قهرمانان گمنام دوچرخه، فکر می کنیم زمان آن فرا رسیده است که پره ها احترام لازم را به دست آورند
این رشته های نازک سیم کار سختی را انجام می دهند و با هر چرخش چرخ های ما به طور مکرر کشیده و فشرده می شوند. آنها همچنین نیروهای شتاب پدال زدن را از توپی به رینگ چرخ حمل می کنند و نیروهای ترمز را نیز منتقل می کنند. نقش آنها در این واقعیت که ما اصلاً قادر به دوچرخه سواری هستیم تقریباً جادویی است - چنین رشته های نازکی که چنین بارهای عظیمی را تحمل می کنند. بنابراین، ما احساس کردیم که وقت آن رسیده است که سخنران فروتن مقداری اعتبار را به خود اختصاص دهد، جایی که وظیفه کل آن است.
نبوغ چرخ پره ای این است که می تواند نیروهای غالباً بسیار بزرگ ایجاد شده توسط سوارکار، دوچرخه و سطوح مختلف جاده را به این میله های لاغر منتقل کند، که هر کدام به طور سیستماتیک با چرخش چرخ و انتقال بار از آن فشرده می شوند. پروفسور مارک میودونیک، مدیر مؤسسه ساخت دانشگاه کالج لندن، نویسنده کتاب مسائل مسائل، مجری تلویزیونی و دوچرخه سوار مشتاق، می گوید: یکی با دیگری صحبت کرد و همینطور ادامه می یابد.او ادامه می دهد: "این یک راه زیبا برای بهینه سازی وزن، هزینه و عملکرد یک چرخ است."
پره ها، یک بار تحت کشش، در اصل لبه را با استفاده از توپی به عنوان لنگر مرکزی مهار می کنند. در یک سناریوی دنیای کامل، هر پره با کشش یکسانی می کشد تا بار را به طور مساوی در سراسر چرخ توزیع کند و در عین حال لبه را درست و دایره ای نگه می دارد. پره ها باید چرخ را در برابر خمش جانبی و تغییر شکل لبه نگه دارند و همچنین در برابر له شدن چرخ توسط بارگذاری عمودی (فشرده سازی شعاعی) به طور موثر مقاومت کنند. کار کوچکی نیست. جای تعجب نیست که از زمان ظهور چرخ، راه حل های بسیار کمی دیگر مورد بررسی قرار گرفته است.
تنش گفتاری
اکنون همه چیز شروع به تکنیکی شدن می کند، و اگر آنچه در ادامه می آید کمی گیج کننده و غیر منطقی باشد، تنها نخواهید بود. اختلاف نظر شدیدی در مورد اینکه آیا دوچرخه در واقع از پره های بالایی آویزان است (آنهایی که در بالای هاب دوچرخه را از کنار می بینید) یا بهتر بگوییم توسط پره های پایینی که مانند ستون های ریز عمل می کنند حمایت می شود، وجود دارد.جیم پاپادوپولوس از کالج مهندسی دانشگاه نورث ایسترن در بوستون، ایالات متحده و نویسنده همکار علم دوچرخه‌سواری می‌گوید: «دیدگاه اخیر، هرچند عجیب به نظر می‌رسد، قطعاً صادق است.»
