Demistyfikacja sztywności kół

Rodzaje sztywności koła

Zacznijmy od podstaw. Wyróżniamy trzy rodzaje sztywności koła: skrętną radialną oraz boczną. 

Sztywność skrętna związana jest ze „skręcaniem się” koła, na przykład przy gwałtownym przyspieszaniu podczas sprintu (dziękujemy ekipie z MAVIC-a za ilustracje).

Sztywność radialna dotyczy zniekształcenia koła w płaszczyźnie pionowej, na przykład przy napotkaniu wyboju.

Sztywność boczna polega na odgięciu koła na boki pod wpływem przeciążenia bocznego, jakim może być bujanie rowerem podczas podjazdu.

Powyższe jest bardzo podstawowym objaśnieniem rodzajów sztywności występujących w kole. Musi nam ono wystarczyć, jeśli chcemy wyciągnąć praktyczne wnioski, a nie odbywać lekcji fizyki.

Mało sztywne koła

Jeśli jesteś świeżakiem w tym sporcie, spróbuję wytłumaczyć o co chodzi kolegom, z którymi jeździsz, gdy mówią o sztywności kół.

Z reguły nikt nic nie mówi o sztywności skrętnej. Prawdopodobnie dlatego, że jest ona praktycznie niewyczuwalna dla rowerzysty. To wszystko co musisz o niej wiedzieć i nie będę już w tym artykule o niej wspominał.

Jeśli ktoś narzeka, że koło jest zbyt sztywne, w dziewięciu przypadkach na dziesięć chodzi o sztywność radialną. Oczywiście może to być spowodowane tym, że ma za mocno napompowane opony i wini koła o własny błąd, jednak odczucie „twardości koła” sprowadza się zazwyczaj do sztywności radialnej.

Jeśli ktoś narzeka, że koło nie jest wystarczająco sztywne, w dziewięciu przypadkach na dziesięć chodzi o sztywność boczną. Koło może trzeć o klocki hamulcowe podczas sprintu lub dawać wrażenie, że jest po prostu „miękkie” (co może być spowodowane niską sztywnością radialną lub niewystarczająco napompowanymi oponami). Niezależnie od rzeczywistej przyczyny sęk może tkwić w zbyt małej sztywności bocznej.

Czy malkontenci słusznie diagnozują problem? Czy nie przeoczają istotnych jego aspektów? Jakie czynniki wpływają na sztywność koła na wszystkich trzech płaszczyznach? Oto one:

• średnica i wytrzymałość osi piast,
• liczba szprych,
• liczba krzyży,
• grubość szprych,
• materiał, z którego wykonane są szprychy,
• wysokość obręczy,
• szerokość obręczy,
• materiał, z którego wykonana jest obręcz,
• sztywność widelca i średnica rury sterowej,
• kształt tylnego trójkąta,
• rozstaw haków.

Widzisz? Jest dużo więcej niż można by się spodziewać na pierwszy rzut oka. Stwierdzenie, że koło jest „ zbyt sztywne” lub „ mało sztywne” jest dużym spłyceniem.

Sztywność zaplotu, a sztywność obręczy

Jest to temat, którego nie można pominąć a prawie nikt o nim nie rozmawia. Pochylając się nad sztywnością boczną, zauważymy, że wpływ na nią mają dwie rzeczy: sztywność zaplotu oraz sztywność obręczy.
Sztywność zaplotu determinowana jest kilkoma czynnikami. Przede wszystkim jest to liczba szprych, ich grubość i kształt. Zastosowanie grubszych szprych i ich większej liczby podniesie sztywność zarówno boczną, jak i radialną. Wykres stworzony przez firmę MAVIC obrazuje różnicę w sztywności przy zastosowaniu szprychy o grubości 1.8mm i 2.3mm.

Sztywność zaplotu uzależniona jest również od kąta, pod jakim szprychy wchodzą do obręczy. Wpływ na to mają głównie wysokość profilu obręczy i rozstaw kołnierzy piasty.
Szerzej rozstawione kołnierze piasty oraz wyższy profil zwiększają kąt szprychy w stosunku do obręczy. Trójkąt tworzony przez linię szprych oraz piastę będzie szerszy a jego podstawa dłuższa. Łatwo możemy z powyższego wywnioskować, że mniejsze koła 650c będą bocznie sztywniejsze od 700c (zakładając, że oba porównywane koła będą miały identyczną konstrukcję piasty i obręczy). W dużym uproszczeniu: im szerszy kąt pomiędzy szprychami, tym sztywniejsze koło.

Kąt szprychy uzależniony jest też od wysokości kołnierzy piasty.

Mogłeś usłyszeć obiegową opinię głoszącą, że wyższy kołnierz piasty czyni zawsze koło sztywniejszym. „Moje koło jest o wiele sztywniejsze od twojego, bo u mnie kołnierze są dużo wyższe!”
W odpowiedzi na coś takiego można jedynie popukać się palcem w czoło.

