เหล่าฮีโร่นักปั่นแห่งวงการจักรยาน เราคิดว่าคงถึงเวลาแล้วที่พูดจาให้เกียรติกัน
เส้นลวดเส้นเล็กเหล่านี้ทำงานหนักอย่างไม่ลดละ ถูกยืดและบีบอัดซ้ำแล้วซ้ำเล่าด้วยการหมุนวงล้อของเราทุกครั้ง พวกเขายังส่งแรงเร่งของการถีบจากดุมล้อไปยังขอบล้อและส่งแรงเบรกด้วย บทบาทของพวกเขาในการที่เราสามารถขี่จักรยานได้เลยนั้นแทบจะเรียกได้ว่ามหัศจรรย์เลย เพราะเส้นบางๆ ที่รองรับน้ำหนักได้มากขนาดนี้ ดังนั้นเราจึงรู้สึกว่าถึงเวลาแล้วที่ผู้พูดที่อ่อนน้อมถ่อมตนได้รับเครดิตซึ่งเป็นภาระทั้งหมด
'ความอัจฉริยะของวงล้อซี่ลวดคือมันสามารถถ่ายเทกำลังขนาดใหญ่ที่มักเกิดขึ้นจากผู้ขับขี่ จักรยาน และพื้นผิวถนนที่แตกต่างกันไปไว้ในแท่งเหล็กบางๆ เหล่านี้ โดยแต่ละล้อจะถูกบีบอัดอย่างเป็นระบบเมื่อล้อหมุนและน้ำหนักบรรทุกจะเคลื่อนออกจาก ศาสตราจารย์มาร์ค มิโอดาวน์นิก ผู้อำนวยการสถาบันการประดิษฐ์ที่มหาวิทยาลัยคอลเลจลอนดอน ผู้เขียนหนังสือเรื่อง Stuff Matters พิธีกรรายการโทรทัศน์ และนักปั่นจักรยานที่กระตือรือร้นกล่าวเขากล่าวต่อว่า "เป็นวิธีที่สวยงามในการเพิ่มประสิทธิภาพน้ำหนัก ราคา และประสิทธิภาพของล้อ"
เมื่ออยู่ในสภาวะตึงเครียด ให้รั้งขอบโดยใช้ดุมเป็นสมอกลาง ในสถานการณ์โลกที่สมบูรณ์แบบ ซี่ล้อแต่ละซี่ดึงด้วยแรงตึงเท่ากันเพื่อกระจายน้ำหนักให้ทั่วล้อในขณะที่ยังคงรักษาขอบล้อให้เหมือนจริงและเป็นวงกลม ซี่ล้อต้องรองรับล้อจากการโค้งงอด้านข้างและการเสียรูปของขอบล้อ และยังต้องต้านทานล้อที่จะถูกบีบโดยการโหลดในแนวตั้ง (การอัดในแนวรัศมี) อย่างมีประสิทธิภาพ ไม่มีงานเล็ก ๆ ไม่น่าแปลกใจเลยที่ตั้งแต่การถือกำเนิดของวงล้อ ได้มีการสำรวจวิธีแก้ปัญหาอื่นๆ น้อยมาก
พูดตึงเครียด
ตอนนี้สิ่งต่าง ๆ เริ่มมีเทคนิค และคุณจะไม่โดดเดี่ยวหากสิ่งต่อไปนี้ทำให้สับสนและขัดกับสัญชาตญาณเล็กน้อย มีการโต้เถียงกันอย่างหนักว่าจักรยานที่มีผลใช้งานนั้นแขวนจากซี่ล้อด้านบนหรือไม่ (ที่อยู่เหนือดุมล้อเมื่อคุณมองจากด้านข้าง) หรือค่อนข้างได้รับการสนับสนุนจากส่วนล่าง ซึ่งทำหน้าที่เหมือนเสาเล็กๆจิม ปาปาโดปูลอส จากวิทยาลัยวิศวกรรมศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยนอร์ทอีสเทิร์นในเมืองบอสตัน สหรัฐอเมริกา และผู้เขียนร่วมของ Bicycling Science กล่าวว่า "มุมมองหลังที่ดูแปลก ๆ ดูเหมือนจะเป็นเช่นนั้น"
