Eroii necunoscuți ai bicicletei, credem că este timpul ca spițele să primească respectul care se cuvine
Aceste fire subțiri de sârmă îndeplinesc o muncă nemiloasă, fiind întinse și comprimate în mod repetat la fiecare rotație a roților noastre. Ele transportă, de asemenea, forțele de accelerație ale pedalării de la butuc la janta roții și transmit și forțele de frânare. Rolul lor în faptul că putem merge cu bicicleta este aproape magic – fire atât de subțiri care suportă sarcini atât de uriașe. Așa că am simțit că era timpul ca spița umilă să-și ia un oarecare merit, pentru care se datorează o încărcătură întreagă.
'Geniul roții cu spițe este că poate transfera forțele adesea foarte mari create de călăreț, bicicletă și diferite suprafețe de drum în aceste tije subțiri, fiecare fiind comprimată sistematic pe măsură ce roata se întoarce și sarcinile transferate de la unul a vorbit cu altul și așa continuă”, spune profesorul Mark Miodownik, director al Institutului de Creare de la University College London, autor al cărții Stuff Matters, prezentator TV și pasionat de ciclism. El continuă: „Este o modalitate frumoasă de a optimiza greutatea, costul și performanța unei roți.”
Spițele, odată sub tensiune, în esență, împingeți janta folosind butucul ca ancoră centrală. Într-un scenariu perfect, fiecare spiță trage cu o tensiune egală pentru a distribui sarcina în mod uniform pe toată roata, ținând totodată janta reală și circulară. Spițele trebuie să susțină roata împotriva flexiunii laterale și a deformării jantei și, de asemenea, să reziste la strivirea efectivă a roții de încărcarea verticală (compresie radială). Nici o sarcină mică. Nu este de mirare că, de la apariția roții, au fost explorate foarte puține alte soluții.
Tensiune la spițe
Acum lucrurile încep să devină tehnice și nu vei fi singur dacă ceea ce urmează este puțin confuz și contraintuitiv. Există un dezacord puternic cu privire la faptul dacă o bicicletă atârnă de fapt de spițele superioare (cele de deasupra butucului când privești bicicleta din lateral) sau, mai degrabă, este susținută de cele inferioare, acționând ca niște stâlpi mici.„Cel din urmă punct de vedere, oricât de ciudat pare, este în mod definitiv cazul”, spune Jim Papadopoulos de la Colegiul de Inginerie al Universității Northeastern din Boston, SUA și coautor al cărții Bicycling Science.
Deși este ușor de crezut că o spiță de bicicletă s-ar prăbuși pur și simplu sub greutatea bicicletei și a conducătorului, el continuă explicând că tensiunea creată într-o spiță în timpul procesului de construire a roții (numită „pretensiune”) este ceea ce permite spițelor inferioare să suporte sarcina fără flambaj, așa cum ar face-o dacă nu ar exista pretensionare. „Fiecare spiță de pe roata descărcată are o tensiune de ordinul a 100 lb [445N]. Când axa este apăsată spre sol cu o forță de 100 lb, singurul efect semnificativ asupra tensiunilor spițelor este reducerea celor aflate direct sub butuc - de obicei, o reducere la aproximativ 50 lb, iar spițele de fiecare parte a acesteia se reduc la aproximativ 75 lb. Este exact ceea ce s-ar vedea cu spițe din lemn masiv, ca o roată de căruță veche – cea de jos ar transporta 50 de livre, iar cele de ambele părți ar transporta 25 de livre. Diferența cu roțile cu spițe de sârmă este că o spiță de sârmă nu poate suporta o sarcină de compresie - se va prăbuși. Deci toate spițele sunt pretensionate ingenios. Un fir nu poate suporta o sarcină de compresie de 50 lb, cu excepția cazului în care suportă deja o sarcină de tensiune care o depășește.
