Как жёсткость рамы влияет на сцепление.

+ -
+2

Жёстче жести. Ненаучное обоснование простого физического феномена.

Все слышали эту прохладную историю: новая модель на 32% жёстче предыдущей в поперечной плоскости и на 9% в вертикальной — ещё больше скорости, ещё больше фана! Ура!




Это одна из частых рекламных уловок и к ней прибегают как к беспроигрышному варианту. Шаблоны придуманы потому, что они работают. В этом сообщении тебя пытаются убедить, что команда инженеров создала продукт не с чистого листа. Она взяла за основу модель предыдущего поколения, сделала анализ ошибок, подумала, что и каким образом можно улучшить и так далее. То есть, у них была точка отсчёта. Уловка здесь заключается в том, что тебя не информируют о параметрах предыдущей модели, как бы невзначай забывая указать самое главное — от чего они отталкиваются, не описывают начальное состояние, которое позволит каждому рационально оценить труд инженеров. В стремлении сделать велосипед жёстче нет ничего нового. Этой истории без малого сорок лет. Раздели этот период на трёхгодичный цикл жизни модели и получишь 13 итераций императива "X жёстче Y на Z%". Будто бы до поколения N велосипед вёл себя, как медуза с колёсами.


Принцип "жёстче снаряд — выше результат" хорошо применим к автомобилю. Повышая жёсткость кузова на кручение, инженерам удаётся добиться точности управления. Самый простой способ — поставить распорку между стойками подвески. Вваривание каркаса безопасности в кузов также улучшает поведение болида на треке.

Но для двухколёсной техники ситуация не настолько прозрачна. Жёсткость для неё должна быть достаточная. Не меньше определённого порога, но и не больше. Для велосипеда этот параметр напрямую зависит от веса наездника, стиля его езды и условий, в которых эксплуатируется велосипед.

Автомобиль по умолчанию эффективнее проходит кривые, поскольку у него две колеи. В повороте загружаются колёса, находящиеся на внешней стороне траектории, чем компенсируют разгрузку колёс на внутренней стороне. У мотоцикла и велосипеда колея одна. Двухколёсная техника управляется не столько поворотом руля, сколько отклонением от вертикальной оси. Наращивание жёсткости рамы повышает эффективность передачи крутящего момента, но и в то же время ухудшает сцепление.

Самый яркий пример — велосипеды для тайм-триала и триатлона. От них требуется результат: максимально быстрое ускорение, максимально эффективная передача крутящего момента, максимально эффективная аэродинамика для поддержания высокой крейсерской скорости. Всё это блестяще реализовано в карбоне. Такой велосипед лёгкий, жёсткий, охотно разгоняется, превосходно едет по прямой. И он не способен эффективно проходить повороты. Как правило, в гонках на время поворотов немного, но даже тех, что есть, хватает, чтобы кто-то упал.

Данный тезис становится очевидным, когда просматриваешь видеозаписи падений, какие случились, например, с Тони Галлопаном и Люком Дарбриджем.






Ты можешь справедливо заметить, дескать, стапэ, автор, тут же асфальт мокрый. Окей, вызов принят. Вот, например, подобные ситуации, случившиеся с Абрахамом Олано и Петером Саганом на сухой поверхности. Убедил?





Ситуация ровным счётом такая же точно, как и у Тони с Люком. Их велосипеды точно так же скользят в повороте и дело здесь не в покрышках. С ними всё в порядке. Вопреки расхожему мифу, шоссейные слики могут чудесно держать на мокром асфальте и для этого вовсе не обязательно, чтобы на них были канавки для отвода воды. Данную теорию доказал инженер Джобст Брандт, автор книги "The Bicycle Wheel", успевший поработать в компаниях Avocet и Porsche.

Феномен потери сцепления проистекает из конструкции велосипеда и принципа управления двухколёсным транспортным средством. Давай разберёмся.


Вилка на двухколёсных ТС установлена под углом. Этот угол варьируется от 80° на некоторых трековых велосипедах до 62° на экстремальных гревити-аппаратах (эндуро и даунхилл) и может быть ещё более острым на кастомных крузерах и чопперах. Чтобы заставить колесо повернуться в сторону поворота, нужно наклонить велосипед, а наклон инициируется поворотом руля в противоположную сторону.

Когда велосипед едет прямо, векторы его колёс сонаправлены и колёса вращаются с одинаковой скоростью. Когда велосипед входит в поворот, векторы больше не совпадают и вращение колёс рассинхронизируется. Переднее очерчивает широкий радиус, вращаясь с большей угловой скоростью. Заднее колесо следует по пути наименьшего сопротивления и вращается соответственно медленнее. Если ты наблюдал за следами, оставленными велосипедом на снегу или в грязи, ты замечал, что иногда след раздваивается и снова соединяется.