ในขณะที่เชื่อได้ง่ายว่าซี่ล้อจักรยานจะยุบตัวลงภายใต้น้ำหนักของจักรยานและคนขี่ เขายังอธิบายต่อไปว่าความตึงที่เกิดขึ้นในซี่ล้อระหว่างกระบวนการสร้างล้อ (เรียกว่า 'ความตึงล่วงหน้า') คือ อะไรทำให้ซี่ล้อล่างรับน้ำหนักได้โดยไม่โก่งงอ เหมือนกับที่มันทำได้หากไม่มีการดึงก่อนตึง 'ทุกซี่ล้อบนล้อที่ไม่ได้บรรจุมีความตึงเครียด 100lb [445N] เมื่อกดเพลาลงไปที่พื้นด้วยแรง 100 ปอนด์ ผลกระทบที่สำคัญเพียงอย่างเดียวต่อความตึงของซี่ล้อคือการลดแรงที่อยู่ใต้ดุมโดยตรง โดยทั่วไปแล้วหนึ่งซี่จะลดเหลือประมาณ 50 ปอนด์ และซี่ล้อแต่ละด้านของซี่ล้อจะลดลงเหลือประมาณ 75 ปอนด์ นี่คือสิ่งที่เราเห็นด้วยซี่ไม้ที่เป็นของแข็งเหมือนล้อเกวียนเก่า อันล่างจะรับน้ำหนักได้ 50 ปอนด์ และซี่ล้อข้างใดข้างหนึ่งจะรับน้ำหนักได้ 25 ปอนด์ความแตกต่างของล้อซี่ลวดคือซี่ลวดไม่สามารถรับแรงอัดได้ – มันจะยุบ ดังนั้นซี่ล้อทั้งหมดจึงได้รับการปรับความตึงอย่างชาญฉลาด ลวดไม่สามารถรับแรงอัดได้ 50 ปอนด์ ยกเว้นเมื่อมีแรงตึงเกินกว่านั้นแล้ว
‘แน่นอนว่าล้อจักรยานจะพังถ้าถอดซี่ล้อด้านบนหรือแนวนอนออก” Papadopoulos กล่าวเสริม 'แต่นั่นเป็นโดยพื้นฐานแล้วเนื่องจากโครงสร้างที่เปลี่ยนแปลงมีเส้นทางการรับน้ำหนักที่แตกต่างกันมาก และนอกจากนี้ยังไม่สามารถจัดหาแรงตึงล่วงหน้าที่จำเป็นได้ เราไม่สามารถใช้การยุบตัวนั้นเพื่อสรุปว่าล้อทั่วไปรับน้ำหนักผ่านซี่ล้อด้านบนได้' หากสิ่งนั้นทำให้คุณหัวหมุน แสดงว่าคุณไม่ได้อยู่คนเดียว มาดูเนื้อหาพูดที่ตรงไปตรงมากันดีกว่า
ซี่เหล็ก
ซี่ลวดทำจากเหล็กเป็นส่วนใหญ่ ซึ่งเป็นทางเลือกของวัสดุที่ Miodownik บอกเราว่า 'โดยพื้นฐานแล้วมาจากความสามารถในการมีด้ายที่ไว้ใจได้ลวดเหล็กนั้นยอดเยี่ยมเพราะถึงแม้จะมีพื้นที่ยึดเพียงเล็กน้อย เช่น ตรงที่จุกนมยึดซี่ล้อไว้ที่ขอบล้อ คุณก็สามารถดึงแรงตึงได้ค่อนข้างมากโดยไม่ต้องดึงด้ายออก สแตนเลสเป็นวัสดุที่เหมาะสมที่สุด เนื่องจากมีความแข็งแรงสูงและน้ำหนักเบาที่ผสมผสานกันอย่างลงตัว ในขณะที่ราคาจับต้องได้’
