Како нови материјали го револуционизираат велосипедот - спектар на науката
200 години серија на велосипеди: Лесна, безбедна и разноврсна
Полесно од дозволеното - вака можете да го опишете велосипедот што Германецот Гинтер Маи го претстави на јавноста во 2008 година. Целосно управуваниот тркачки велосипед тежеше само 3,2 килограми. Тоа беше светски рекорд и помалку од половина од 6,8 килограми што Меѓународната велосипедска федерација УЦИ ги пропишува како минимална тежина на велосипед за официјални трки.
„Велосипедот отсекогаш бил типичен лесен производ“, вели Ерик Грош од Институтот за технологија за сигурност при Техничкиот универзитет во Харбург. „Големата тежина на возилото има многу негативен ефект не само при возење по угорница, туку и општо ракување“. Уште во 19 век биле направени бројни пронајдоци особено за велосипеди, вклучувајќи топчести лежишта, жични краци, челични цевки и пневматски гуми.
Инженерот Грош е член на работната група за безбедност на велосипеди при Германското здружение за истражување и тестирање на материјали, бидејќи намалувањето на тежината на велосипедите не треба да биде на штета на стабилноста и безбедноста. Соодветно на тоа, планинските велосипеди се поцврсти и потешки од тркачките велосипеди. Одлучните компоненти за тежината се должат на нејзината големина, рамката и сите забрзани маси, на пример, бандажите.
Стабилно и светло станува тешко
Во принцип, лесната конструкција е независна од изборот на материјал, објаснува Грош. Се работи за дизајнирање на секоја компонента што е можно подобро за индивидуалниот товар. „Сите компоненти - како што се рамката, вилушката, тркалата, управувачот и столбот на седиштето - се специјалисти за нивната област на примена“, вели инженерот. Меѓутоа, бидејќи различни материјали имаат различна соодветност, одредени материјали на крајот доминираат на пазарот на велосипеди.
Кога зборувате за лесни велосипеди во секојдневна употреба, обично мислите на алуминиум. Поради својата мала густина од 2,7 грама на кубен сантиметар, компонентите изработени од лесен метал тежат само околу една третина од тежината на споредливите компоненти направени од челик. Алуминиумот е далеку најпродаваниот материјал за рамки и компоненти за велосипеди денес.
„Велосипедот отсекогаш бил типичен лесен производ“ (Ерик Грош)
Како челик или титаниум, алуминиумот е изотропен материјал. Ова значи дека има исто однесување на истегнување и затоа има ист капацитет на оптоварување во секоја насока. Дебелината на wallидот на компонентата е одлучувачка за стабилноста. Алуминиумските цевки од типична дијамантска рамка се разликуваат во нивниот тек помеѓу 0,8 и 3 милиметри дебелина на wallидот, а особено во областа на заварените споеви. Ова обично не се гледа однадвор. „Само налепницата„ двоен “или„ трокреветно “укажува на различната внатрешна дебелина на материјалот“, му дава совет на Ерик Грош.
Недостаток за алуминиум
Слабоста на алуминиумот како материјал е тоа што има ограничена цврстина кога товарите се менуваат. Во науката за материјали, се прави разлика помеѓу јачината како својство што спречува распаѓање на материјалот и вкочанетоста, што го штити материјалот од деформација. „Во случај на алуминиум, стотици илјади вртежи со заптивки со педали или удари на патиштата можат да го заморат материјалот“, вели Грош, објаснувајќи ги границите на силата. Во однос на динамичките оптоварувања, челикот е потолерантен од алуминиумот и затоа сè уште може да се најде во велосипедите за кои се очекува да поминат повеќе од 20.000 километри, како што се мотоцикли за патување.
Затоа постои и лесна конструкција со челик: „Легиран челик постигнува многу висока цврстина на истегнување, до 1200 tутн на квадратен милиметар“, известува Рони Хартник од Институтот за истражување и развој на спортска опрема во Берлин. Инженерите можат да го користат за да ги направат wallsидовите на цевките многу тенки. „Сепак, тешко е да се приближиме до тежината на алуминиумот“, признава Хартник.
Без разлика дали е алуминиум, титаниум или челик: Со оглед на тежината, структурниот проблем останува нерешлив. Бидејќи металите се изотропни, во компонентите има многу материјал што воопшто не е усогласен со оптоварувањата што се појавуваат таму. Една рамка сега е суштински натоварена во надолжната насока, а не странично. Во професионалните спортови и со минерали, јаглеродни влакна или јаглеродни влакна и композити засилени со јаглеродни влакна (CFRP) затоа се етаблираа како материјали по избор. Тие претставуваат основа за тркачки велосипеди кои, како сериски модели, имаат вкупна тежина помала од пет килограми.
Нарачани влакна
Јаглеродните влакна се анизотропни и не покажуваат никакво однесување на материјалот независно од формата. Нивните својства произлегуваат само во компонентата како резултат на дизајнот базиран на потреби. „Можете да помислите на јаглеродни влакна како нишка од која се прави ткаенина“, објаснува Хартник. Во надолжна насока, оваа нишка е повеќе од десет пати посилна од алуминиумот - но само во оваа насока. Производителите на лесни компоненти изработени од јаглерод мора да ги обработуваат конците во ткаенина на таков начин што ќе бидат ориентирани паралелно со насоката на влечење.