در حالی که به راحتی می توان باور کرد که یک پره دوچرخه به سادگی زیر وزن دوچرخه و راکب فرو می ریزد، او در ادامه توضیح می دهد که کشش ایجاد شده در پره در طی فرآیند ساخت چرخ (به نام "پیش تنش") چه چیزی به پره های پایینی اجازه می دهد تا بار را بدون کمانش تحمل کنند، همانطور که اگر پیش تنیدگی وجود نداشت این کار را می کرد. هر پره روی چرخ خالی کشش حدود 100 پوند [445 نیوتن] دارد. هنگامی که اکسل با نیروی 100 پوند به سمت زمین فشرده می شود، تنها اثر قابل توجه بر روی کشش های پره کاهش تنش های مستقیم در زیر توپی است - معمولاً، یک محور به حدود 50 پوند کاهش می یابد و پره ها در هر طرف آن به حدود 75 پوند کاهش می یابد. این دقیقاً همان چیزی است که می‌توان با پره‌های چوبی جامد مانند چرخ واگن قدیمی دید - پره پایینی 50 پوند و پره‌های دو طرف آن 25 پوند وزن را حمل می‌کنند.تفاوت با چرخ های سیمی این است که یک پره سیمی نمی تواند بار فشاری را تحمل کند - فرو می ریزد. بنابراین همه پره ها به طور هوشمندانه ای از پیش تنیده شده اند. یک سیم نمی تواند بار فشاری 50 پوندی را حمل کند، مگر زمانی که قبلاً بار کششی بیش از آن را حمل کند.
«البته چرخ دوچرخه اگر پره های بالایی یا افقی برداشته شود، فرو می ریزد،» پاپادوپولوس می افزاید. اما این اساساً به این دلیل است که ساختار تغییر یافته مسیر بارگذاری بسیار متفاوتی دارد و علاوه بر آن قادر به تامین پیش تنش مورد نیاز نیست. ما نمی‌توانیم از این فروپاشی برای نتیجه‌گیری استفاده کنیم که چرخ معمولی بار را از طریق پره‌های بالایی حمل می‌کند.» اگر باعث می‌شود سرتان در حال چرخش باشد، شما تنها نیستید. پس بیایید به حوزه ساده‌تر مواد سخنوری برویم.
پره های فولادی
پره‌ها عمدتاً از فولاد ساخته شده‌اند، انتخابی از مواد که، همانطور که میودونیک به ما می‌گوید، «اساساً به توانایی داشتن یک نخ قابل اعتماد مربوط می‌شود.مفتول فولادی بسیار عالی است زیرا حتی با مقدار بسیار کمی از محل اتصال، مانند جایی که نوک پستان پره ها را در لبه نگه می دارد، می توانید کشش بسیار زیادی را بدون جدا کردن نخ روی آنها وارد کنید. فولاد ضد زنگ ماده ایده آلی است زیرا ترکیب مناسبی از استحکام بالا و وزن کم دارد و در عین حال مقرون به صرفه است.'
فولاد ضد زنگ از اواخر قرن نوزدهم به دلیل استحکام کششی بالا که به پره ها اجازه می دهد در حین مقابله با نیروهای وارد شده بر روی آنها، نسبتاً نازک و سبک باقی بمانند، فلز انتخابی برای پره ها بوده است. کریس هورنزی جونز، مدیر مهندسین سازه Aerotrope می گوید: پره های فولادی ملایم باید دو برابر سنگین تر و ضخیم تر باشند. او دوچرخه کوهستانی با فیبر کربن پیشگام لوتوس را طراحی کرد و روی یکی از بزرگترین چرخ های پر کششی که تا به حال ساخته شده بود کار کرد - ساختاری به قطر 60 متر که در زیر سقف گنبد هزاره معلق بود و به عنوان سکویی برای اجراکنندگان هوایی استفاده می شد. با افزودن کروم و مولیبدن به آهن و کربن فولاد نرم، آلیاژ فولاد ضد زنگ به دست آمده در برابر خستگی بسیار مقاوم‌تر است.'
خستگی دشمن اسپک است. اگر فکر می‌کنید چهارچرخ‌هایتان به‌طور مکرر در اثر تکرار ضربات پدال‌تان تحت فشار قرار می‌گیرند، به پره‌هایتان حیف کنید که با هر چرخش چرخ‌ها ضربه می‌خورند. هر پره در چرخ فقط برای کسری از ثانیه که مستقیماً در زیر توپی قرار دارد تحت بار فشاری قرار می گیرد و برای آن لحظه قبل از اینکه فشار از بین برود فشرده می شود و می تواند به طول طبیعی خود بازگردد. این یک چرخه بی امان است که به معنای واقعی کلمه می تواند یک چرخ بد ساخت را از بین ببرد.
