачкване на колелото от вертикално натоварване (радиална компресия). Не малка задача. Не е чудно, че след появата на колелото са изследвани много малко други решения.
Напрежение на спиците
Сега нещата започват да стават технически и няма да сте сами, ако това, което следва, е малко объркващо и неинтуитивно. Има силно разногласие относно това дали велосипедът всъщност виси от горните спици (тези над главината, когато гледате мотора отстрани) или по-скоро се поддържа от долните, действащи като малки колони.„Последното мнение, колкото и странно да изглежда, определено е така“, казва Джим Пападопулос от Инженерния колеж на Североизточния университет в Бостън, САЩ, и съавтор на Bicycling Science.
Въпреки че е лесно да се повярва, че една спица на велосипед просто ще се срути под тежестта на велосипеда и водача, той обяснява, че напрежението, създадено в спица по време на процеса на изграждане на колелото (наречено „предварително напрежение“) е което позволява на долните спици да поемат натоварването без изкривяване, както биха направили, ако нямаше предварително напрежение. „Всяка спица на ненатовареното колело има опън от порядъка на 100lb [445N]. Когато оста е притисната към земята със сила от 100lb, единственият значителен ефект върху напрежението на спиците е да се намалят тези директно под главината – обикновено един намалява до около 50lb, а спиците от всяка страна на този един намаляват до около 75lb. Това е точно това, което човек би видял с масивни дървени спици като старо колело от каруца – долната ще носи 50lb, а тези от двете й страни ще носят 25lb. Разликата с колелата с телени спици е, че телените спици не могат да издържат натоварване на натиск – те ще се срутят. Така че всички спици са гениално предварително натегнати. Един проводник не може да понесе натоварване на натиск от 50lb, освен когато вече носи натоварване на опън, надвишаващо това.
„Разбира се, колелото на велосипеда ще се срути, ако горните или хоризонталните спици бъдат премахнати“, добавя Пападопулос. „Но това е по същество, защото променената структура има много различен път на натоварване и освен това не е в състояние да осигури необходимото предварително напрежение. Не можем да използваме това сгъване, за да заключим, че типичното колело носи натоварване през горните спици.“Ако това кара главата ви да се върти, не сте сами. Така че нека да преминем към по-простата област на материала за спици.
Стоманени спици
Спиците са направени предимно от стомана, избор на материал, който, както ни казва Miodownik, „основно се свежда до способността да имате надеждна резба. Стоманената тел е страхотна, защото дори с много малка площ за закрепване, като например мястото, където нипелът държи спицата на ръба, можете да поставите доста голямо напрежение върху тях, без да оголвате конеца. Неръждаемата стомана е идеалният материал, тъй като има правилната комбинация от висока якост и ниско тегло, като същевременно е достъпна.“
Неръждаемата стомана е избраният метал за спици от края на 19 век поради високата си якост на опън, която позволява на спиците да останат сравнително тънки и леки, като същевременно се справят със силите, поставени върху тях. „Спиците от мека стомана трябва да са два пъти по-тежки и дебели“, казва Крис Хорнзи-Джоунс, директор на структурните инженери Aerotrope. Той проектира новаторския планински велосипед Lotus от въглеродни влакна и работи върху едно от най-големите колела с опънати спици, правени някога – конструкцията с диаметър 60 метра, окачена под покрива на Millennium Dome, използвана като платформа за въздушни артисти. „Чрез добавяне на хром и молибден към желязото и въглерода на меката стомана, получената сплав от неръждаема стомана е много по-устойчива на умора.'
Умората е враг на спиците. Ако смятате, че вашите четириколки са многократно подложени на напрежение от повтарянето на ударите на педалите, тогава съжалявайте за вашите спици, които биват удряни с всяко едно завъртане на колелото. Всяка спица в колелото е подложена на компресионно натоварване само за част от секундата, докато е директно под главината, и за този момент тя се компресира, преди налягането да отслабне и да може да се върне към нормалната си дължина. Това е безмилостен цикъл, който буквално може да доведе до разваляне на зле изградено колело.