เหล็กสแตนเลสเป็นตัวเลือกสำหรับซี่ล้อตั้งแต่ปลายศตวรรษที่ 19 เนื่องจากมีความต้านทานแรงดึงสูง ซึ่งช่วยให้ซี่ล้อค่อนข้างบางและน้ำหนักเบาในขณะที่รับมือกับแรงที่วางไว้ Chris Hornzee-Jones ผู้อำนวยการฝ่ายวิศวกรโครงสร้าง Aerotrope กล่าวว่า "ซี่เหล็กอ่อนจะต้องหนักและหนาเป็นสองเท่า" เขาออกแบบจักรยานเสือภูเขาคาร์บอนไฟเบอร์ที่ล้ำสมัยของ Lotus และทำงานกับหนึ่งในล้อซี่ลวดที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยมีมา โครงสร้างเส้นผ่านศูนย์กลาง 60 ม. ห้อยอยู่ใต้หลังคาของ Millennium Dome ซึ่งใช้เป็นแพลตฟอร์มสำหรับนักแสดงกลางอากาศ 'โดยการเพิ่มโครเมียมและโมลิบดีนัมลงในเหล็กและคาร์บอนของเหล็กอ่อน โลหะผสมสแตนเลสที่เป็นผลลัพธ์จะมีความทนทานต่อความล้ามากขึ้น’
ความเหนื่อยล้าคือศัตรูตัวฉกาจ หากคุณคิดว่าคนสี่คนของคุณถูกกดดันซ้ำแล้วซ้ำเล่าจากการเหยียบคันเร่งซ้ำๆ ให้สงสารซี่ล้อของคุณ เพราะถูกกระแทกด้วยการหมุนวงล้อทุกครั้ง ซี่ล้อแต่ละตัวในล้อรับแรงอัดเพียงเสี้ยววินาทีที่อยู่ใต้ดุมล้อโดยตรง และในขณะนั้น ก้านล้อจะถูกบีบอัดก่อนที่แรงดันจะหลุดออกมา และสามารถกลับคืนสู่ความยาวปกติได้ มันเป็นวัฏจักรที่ไม่หยุดยั้งที่สามารถปลดล้อที่สร้างขึ้นได้ไม่ดีอย่างแท้จริง
'ล้อก็เหมือนลู่วิ่งที่เหนื่อยสำหรับซี่ล้อ ซึ่งทำให้ยากขึ้นสำหรับพวกเขาโดยการเพิ่มด้ายที่ปลายด้านหนึ่งและ [ในกรณีส่วนใหญ่] การโค้งงอและ/หรือหัวที่อีกด้านหนึ่ง ' Hornzee-Jones กล่าว 'เธรดเป็นจุดรวมของความเครียดและการถ่ายโอนโหลดเกิดขึ้นส่วนใหญ่ผ่านสองสามเธรดแรกยิ่งไปกว่านั้น หัวนมค่อนข้างแข็ง และเมื่อพยายามนั่งในแนวตั้งฉากกับขอบ จุกนมก็ไม่ค่อยจะอยู่ในแนวเดียวกับมุมที่ซี่ล้อไปถึง ซึ่งอาจเป็นต้นเหตุของความเครียดที่เข้มข้นขึ้นได้ ที่ปลายอีกด้าน J-bend จะโค้งงอเล็กน้อย และหลังจากการหมุนล้อตามปกติหลายแสนครั้ง รอยตำหนิเล็กๆ บนพื้นผิวใดๆ ที่มีความลึกเพียงไมครอนและมองไม่เห็นด้วยตาเปล่าโดยสิ้นเชิงอาจเริ่มปรากฏขึ้น มันเป็นกระบวนการที่ช้าในตอนแรก แต่ในที่สุดจะนำไปสู่การพูดหัก’
ซี่ลวดอะลูมิเนียม
เหล็กไม่ใช่วัสดุเดียวที่ใช้ทำซี่ล้อ Mavic และ Campagnolo (รวมถึง Fulcrum ซึ่งเป็นบริษัทในเครือของ Campagnolo) เป็นผู้สนับสนุนซี่ล้ออะลูมิเนียมมานานแล้ว อะลูมิเนียมมีความหนาแน่น 1 ใน 3 ของเหล็ก แต่มีความแข็งประมาณหนึ่งในสามด้วย ดังนั้น ซี่ล้อจึงต้องหนาขึ้น ซึ่งหมายความว่าอาจมีคุณสมบัติตามหลักอากาศพลศาสตร์น้อยกว่า ต้องใช้จุกนมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่า และต่อมาก็จะมีรูที่ใหญ่ขึ้นในขอบล้อ ซึ่งสามารถทำได้ ลดความแข็งแรงและความแข็งของขอบล้อซี่ล้ออะลูมิเนียมยังมีแนวโน้มที่จะใช้การออกแบบแบบดึงตรง เนื่องจาก J-bend ในอะลูมิเนียมมีแนวโน้มสูงที่จะล้มเหลวภายใต้ความเครียด