"چرخ مانند یک تردمیل خسته کننده برای پره ها است که با اضافه کردن نخ در یک سر و [در بیشتر موارد] خم شدن و/یا سر در سر دیگر، برای آنها سخت تر می شود. هورنزی جونز می گوید. رزوه متمرکز کننده تنش است و انتقال بار بیشتر از طریق رزوه های اول انجام می شود.علاوه بر این، نوک پستان نسبتاً سفت است و از آنجایی که سعی می‌کند عمود بر لبه بنشیند، به ندرت کاملاً با زاویه‌ای که پره به آن می‌رسد هماهنگ می‌شود، که می‌تواند دلیل استرس متمرکز اضافی باشد. در انتهای دیگر، خم J به دقیقه خم می شود و پس از صدها هزار چرخش معمولی چرخ، هر گونه نقص سطح کوچک، تنها میکرون عمق و کاملاً برای چشم انسان نامحسوس، ممکن است شروع به باز شدن کند. در ابتدا روند کندی است، اما در نهایت منجر به شکستگی پره خواهد شد.'
پره های آلومینیومی
با این حال فولاد تنها ماده ای نیست که برای پره ها استفاده می شود. Mavic و Campagnolo (و همچنین شرکت خواهر Campagnolo Fulcrum) مدت‌هاست که طرفدار پره‌های آلومینیومی بوده‌اند. آلومینیوم یک سوم چگالی فولاد را دارد اما حدود یک سوم سختی آن را نیز دارد، بنابراین پره ها باید ضخیم تر باشند، به این معنی که به طور بالقوه آیرودینامیک کمتری دارند، به نوک سینه هایی با قطر بزرگتر و متعاقبا سوراخ های بزرگتر در رینگ ها نیاز دارند. کاهش استحکام و سفتی رینگپره های آلومینیومی همچنین تمایل به استفاده از طرح کشش مستقیم دارند زیرا یک خم J در آلومینیوم به احتمال زیاد تحت فشار از بین می رود.
محدودیت دیگر این است که آلومینیوم به راحتی نخ را نگه نمی دارد. راه حل Mavic این است که نوک سینه ها را مستقیماً در لبه قرار دهید، به جای روی پره. Campagnolo پیشنهاد می‌کند پره‌های آلومینیومی را انتخاب کند که وزن آنها مشابه نسخه‌های فولادی باشد، اما در مقایسه با آن، احساس سواری چرخ‌هایش را بهبود می‌بخشد، با این حال این یک موضوع کاملاً ذهنی است که در آن پره‌ها تنها یک نقش را بازی می‌کنند، با لاستیک‌ها، رینگ‌ها و توپی‌ها نیز بازیکنان مهمی. چه رسد به بقیه دوچرخه.
با توجه به استرس‌های مختلفی که پره‌ها تحمل می‌کنند، فیبر کربن ممکن است به هیچ وجه گزینه‌ای محتمل به نظر نرسد، اما Mavic، همراه با چندین برند چرخ‌های پیشرفته دیگر، مانند Lightweight و Reynolds، راه‌هایی را پیدا کرده‌اند. برای مهار استحکام کششی آن در پره ها، با کاهش وزن آشکار. به عنوان مثال، دوربین SLR R-Sys Mavic از لوله های کربنی توخالی برای ایجاد سفتی تحت کشش و مقاومت در برابر فشرده سازی استفاده می کند. Michel Lethenet از Mavic می گوید: «کشش پره بسیار کمتر از فولاد یا آلیاژ است زیرا کربن سفت تر است». به عنوان لوله، در برابر فشرده‌سازی مقاومت می‌کنند که به حفظ سفتی چرخ کمک می‌کند، اگرچه برخی از قطعات فلزی مورد نیاز است که در هر انتها برای ایجاد اتصالات در لبه و توپی به هم متصل می‌شوند.» یک روش جایگزین در کربن کیهانی Mavic به کار می‌رود. Ultimate، که در آن پره‌های کربنی تیغه‌ای از یک طرف چرخ به سمت دیگر می‌روند، به فلنج توپی متصل می‌شوند و از پره‌های دیگر در مسیر عبور می‌کنند.