„Desigur, o roată de bicicletă se va prăbuși dacă spițele superioare sau orizontale sunt îndepărtate”, adaugă Papadopoulos. „Dar asta se datorează în esență faptului că structura modificată are o cale de încărcare foarte diferită și, în plus, nu poate furniza pretensionarea necesară. Nu putem folosi acel colaps pentru a concluziona că roata tipică transportă sarcina prin spițele superioare.’ Dacă asta îți lasă capul învârtit, nu ești singur. Deci, să trecem la zona mai simplă a materialului spițelor.
Spițe de oțel
Sprețele sunt realizate în principal din oțel, o alegere de material care, după cum ne spune Miodownik, „se reduce în principiu la capacitatea de a avea un fir de încredere. Sârma de oțel este grozavă, deoarece chiar și cu o zonă de prindere foarte mică, cum ar fi locul unde niplul ține spița la jantă, puteți pune destul de multă tensiune pe ele fără a dezlipi firul. Oțelul inoxidabil este materialul ideal, deoarece are combinația potrivită de rezistență ridicată și greutate redusă, fiind în același timp accesibil.’
Oțelul inoxidabil a fost metalul ales pentru spițe încă de la sfârșitul secolului al XIX-lea datorită rezistenței sale ridicate la tracțiune, care permite spițelor să rămână relativ subțiri și ușoare în timp ce fac față forțelor aplicate asupra lor. „Spițele din oțel moale ar trebui să fie de două ori mai grele și mai groase”, spune Chris Hornzee-Jones, director la inginerii structurali Aerotrope. El a proiectat revoluționarul bicicletă de munte Lotus din fibră de carbon și a lucrat la una dintre cele mai mari roți cu spițe tensionate realizate vreodată - structura cu diametrul de 60 m suspendată sub acoperișul Millennium Dome, folosită ca platformă pentru artiștii aerieni. „Prin adăugarea de crom și molibden în fierul și carbonul oțelului moale, aliajul de oțel inoxidabil rezultat este mult mai rezistent la oboseală.’
Oboseala este dușmanul spiței. Dacă crezi că quad-urile tale sunt supuse în mod repetat la presiune de la repetarea mișcării pedalei, atunci să-ți fie milă de spițele, fiind lovite cu fiecare rotație a roții. Fiecare spiță din roată intră sub sarcină de compresiune doar pentru fracțiunea de secundă în care se află direct sub butuc, iar în acel moment se comprimă înainte ca presiunea să se desprindă și poate reveni la lungimea normală. Este un ciclu necruțător care poate fi anularea unei roți prost construite, la propriu.
„O roată este ca o bandă de alergare obositoare pentru spițe, ceea ce este cu atât mai greu pentru ei dacă i s-a adăugat un fir la un capăt și [în majoritatea cazurilor] o îndoire și/sau cap la celăl alt,” spune Hornzee-Jones. „Firetul este un concentrator de stres, iar transferul de sarcină are loc mai ales prin primele câteva fire. În plus, mamelonul este relativ rigid și, deoarece încearcă să stea perpendicular pe jantă, rareori se aliniază perfect cu unghiul la care ajunge spița, ceea ce poate fi cauza unui stres concentrat suplimentar. La celăl alt capăt, curba în J se flexează minut și, după sute de mii de rotații normale ale roților, orice defecte minuscule de suprafață, adânci de doar microni și complet imperceptibile pentru ochiul uman, pot începe să se deschidă. Este un proces lent la început, dar în cele din urmă va duce la ruperea spiței.’
Spițe din aluminiu
Oțelul nu este însă singurul material folosit pentru spițe. Mavic și Campagnolo (precum și compania soră a lui Campagnolo, Fulcrum) sunt de multă vreme susținători ai spițelor din aluminiu. Aluminiul are o treime din densitatea oțelului, dar și aproximativ o treime din rigiditate, așa că spițele trebuie să fie mai groase, ceea ce înseamnă că sunt potențial mai puțin aerodinamice, necesită nipluri cu diametru mai mare și, ulterior, găuri mai mari în jante, care pot reduce rezistența și rigiditatea jantei. Spițele din aluminiu tind, de asemenea, să folosească un design cu tragere dreaptă, deoarece o curbă în J din aluminiu ar fi foarte probabil să se defecteze în condiții de stres.