'Колелото е като уморителна бягаща пътека за спици, което става още по-трудно за тях, като има добавена резба в единия край и [в повечето случаи] огъване и/или глава в другия,' казва Хорнзи-Джоунс. „Нишката е концентратор на напрежение и прехвърлянето на натоварването се осъществява най-вече през първите няколко нишки. Нещо повече, нипелът е сравнително твърд и докато се опитва да стои перпендикулярно на ръба, той рядко се изравнява перфектно с ъгъла, под който стига спицата, което може да е причина за допълнително концентрирано напрежение. В другия край J-образният завой се огъва мигновено и след стотици хиляди нормални завъртания на колелото, всякакви малки повърхностни дефекти, дълбоки само микрони и напълно незабележими за човешкото око, могат да започнат да се отварят. Първоначално това е бавен процес, но в крайна сметка ще доведе до счупване на спиците.“
Алуминиеви спици
Стоманата обаче не е единственият материал, използван за спиците. Mavic и Campagnolo (както и сестринската компания на Campagnolo Fulcrum) отдавна са привърженици на алуминиевите спици. Алуминият има една трета от плътността на стоманата, но също и около една трета от твърдостта, така че спиците трябва да са по-дебели, което означава, че са потенциално по-малко аеродинамични, изискват нипели с по-голям диаметър и впоследствие по-големи дупки в джантите, което може намаляване на здравината и твърдостта на джантата. Алуминиевите спици също са склонни да използват дизайн с право издърпване, тъй като J-образното огъване в алуминия е много вероятно да се повреди при напрежение.
Друго ограничение е, че алуминият не държи резбата толкова лесно. Решението на Mavic е да завиете нипелите директно в ръба, вместо върху спицата. Campagnolo предлага да избере алуминиеви спици, които тежат същото като стоманените версии, но за сравнение подобряват усещането при возене на колелата, но това е до голяма степен субективен въпрос, в който спиците играят само една роля, като гумите, джантите и главините също са важни играчи, да не говорим за останалата част от мотора.
Като се имат предвид различните натоварвания, които издържат спиците, въглеродните влакна може изобщо да не изглеждат като вероятен избор, но Mavic, заедно с няколко други марки колела от висок клас, като Lightweight и Reynolds, за да назовем две, са намерили начини за да впрегне своята якост на опън в спиците, с очевидно спестяване на тегло за грабване. R-Sys SLR на Mavic, например, използва кухи въглеродни тръби, за да осигури твърдост при напрежение и устойчивост на компресия.„Разтягането на спиците е много по-малко от стоманата или сплавта, тъй като въглеродът е по-твърд“, казва Мишел Летенет от Mavic. „Бъдейки тръби, те издържат на компресия, което помага да се поддържа твърдостта на колелото, въпреки че са необходими някои метални части, които са свързани във всеки край, за да направят закрепванията на джантата и главината.“Алтернативен метод е използван в Cosmic Carbone на Mavic Ultimate, при който карбонови спици с остриета преминават от едната страна на колелото до другата, свързвайки се с фланеца на главината и пресичайки други спици по пътя.
Истината от спина
Има няколко други приети мъдрости за велосипедите, свързани със спиците, които Питър Марчмент, учен по материали и директор на Hunt Bike Wheels, с удоволствие разсее. „Колело с по-дълбока джанта с по-къси спици често се смята за „по-здраво“, но това обикновено се дължи на присъщата добавена твърдост на джантата“, казва той. Освен това много хора вярват, че по-високото напрежение на спиците означава, че получавате по-твърдо колело, но това не е така. Коравината на колелото се влияе от много неща, освен само напрежението, включително брой спици, ъгъл на укрепване и дълбочина на джантата.