حقیقت از چرخش
چند قطعه دیگر از حکمت دریافت شده دوچرخه در رابطه با پره ها وجود دارد که پیتر مارچمنت، دانشمند مواد و مدیر Hunt Bike Wheels، خوشحال است که آنها را از بین ببرد. او می‌گوید: چرخی که از لبه عمیق‌تری با پره‌های کوتاهتر استفاده می‌کند، اغلب به‌عنوان «محکم‌تر» دیده می‌شود، اما این معمولاً به دلیل سفتی اضافی ذاتی در رینگ است.همچنین، بسیاری از مردم بر این باورند که کشش بلندتر به معنای چرخ سفت‌تری است، اما اینطور نیست. سفتی چرخ علاوه بر کشش به تنهایی تحت تأثیر بسیاری از چیزها از جمله تعداد پره، زاویه مهاربندی و عمق رینگ است.
در واقع یک پره هنگام بارگذاری، بدون توجه به پیش کشش اعمال شده، به همان میزان کشیده می شود، به این معنی که افزایش کشش پره، چرخ را سفت تر نمی کند.» Marchment ادامه می دهد، «قرار دادن پره ها در زیر کشش مناسب. حیاتی است. در تنش‌های بسیار زیاد، رینگ و پره‌ها بیشتر در معرض آسیب هستند زیرا عملاً با نیروی زیادی از قبل بارگذاری می‌شوند. اما کشش‌های پره‌های پایین نیز مشکل‌ساز هستند، زیرا نوک پستان با کاهش تنش در اثر ضربه‌ها یا لرزش‌های جاده، شل می‌شود و باعث می‌شود چرخ از حالت درست خارج شود.»
کشش و الگوی هرچه که باشد، طیف وسیعی از پره‌ها وجود دارد که می‌توان از بین آنها انتخاب کرد، البته تغییرات زیادی در کیفیت سیم‌هایی که از آن ساخته شده‌اند، ناگفته نماند.ساپیم، یکی از تولیدکنندگان پیشرو بلندگو، سالانه 300 میلیون پره تولید می‌کند و برای حفظ کیفیت و رقابتی ماندن در طیف محصولات خود، در اطراف خرید می‌کند. مدیر فروش ساپیم می‌گوید: 60 تا 70 درصد از قیمت یک پره گیج ساده می‌تواند در مواد باشد، بنابراین مهم است که آن را درست انجام دهیم، اما مهمترین چیز برای همه پره‌های ما عملکرد سیم است. ، کلاوس گروتر. "ما به دنبال سیمی هستیم که روشن و براق باشد و دارای استحکام کششی 1000 تا 1050 نیوتن بر میلی‌متر مربع با داده‌های خستگی خوب و مهمتر از آن مقاومت در برابر خوردگی عالی باشد."
Grüter به ما می گوید که نمونه ها از نظر استحکام کششی، خمشی و مقاومت پیچشی آزمایش شده اند. پس از پذیرش، سیم از قرقره ها توسط دستگاه صاف شده و بریده می شود. سیم گیج ساده را نیز می توان با کشیدن سیم از طریق قالب به پره های لبه دار (جایی که قسمت مرکزی باریک تر می شود) تبدیل کرد. هنگامی که لب به لب می شود، سر پره و جی خم آهنگری شده و نخ در انتهای دیگر رول می شود (بریده نمی شود).پره های تمام شده هم توسط سیستم های بینایی ماشین و هم توسط چشم و دست انسان بازرسی می شوند. یک دستگاه قادر است 20000 پره لبه دار در روز بسازد، که توضیح می دهد که چرا هزینه های مختلف نیروی کار تاثیر کمی بر قیمت یک پره تمام شده دارد و چرا تولید کنندگان در سراسر جهان می توانند با قیمت های مشابه بفروشند.