ข้อจำกัดอีกอย่างคืออลูมิเนียมไม่ยึดด้ายง่าย วิธีแก้ปัญหาของ Mavic คือการร้อยหัวนมเข้ากับขอบล้อโดยตรง แทนที่จะไปบนซี่ล้อ Campagnolo แนะนำว่าเลือกใช้ซี่ล้ออะลูมิเนียมที่มีน้ำหนักเท่ากับรุ่นเหล็ก แต่โดยการเปรียบเทียบจะปรับปรุงความรู้สึกในการขับขี่ของล้อ อย่างไรก็ตาม นี่เป็นเรื่องส่วนตัวโดยส่วนใหญ่ที่ซี่ล้อเล่นเพียงส่วนเดียว โดยที่ยาง ขอบล้อ และดุมก็มีผู้เล่นที่สำคัญเช่นกัน นับประสาจักรยานที่เหลือ
เมื่อพิจารณาจากแรงกดต่างๆ ที่ซี่ล้อทนทาน คาร์บอนไฟเบอร์อาจดูเหมือนไม่ใช่ตัวเลือกที่น่าจะเป็นไปได้เลย แต่ Mavic ร่วมกับแบรนด์ล้อระดับไฮเอนด์อื่นๆ อีกหลายแบรนด์ เช่น Lightweight และ Reynolds เป็นต้น ได้ค้นพบวิธีต่างๆ เพื่อควบคุมแรงดึงในซี่ล้อ โดยลดน้ำหนักลงอย่างเห็นได้ชัด ตัวอย่างเช่น R-Sys SLR ของ Mavic ใช้ท่อคาร์บอนแบบกลวงเพื่อให้มีความแข็งภายใต้แรงตึงและความต้านทานต่อแรงอัดMichel Lethenet จาก Mavic กล่าวว่า "การยืดของซี่ล้อนั้นต่ำกว่าเหล็กกล้าหรือโลหะผสมมากเพราะคาร์บอนมีความแข็งมากกว่า" 'เนื่องจากเป็นท่อ พวกเขาต้านทานการบีบอัดซึ่งช่วยรักษาความแข็งของล้อแม้ว่าจะต้องใช้ชิ้นส่วนโลหะบางส่วนซึ่งถูกผูกมัดที่ปลายแต่ละด้านเพื่อทำสิ่งที่แนบมาที่ขอบและดุม' มีการใช้วิธีการอื่นใน Cosmic Carbone ของ Mavic Ultimate ซึ่งซี่ล้อคาร์บอนเบลดจากด้านหนึ่งของล้อไปอีกด้านหนึ่ง เชื่อมต่อกับหน้าแปลนดุมล้อ และข้ามซี่ล้ออื่นๆ ระหว่างทาง
ความจริงจากการหมุน
ยังมีเกร็ดความรู้เกี่ยวกับจักรยานอีกสองสามชิ้นที่เกี่ยวข้องกับซี่ล้อที่ Peter Marchment นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุและผู้อำนวยการ Hunt Bike Wheels ยินดีที่จะปัดเป่า 'ล้อที่ใช้ขอบล้อที่ลึกกว่าและซี่ล้อที่สั้นกว่านั้นมักถูกมองว่า "แข็งแกร่งกว่า" แต่สิ่งนี้มักจะขึ้นอยู่กับความแข็งที่เพิ่มขึ้นโดยธรรมชาติของขอบล้อ” เขากล่าว'นอกจากนี้ หลายคนเชื่อว่าความตึงของซี่ล้อที่สูงขึ้นหมายความว่าคุณจะได้ล้อที่แข็งขึ้น แต่ก็ไม่เป็นเช่นนั้น ความฝืดของล้อได้รับผลกระทบจากหลายสิ่งหลายอย่างนอกเหนือจากความตึงเครียดเพียงอย่างเดียว รวมถึงการนับจำนวนซี่ล้อ มุมค้ำยัน และความลึกของขอบล้อ