O altă limitare este că aluminiul nu ține un fir la fel de ușor. Soluția lui Mavic este de a fileta mameloanele direct în jantă, nu pe spiță. Campagnolo sugerează că alege spițe din aluminiu care cântăresc la fel ca versiunile din oțel, dar, prin comparație, îmbunătățesc senzația de rulare a roților sale, totuși aceasta este o chestiune în mare măsură subiectivă în care spițele joacă doar un rol, anvelopele, jantele și butucii fiind, de asemenea, jucători importanți. darămite restul bicicletei.
Având în vedere diferitele tensiuni pe care le suportă spițele, fibra de carbon poate să nu pară deloc o alegere probabilă, dar Mavic, împreună cu alte câteva mărci de roți de ultimă generație, cum ar fi Lightweight și Reynolds, pentru a numi două, au găsit modalități pentru a-și valorifica rezistența la tracțiune în spițe, cu economii evidente de greutate. R-Sys SLR de la Mavic, de exemplu, folosește tuburi goale din carbon pentru a oferi rigiditate la tensiune și rezistență la compresie.„Întinderea spițelor este mult mai mică decât oțelul sau aliajul, deoarece carbonul este mai rigid”, spune Michel Lethenet de la Mavic. „Fiind tuburi, acestea rezistă la compresie, ceea ce ajută la menținerea rigidității roții, deși sunt necesare unele piese metalice, care sunt lipite la fiecare capăt pentru a face atașamentele la jantă și butuc.” O metodă alternativă este folosită în Cosmic Carbone de la Mavic Ultimate, în care spițele din carbon cu lame trec de la o parte la alta a roții, conectându-se cu flanșa butucului și traversând alte spițe pe drum.
Adevărul din rotire
Există alte câteva piese de înțelepciune primită despre biciclete legate de spițe pe care Peter Marchment, cercetător în materiale și director al Hunt Bike Wheels, este bucuros să le risipească. „O roată care folosește o jantă mai adâncă cu spițe mai scurte este adesea văzută ca „mai puternică”, dar acest lucru se datorează de obicei rigidității adăugate inerente a jantei”, spune el.„De asemenea, mulți oameni cred că o tensiune mai mare a spițelor înseamnă că obții o roată mai rigidă, dar nu este cazul. Rigiditatea roții este afectată de multe lucruri, în afară de tensiune, inclusiv numărul de spițe, unghiul de contravântuire și adâncimea jantei.
De fapt, o spiță se va alungi cu aceeași cantitate atunci când este încărcată, indiferent de pretensiunea aplicată, ceea ce înseamnă că creșterea tensiunii spiței nu face roata mai rigidă.” Marchment continuă: „Punerea spițelor sub tensiunea corectă. este crucial. La tensiuni extrem de mari, janta și spițele sunt mai susceptibile de a fi deteriorate, deoarece sunt efectiv preîncărcate cu o forță mare. Dar tensiunile joase ale spițelor sunt, de asemenea, o problemă, deoarece mamelonul este mai probabil să se desprindă [desfășurare] atunci când sunt detensionați prin impact sau vibrații ale drumului, ceea ce face ca roata să iasă din adevărată.”
Oricare ar fi tensiunea și modelul, există o gamă largă de spițe din care să alegeți, ca să nu mai vorbim de multe variații ale calității firului din care sunt fabricate. Sapim, unul dintre cei mai importanți producători de spițe, produce 300 de milioane de spițe pe an și face cumpărături pentru a menține calitatea și a rămâne competitiv în gama sa de produse. „Șaizeci până la 70 la sută din prețul unei spițe cu ecartament simplu poate fi în material, deci este important să facem acest lucru corect, dar cel mai important lucru pentru toate spițele noastre este performanța firului”, spune directorul de vânzări al Sapim., Klaus Grüter. „Căutăm un fir care să fie strălucitor și strălucitor și care să aibă o rezistență la tracțiune de 1.000 până la 1.050 N/mm2, cu date bune de oboseală și, important, o rezistență excelentă la coroziune.”