Всъщност една спица ще се удължи със същото количество, когато е натоварена, независимо от приложеното предварително напрежение, което означава, че увеличаването на опъна на спиците не прави колелото по-твърдо.“Marchment продължава, „Поставяне на спиците под правилното напрежение е от решаващо значение. При изключително високи напрежения джантата и спиците са по-склонни да бъдат повредени, тъй като те ефективно са предварително натоварени с висока сила. Но ниските напрежения на спиците също са проблем, защото има по-голяма вероятност зърното да се разхлаби [размотаване], когато те бъдат разтоварени от удари или вибрации на пътя, което води до излизане на колелото.“
Каквото и да е напрежението и шарката, има огромен набор от спици, от които да избирате, да не говорим за много вариации в качеството на телта, от която са направени. Sapim, един от водещите производители на спици, произвежда 300 милиона спици годишно и пазарува наоколо, за да поддържа качеството и да остане конкурентоспособен в своята продуктова гама. „Шестдесет до 70 процента от цената на обикновена спица може да бъде в материала, така че е важно да го направите правилно, но най-важното нещо за всички наши спици е производителността на жицата“, казва мениджърът по продажбите на Sapim, Клаус Грютер. „Търсим тел, която е ярка и лъскава и която има якост на опън от 1000 до 1050N/mm2 с добри данни за умора и, което е важно, отлична устойчивост на корозия.“
Grüter ни казва, че пробите са лабораторно тествани за якост на опън, устойчивост на огъване и усукване. След като бъде приета, телта от макарите се изправя машинно и се нарязва. Телът с обикновен калибър може също да бъде направен на спици (където централната част е направена по-тясна) чрез изтегляне на жицата през матрица. Веднъж опънати, главата на спицата и J-образната чупка се изковават, а резбата в другия край се навива (не се нарязва). Готовите спици се проверяват както от системи за машинно зрение, така и от човешко око и ръка. Една машина е в състояние да произвежда 20 000 спици на ден, което обяснява защо различните разходи за труд имат малко влияние върху цената на готовата спица и защо производителите по целия свят могат да продават на подобни цени.
Но защо все пак да забивате спицата? Джонатан Дей от Strada Wheels обяснява: „Бутираните спици се справят по-добре с въртящия момент от обикновения габарит. Те са по-широки в равнината на колелото, което е посоката на усукващата сила, така че има повече материал, който да й устои. Освен това те се огъват малко повече в перпендикулярната равнина, така че са по-добри в разпределянето на компресионното натоварване върху колелото.“
Модел на спици
Традиционният модел на спиците на колело на велосипед се състои от 32 (или понякога 36) спици, кръстосани три пъти. Преплетеният модел на спиците в традиционно завързано колело, далеч не е просто красива калейдоскопична подредба, всъщност е функционална част от дизайна на колелото.
По отношение на страничната твърдост, точките, в които спиците се пресичат, позволяват на всяка една да се опре в друга, докато е поставена под напрежение, както и да я поддържа, докато е компресирана. Най-жизненоважната роля на модела с три кръстосани връзки е в задното колело, където спиците трябва да предават силата на педалите от главината. В този случай спиците са натоварени с много по-големи торсионни натоварвания благодарение на силата на усукване от задвижването. Спиците от страната на касетата, напускайки главината тангенциално, предават сила на въртене (въртящ момент) от главината към джантата. Радиалните спици (които следват път от центъра на главината директно до джантата, без да пресичат друг) са много по-малко способни да се справят с този тип натоварване и е по-вероятно да се повредят.
Когато въртящият момент не е проблем, като например при предно колело със спирачки на джантата, използването на радиални спици има смисъл. Това спестява тегло, тъй като спиците могат да бъдат по-къси и са необходими по-малко за създаване на странично твърдо колело. Също така изглежда добре. Дисковите спирачки обаче причиняват значително натоварване на усукване, което прави радиалното спиране почти невъзможно. „Получаването на правилния модел на завързване е от ключово значение, тъй като спиците споделят натоварването на компресията, като се притискат към съседите, които пресичат, така че спиците трябва да бъдат завързани, за да бъдат водещи или ремаркета“, казва Дей. „Трябва да се уверите, че водещата спица поема напрежението първо от страната на задвижването. На колело с 32 спици искате 16 водещи спици да споделят товара. Ако сбъркате връзките, ще се окажете само осем, които ще свършат работата.“
Забележително е, че спиците остават един от аспектите на дизайна на колелата с най-малко предизвикателства, въпреки някои огромни скокове напред в материалите и производствените технологии през последните десетилетия. Това е наистина изпитана и изпитана методология и както се казва, ако не се повреди…