แท้จริงแล้ว ซี่ล้อจะยาวขึ้นเท่ากันเมื่อบรรทุก โดยไม่คำนึงถึงความตึงของซี่ล้อ หมายความว่า การเพิ่มความตึงของซี่ล้อไม่ได้ทำให้ล้อแข็งขึ้น' การเดินขบวนยังดำเนินต่อไป 'การวางซี่ล้อไว้ใต้ความตึงเครียดที่เหมาะสม เป็นสิ่งสำคัญ ที่ความตึงเครียดสูงมาก ขอบล้อและซี่ล้อมีโอกาสเกิดความเสียหายได้มากกว่า เนื่องจากถูกบรรจุไว้ล่วงหน้าด้วยกำลังสูงอย่างมีประสิทธิภาพ แต่ความตึงของซี่ลวดต่ำก็เป็นปัญหาเช่นกัน เพราะหัวนมมักจะหลวม [คลาย] เมื่อคลายความเครียดจากการกระแทกหรือแรงสั่นสะเทือนของถนน ทำให้ล้อหลุดออกจากความเป็นจริง’
ไม่ว่าจะมีความตึงเครียดและรูปแบบใดก็ตาม มีซี่ลวดให้เลือกมากมาย ไม่ต้องพูดถึงคุณภาพของลวดที่ใช้ทำลวดที่หลากหลายSapim หนึ่งในผู้ผลิตซี่ล้อชั้นนำ ผลิตซี่ล้อ 300 ล้านชิ้นต่อปี และร้านค้ารอบๆ เพื่อรักษาคุณภาพและคงความสามารถในการแข่งขันในกลุ่มผลิตภัณฑ์ต่างๆ 'หกสิบถึง 70% ของราคาของซี่ล้อธรรมดาสามารถอยู่ในวัสดุได้ ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะทำให้ถูกต้อง แต่สิ่งที่สำคัญที่สุดสำหรับซี่ทั้งหมดของเราคือประสิทธิภาพของลวด' ผู้จัดการฝ่ายขายของ Sapim กล่าว, เคลาส์ กรึตเตอร์. ‘เรากำลังมองหาลวดที่สว่างและเป็นมันเงาและมีความต้านทานแรงดึง 1,000 ถึง 1, 050N/mm2 พร้อมข้อมูลความล้าที่ดีและที่สำคัญคือทนต่อการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยม’
Grüter บอกเราว่าตัวอย่างได้รับการทดสอบในห้องปฏิบัติการเพื่อหาความต้านทานแรงดึง การดัดงอ และความต้านทานแรงบิด เมื่อยอมรับแล้ว ลวดจากหลอดจะถูกยืดให้ตรงด้วยเครื่องจักรและตัด ลวดเกจธรรมดายังสามารถทำเป็นซี่แบบก้น (โดยที่ส่วนตรงกลางถูกทำให้แคบลง) โดยการดึงลวดผ่านดาย เมื่อชนแล้ว หัวของซี่ล้อและส่วนโค้งรูปตัว J จะถูกหลอมและเกลียวที่ปลายอีกด้านจะถูกรีด (ไม่ตัด)ซี่ล้อสำเร็จรูปได้รับการตรวจสอบทั้งโดยระบบวิชันซิสเต็มและด้วยตาและมือของมนุษย์ เครื่องหนึ่งสามารถผลิตซี่ล้อแบบก้นกบได้ 20,000 ซี่ต่อวัน ซึ่งอธิบายได้ว่าทำไมค่าแรงที่แตกต่างกันจึงส่งผลกระทบเพียงเล็กน้อยต่อราคาของซี่ล้อที่ทำเสร็จแล้ว และทำไมผู้ผลิตทั่วโลกจึงสามารถขายได้ในราคาใกล้เคียงกัน