Повеќето влакна затоа се порамнети на ист начин за рамковната цевка. „Но, за да можете да го допрете велосипедот без тој да се распадне, од надворешната страна сè уште има слој од влакна што е свртен за 90 степени“, вели спортскиот инженер Хартник. Од обемни анализи сега знаеме кои компоненти се вчитани и на кој начин. Долната цевка, на пример, е подложена на торзионен стрес од долната заграда. За ткаенината од јаглеродни влакна, ова значи дека влакната мора да се ткаат под агол од плус/минус 45 степени. „На овој начин постигнуваме максимална отпорност на торзија со минимална употреба на материјал“, резимира Хартник. Ако се појават големи товари во одредени области, јаглеродните влакна мора да бидат покриени со друг слој ткаенина што го дистрибуира товарот и со тоа го штити јаглеродот.
И за металните и за карбонските рамки и компонентите, се применува следново: Производителите мора да ги знаат точните товари што дејствуваат врз нив за правилно да ги дизајнираат нивните компоненти. Побарувањата за педалезите се особено големи, бидејќи се подложени на поголеми оптоварувања заради поголемата просечна брзина и поголема километража. Истражувачкиот проект „TherMobility“ од Рехау, Сторк Велосипед и ТУ Дрезден се занимаваше со ова и разви рамка за е-велосипед од нов вид специјална мешавина на материјали.
„Тука, континуираните термопластични полупроизводи засилени со влакна се комбинираат со соединенија за обликување со вбризгување засилено со кратки влакна во интегрален процес на производство“, објаснува Мајкл Крал од Институтот за лесна конструкција и технологија на пластика при ТУ Дрезден. Оваа комбинација на материјали, употребени за прв пат во рамки за велосипеди, овозможува да се комбинираат одличните специфични механички својства на композитни материјали со влакна со ефикасни технологии со голем волумен, како што се обликување со вбризгување. Тоа може да помогне да се намалат понекогаш пет цифрите за исклучително лесни велосипеди. Покрај тоа, формулацијата на полимерот и видот на армирано влакно може лесно да се прилагодат на индивидуалните барања.
Алтернатива од природата?
Сепак, спектарот на материјали што се користат во конструкцијата на велосипеди, исто така, вклучува и некои егзотични. Најлонскиот велосипед на инженерите на Ербас „Ербајк“ служеше само за да ги демонстрира можностите на 3-Д процесот на печатење „Производство на додаток на слоеви“. Сè уште беше стабилен, лесен и функционален. Но, вистински алтернативни материјали доаѓаат од областа на природни влакна. Големата предност на природните влакна е нивниот јаглероден отпечаток.
„Природните влакна го врзуваат јаглеродниот диоксид како што растат, што значи дека полупроизводите од природни влакна ослободуваат само околу една десетина CO2 во споредба со јаглеродот за време на растот и производството на полупроизводи“, објаснува Макс Кирхохоф од инженерската канцеларија на Оникс композити. Таму беше развиен "велосипедот со коноп". Влакната од коноп имаат јачина на затегнување споредлива со онаа на алуминиумот - но како јаглерод само во насока на влакната. Поради густината од само 1,45 грама на кубен сантиметар, рамката од коноп завршува помеѓу споредливи компоненти направени од алуминиум и јаглеродни влакна во однос на тежината. Рамката на велосипедот со коноп има забележително широки цевки. „Ова го зголемува моментот на инерција и силите што се случуваат подобро се апсорбираат и покрај малата дебелина на wallидот“, објаснува Кирхоф. Досега, сепак, недостасуваа некои од клучните фигури потребни за структурни анализи за необичниот материјал од коноп.
Докажан квалитет
Тековните стандарди за тестирање (DIN, EN и ISO) вклучуваат тестови против преоптоварување (статичка јачина), динамички тестови (тестови на издржливост) и тестови на удар, секој по мерка на типот на велосипед (градски/трекинг велосипед, планински велосипед, тркачки велосипед и младински велосипеди, но исто така и специјално за Педелеци). Примената на стандардите е доброволна, но сите добро познати производители ја користат оваа постапка - понекогаш со дури и повисоки барања за висококвалитетни производи. Оштетувањето како резултат на откажување на компонентата е многу ретко. „Како и да е, клиентите на лесен велосипед треба редовно да го прегледуваат своето возило или да го прегледаат со цел да се утврди штетата навремено и, доколку се сомневаат, да заменат делови“, предупредува експертот за безбедност Ерик Грош. Ова е особено точно по падот.
Најпопуларните природни влакна се веројатно бамбусот. Патенти за изградба на бамбус велосипед беа поднесени уште на крајот на 19 век. До денес, конструкцијата на такви тркала е рачна работа. Сепак, својствата се убедливи. Бамбусот има вкочанетост слична на челикот, но само една третина од неговата тежина. Неговата јачина исто така постигнува многу добри вредности, но не се доближува до висококвалитетните карбонски тркала. Бамбусот е популарен поради подобро амортизација за градски и трекинг велосипеди, каде што може да биде во чекор со алуминиумските велосипеди во однос на квалитетот. Бидејќи парчиња бамбус наместо да се кршат под прекумерен стрес, штетата може да се поправи релативно лесно. Сепак, како и со сите природни влакна, добрата изработка е важна така што нема влага да продира и да мувла на раст.