Непосредственно перед входом в поворот переднее колесо отклоняется в противоположную сторону, а заднее как бы и не меняет направления. Так происходит из-за эффекта кастора. Он настолько интуитивен, что ты его не замечаешь, но пытаясь разобраться, с большим удивлением обнаруживаешь для себя, что на самом деле переднее колесо не поворачивается вправо при необходимости повернуть вправо. Оно отклоняется влево! Велосипед наклоняется вперёд и вбок и лишь после этого колесо доворачивается в направлении движения. Это происходит уже после инициации закладывания угла.

Вспомни школьный курс физики. Нас учили, что есть центробежная сила. На самом деле, никакой центробежной силы не существует. Даже в школе на уроках физики врут. Просто при очерчивании кривой вектор силы направлен строго перпендикулярно направлению вращения. Что нам это даёт?

Когда велосипед очерчивает радиус, суммарный вес велосипедиста с его карбоновым конём направлен перпендикулярно траектории. Чтобы не выпасть наружу, ты наклоняешь велосипед — закладываешь угол. Чем выше угловая скорость, тем резче можно позволить себе отклониться от вертикали, не боясь упасть набок.

Так вот, у системы велосипедист + карбоновый конь большая инерция и если рама податлива в поперечной плоскости, она способна выполнять функцию своеобразного амортизатора, погашая часть инерционной составляющей. Если рама жёсткая, не изгибается, инерция выбрасывает велосипед с наездником наружу, что мы и наблюдаем на приведенных видео. Кинетической энергии достаточно, чтобы преодолеть силу трения между покрышками и поверхностью, срывая колёса в скольжение.


Владельцы стальных шоссейников хорошо знают об этом явлении и не торопятся менять свои тридцатилетние рыдваны на карбоновые супербайки. Как правило, описывая ощущения от езды на очередном гоночном велосипеде, журналисты однобоко рассказывают об управлении, фокусируясь только на остроте реакции. Они могут сказать, что управление быстрое, точное и что-то в этом духе. Для тебя это должно означать, что они говорят о геометрии, а именно о совокупности параметров, таких как угол наклона рулевой, длина колёсной базы, длина задних перьев, рейк и трейл вилки. Однако, это лишь часть того, что влияет на управление. Эти параметры не характеризуют сцепление с поверхностью, сбрасывая обязанность удержать велосипед в повороте только на покрышки. Галлопан, Дарбридж и Саган ездят на самых лучших покрышках в мире, и как видишь, ошибки случаются.


Кастор — несовпадение угла наклона рулевой трубы с вертикалью, проведенной через ось втулки.




Рейк или оффсет — расстояние от оси рулевой до параллельной ей линии, проведенной через ось втулки.

Трейл — расстояние от точки касания колесом поверхности до точки пересечения угла наклона рулевой трубы.




Сцепление — это неотъемлемая составляющая управления и её нельзя обходить стороной. Если у тебя маунтинбайк, ты можешь провести эксперимент, проехав два круга с разлоченной и залоченной вилкой. Включая локаут, ты повысишь эффективность педалирования, переставая тратить силы на раскачивание амортизатора. В то же время, снизится сцепление в поворотах. Обычно, у покрышек для МТБ сцепления с поверхностью в избытке, однако явление полностью не исчезает. Особенно остро этот эффект проявляется на снегу, когда обода взуты в покрышки с жёстким компаундом. С залоченной вилкой велосипед перестаёт вписываться в кривые на той же скорости, на которой он несколько минут назад легко и непринуждённо входил в повороты. Попробуй и убедись самостоятельно.

Для шоссейного велосипеда поперечная податливость рамы окажет услугу на мокрой поверхности, для горного велосипеда податливость улучшит контроль на технических участках и принесёт больше уверенности в выборе траектории.


Компания Ducati наступила на подобные грабли. Инженеры спроектировали чудовищно жёсткий мотоцикл для соревнований MotoGP, который творил чудеса на прямой, но в поворотах был просто опасен и проходил их медленнее менее мощных мотоциклов с гибкими рамами. Большие ресурсы были потрачены, чтобы разработать максимально жёсткий болид, когда на самом деле нужно было идти противоположным путём.

В сегодняшней иерархии маркетологи находятся над инженерами. Удивительно, что ни маркетологи, ни их клиенты не понимают этой простой концепции. Снижение веса приводит к снижению долговечности, усиление жёсткости приводит к ухудшению сцепления, усиление конструкции приводит к набору веса. Улучшая одно, ты что-то теряешь в другом.


Автор: Дмитрий Блудов

Добавить комментарий

Автору будет очень приятно узнать обратную связь о своей новости.

Комментариев 0