اما به هر حال چرا لب به لب می زنیم؟ جاناتان دی از استرادا ویلز توضیح می‌دهد: «پره‌های لبه‌دار در کنترل گشتاور بهتر از گیج ساده هستند. آنها در صفحه چرخ، که جهت نیروی پیچشی است، پهن تر هستند، بنابراین مواد بیشتری برای مقاومت در برابر آن وجود دارد. همچنین، آنها کمی بیشتر در صفحه عمود خم می شوند، بنابراین در توزیع بار فشاری در سراسر چرخ بهتر عمل می کنند.'
الگوی گفتاری
الگوی سنتی صدای چرخ دوچرخه شامل 32 (یا گاهی اوقات 36) پره است که سه بار به هم می زند.الگوی در هم تنیده پره ها در یک چرخ بنددار سنتی، به دور از اینکه صرفاً یک چیدمان زیبای کالیدوسکوپیک باشد، در واقع بخشی کاربردی از طراحی چرخ است.
از نظر سفتی جانبی، نقاطی که پره‌ها در آنها تلاقی می‌کنند، به هر یک از آنها اجازه می‌دهد تا زمانی که تحت کشش قرار می‌گیرند، در برابر دیگری مهار شوند، و همچنین در هنگام فشرده شدن آن را حمایت کنند. حیاتی ترین نقش الگوی توری سه ضربدر چرخ عقب است، جایی که پره ها باید قدرت پدال زدن را از توپی منتقل کنند. در این مورد، به لطف نیروی پیچشی از پیشرانه، پره ها با بارهای پیچشی بسیار بیشتری بارگذاری می شوند. پره های سمت کاست، با خروج مماس از توپی، نیروی چرخشی (گشتاور) را از هاب به لبه منتقل می کند. پره های شعاعی (که مسیری را از مرکز توپی مستقیماً به لبه می روند، بدون عبور از دیگری) بسیار کمتر قادر به مقابله با این نوع بارگیری هستند و احتمال خرابی آنها بیشتر است.
وقتی گشتاور مشکلی نیست، مانند چرخ جلو با ترمزهای لبه ای، استفاده از پره های شعاعی منطقی است.این باعث صرفه جویی در وزن می شود، زیرا پره ها می توانند کوتاهتر باشند و برای ایجاد یک چرخ سفت جانبی به تعداد کمتری نیاز است. به نظر خوب هم می رسد. ترمزهای دیسکی باعث بار پیچشی قابل توجهی می شوند، با این حال، اسپیک شعاعی را غیرممکن می کنند. دی می‌گوید: «درست کردن الگوی توری بسیار مهم است، زیرا پره‌ها با فشار دادن به همسایه‌هایی که از آن عبور می‌کنند، بار فشاری را به اشتراک می‌گذارند، بنابراین پره‌ها باید به‌صورت لیدر یا تریلر بسته شوند. شما باید مطمئن شوید که یک اسپیکر پیشرو ابتدا در سمت درایو فشار وارد می کند. در یک چرخ 32 پره، 16 پره اصلی برای تقسیم بار می خواهید. اگر توری را اشتباه انجام دهید، در نهایت فقط هشت نفر کار را انجام می‌دهند.»
قابل توجه است که الگوهای اسپیک یکی از کم چالش‌ترین جنبه‌های طراحی چرخ باقی مانده‌اند، علی‌رغم برخی جهش‌های عظیم در مواد و فناوری ساخت در دهه‌های اخیر. این یک روش واقعاً آزمایش شده و آزمایش شده است و به قول معروف، اگر شکسته نشود…