แต่ทำไมถึงยังพูดอยู่ล่ะ? Jonathan Day of Strada Wheels อธิบายว่า 'ซี่ล้อแบบ Butted นั้นควบคุมแรงบิดได้ดีกว่าเกจธรรมดา พวกมันกว้างกว่าในระนาบของล้อ ซึ่งเป็นทิศทางของแรงบิด จึงมีวัสดุต้านทานได้มากขึ้น นอกจากนี้ พวกมันจะงอมากขึ้นเล็กน้อยในระนาบตั้งฉาก ดังนั้นพวกมันจึงกระจายโหลดการอัดไปทั่วล้อได้ดีกว่า’
รูปแบบการพูด
ล้อจักรยานแบบซี่ล้อแบบดั้งเดิมประกอบด้วยซี่ล้อ 32 ซี่ (หรือบางครั้ง 36 ซี่) ไขว้สามครั้งลวดลายที่ผสานกันของซี่ล้อในล้อแบบผูกเชือกแบบดั้งเดิม ที่จริงแล้วมันเป็นส่วนที่ใช้งานได้จริงของการออกแบบล้อ
ในแง่ของความแข็งแกร่งด้านข้าง จุดที่ซี่ล้อตัดกันช่วยให้แต่ละซี่ค้ำยันกับอีกซี่หนึ่งเมื่ออยู่ภายใต้ความตึงเครียด เช่นเดียวกับการรองรับเมื่อถูกบีบอัด บทบาทที่สำคัญที่สุดของรูปแบบการร้อยเชือกรองเท้าแบบสามกากบาทอยู่ที่ล้อหลัง โดยที่ซี่ล้อต้องส่งกำลังการถีบจากดุมล้อ ในกรณีนี้ ซี่ล้อรับน้ำหนักบิดได้มากขึ้นด้วยแรงบิดจากระบบขับเคลื่อน ซี่ล้อที่ด้านคาสเซ็ตต์ โดยปล่อยให้ดุมสัมผัสกัน โอนแรงหมุน (แรงบิด) จากดุมล้อไปยังขอบล้อ ซี่ล้อแบบเรเดียล (ซึ่งเดินตามเส้นทางจากศูนย์กลางของดุมไปยังขอบล้อโดยตรง โดยไม่ข้ามอีกข้าง) รับมือกับน้ำหนักบรรทุกประเภทนี้ได้น้อยกว่ามาก และมีแนวโน้มว่าจะเสียมากกว่า
เมื่อแรงบิดไม่ใช่ปัญหา เช่น ที่ล้อหน้าที่มีเบรคขอบ การใช้ซี่ล้อแบบเรเดียลก็สมเหตุสมผลวิธีนี้ช่วยลดน้ำหนักได้ เนื่องจากซี่ล้ออาจสั้นลงและต้องใช้น้อยลงเพื่อสร้างล้อที่แข็งในแนวขวาง มันดูดีเกินไป ดิสก์เบรกทำให้เกิดการโหลดแบบบิดเบี้ยวอย่างมาก อย่างไรก็ตาม ซี่งเป็นแนวรัศมีแต่เป็นไปไม่ได้ 'การผูกเชือกรองเท้าให้ถูกต้องเป็นสิ่งสำคัญเพราะซี่ล้อจะรับแรงกดทับโดยการบีบให้ชิดเพื่อนบ้านที่เดินข้าม ดังนั้นควรร้อยเชือกให้เป็นผู้นำหรือรถพ่วง' เดย์กล่าว 'คุณต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าก้านพูดนำความเครียดจากด้านไดรฟ์ก่อน สำหรับล้อแบบ 32 ก้าน คุณต้องใช้ซี่ล้อชั้นนำ 16 ซี่เพื่อแบ่งน้ำหนัก หากคุณปักผิด คุณจะได้งานเพียงแปดคนเท่านั้น’
น่าสังเกต รูปแบบการพูดยังคงเป็นหนึ่งในแง่มุมที่ท้าทายน้อยที่สุดของการออกแบบล้อ แม้ว่าจะมีการก้าวกระโดดครั้งใหญ่ในด้านวัสดุและเทคโนโลยีการผลิตในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา มันเป็นวิธีการที่ได้รับการทดลองและทดสอบแล้วจริงๆ และอย่างที่บอก ถ้ามันยังไม่พัง…