Grüter ne spune că mostrele sunt testate în laborator pentru rezistența la tracțiune, rezistența la încovoiere și la torsiune. Odată acceptat, firul de pe bobine este îndreptat cu mașina și tăiat. Sârma simplă poate fi, de asemenea, transformată în spițe cu cap (unde porțiunea centrală este făcută mai îngustă) prin tragerea firului printr-o matriță. Odată bătute cap la cap, capul spiței și curba în J sunt forjate, iar firul de la celăl alt capăt este rulat (nu tăiat). Spițele finite sunt inspectate atât de sistemele de viziune artificială, cât și de ochiul și mâna umană. O singură mașină este capabilă să producă 20.000 de spițe cu cap pe zi, ceea ce explică de ce diferitele costuri cu forța de muncă au un impact redus asupra prețului unei spițe finite și de ce producătorii din întreaga lume pot vinde la prețuri similare.
Dar de ce să ținem o spiță? Jonathan Day de la Strada Wheels explică: „Spânele cu cap sunt mai bune la manevrarea cuplului decât ecartamentul simplu. Sunt mai largi în planul roții, care este direcția forței de torsiune, deci există mai mult material care să îi reziste. De asemenea, se flexează puțin mai mult în planul perpendicular, astfel încât sunt mai bine să distribuie sarcina de compresie pe roată.’
Model de spițe
Modelul tradițional de spițe al unei roți de bicicletă cuprindea 32 (sau uneori 36) de spițe, încrucișate de trei ori. Modelul împletit al spițelor într-o roată tradițională dantelă, departe de a fi doar un aranjament destul de caleidoscopic, este de fapt o parte funcțională a designului roții.
În ceea ce privește rigiditatea laterală, punctele în care spițele se intersectează permit fiecăruia să se sprijine de celăl alt când este pus sub tensiune, precum și să îl susțină pe măsură ce este comprimat. Rolul cel mai vital al modelului de șireturi cu trei cruce este într-o roată din spate, unde spițele trebuie să transmită puterea de pedalare de la butuc. În acest caz, spițele sunt încărcate cu sarcini de torsiune mult mai mari datorită forței de răsucire a sistemului de propulsie. Spițele de pe partea casetei, părăsind butucul tangențial, transferă o forță de rotație (cuplu) de la butuc la jantă. Spițele radiale (care urmează o cale de la centrul butucului direct până la jantă, fără a traversa alta) sunt mult mai puțin capabile să facă față acestui tip de încărcare și ar avea mai multe șanse să se cedeze.
Când cuplul nu este o problemă, cum ar fi pe o roată din față cu frâne pe jantă, utilizarea spițelor radiale are sens. Acest lucru economisește greutate, deoarece spițele pot fi mai scurte și sunt necesare mai puține pentru a crea o roată rigidă lateral. Arata si bine. Frânele cu disc provoacă o sarcină de torsiune semnificativă, făcând practic imposibilă rostul radial. „Obținerea corectă a modelului de șireturi este esențială, deoarece spițele împart sarcina de compresie prin strângerea de vecinii pe care îi încrucișează, astfel încât spițele ar trebui să fie legate pentru a fi lideri sau remorci”, spune Day. „Trebuie să vă asigurați că o spiță de conducere preia mai întâi efortul pe partea de antrenare. Pe o roată cu 32 de spițe, doriți ca 16 spițe de conducere să împartă sarcina. Dacă greșești șiretul, vei ajunge cu doar opt care fac treaba.”
În mod remarcabil, modelele de spițe au rămas unul dintre cele mai puțin contestate aspecte ale designului roților, în ciuda unor progrese masive în materie de materiale și tehnologie de fabricație din ultimele decenii. Este o metodologie cu adevărat încercată și testată și, după cum se spune, dacă nu s-a stricat…