Taka reguła będzie obowiązywać tylko wtedy, gdy rozstaw kołnierzy w obu piastach będzie identyczny. W przypadku bardzo wysokich kołnierzy, które będą miały mały rozstaw, kąt szprych będzie często jeszcze mniejszy niż w przypadku niskich, szeroko rozstawionych. Wysokie kołnierze jednak więcej ważą, dlatego odpowiednie zbilansowanie wszystkich czynników zależy od przeznaczenia kół i warunków, w jakich będą jeździć.

Oczywistym czynnikiem wpływającym na rozstaw kołnierzy tylnej piasty jest kaseta, zajmująca dużą część miejsca od strony napędu. Gra to kluczową rolę w kontekście sztywności bocznej tylnego koła. Dlatego też często kołnierze w tylnej piaście mają różne wysokości (od strony napędu stosuje się wyższy) – producenci kombinują na wszystkie możliwe sposoby, aby choć odrobinę powiększyć kąt szprych.

Na koniec sztywność zaplotu. Jest ona uzależniona – w pewnym stopniu – od naprężenia szprych. Jak można się domyślić, zbyt luźne szprychy sprawiają, że koło jest miękkie jak banan. Przy prawidłowym i równym naprężeniu szprych sztywność koła jest niezmienna.

Teraz, kiedy już mamy pojęcie o sztywności zaplotu, możemy przejść do sztywności obręczy.

Wysokość profilu obręczy i jej szerokość zawsze będą miały wpływ zarówno na sztywność boczną, jak i radialną – niezależnie od materiału, z jakiego obręcz jest wykonana. Zgodnie z badaniami MAVIC-a, wysokość profilu znacznie bardziej oddziałuje na sztywność radialną, szerokość obręczy zaś na sztywność boczną.

W tabeli uwzględnione zostały obręcze aluminiowe: Open Pro – profil o wysokości 18.4mm, MA4 –16mm oraz CXP30 – 30.5mm. Jak widać, CXP30 jest najsztywniejsza, zarówno bocznie, jak i radialnie.

Kolejnym istotnym czynnikiem wpływającym na sztywność kół jest materiał obręczy. Zazwyczaj do wyboru mamy aluminium lub karbon. Obręcze karbonowe są od aluminiowych sztywniejsze i to zarówno bocznie, jak i radialnie. Zmieniając parametry, takie jak grubość ścianek czy przekrój, zmienimy też właściwości obręczy. Nie zagłębiajmy się jednak w tak drobne detale. Ustalmy, że istnieje bardzo wysokie prawdopodobieństwo, że twoje karbonowe koła startowe mają sztywniejszą obręcz od aluminiowych treningowych.

Teraz dyskusja nabiera sensu

Potraktuj wszystko, co dotychczas przeczytałeś, jako wprowadzenie. Od teraz rozmowa zaczyna się robić bardziej interesująca.

Jeśli ktoś narzeka na koła, że nie są wystarczająco sztywne, oznacza to najczęściej, że w rzeczywistości ma zbyt sztywną bocznie obręcz w stosunku do niewystarczająco sztywnego zaplotu szprych. Oto cały sekret. Możesz teraz śmiało powiedzieć „Aha!”.

Jak często ktoś jęczy, że koła na niskoprofilowych obręczach nie są wystarczająco sztywne? Nie wiem jak ty, ale ja prawie nigdy o tym nie słyszałem, no może pomijając koła, w których szprychy mają zbyt niskie naprężenie. Powodem, dla którego raczej nie spotykamy się z takimi przypadkami, jest fakt, że większość kół na aluminiowych obręczach ma relatywnie dużą sztywność zaplotu i relatywnie małą sztywność obręczy. Weźmy na przykład koło na 32 szprychach o grubości 2mm zaplecione na obręczy o profilu 20mm – w takim przypadku zaplot będzie bardzo mocny w stosunku do mało sztywnej obręczy co dobrze obrazuje grafika przedstawiająca odkształcenie koła.

Podczas podjazdu na aluminiowych obręczach, mocno bujając rowerem, dolna połowa obręczy będzie mocno pracować w rytm twojego pedałowania. Na górną połowę koła działają dużo mniejsze siły, dzięki czemu obręcz nie wygina się, ocierając o klocki hamulcowe. Większość ludzi mylnie zakłada, że dzieje się tak dzięki dużej sztywności koła lub zarówno sztywności koła i ramy. A tak naprawdę obręcz sama w sobie nie musi być sztywna.

Kiedy w świecie rowerowym pojawiły się karbonowe obręcze, nastąpił niemały przewrót.
Obrazek stworzony przez ZIPP-a przedstawia zachowanie koła podczas podjazdu. Karbonowa sztywna obręcz będzie starała się utrzymać swój kształt w stosunku do własnej osi.

To zjawisko jest potęgowane tym, że większość kół startowych jest zaplatana na niewielkiej liczby cienkich szprych o aerodynamicznym kształcie. Na dodatek w ostatnich latach możemy zaobserwować tendencję podnoszenia w obecnie produkowanych obręczach zarówno wysokości profilu, jak i szerokości, co skutkuje wzrostem sztywności bocznej i radialnej.

Oto co otrzymujemy z powyższej kombinacji: cholernie sztywna obręcz zapleciona na zaledwie kilku cienkich aeroszprychach. Zbyt sztywna obręcz w stosunku do zaplotu może potęgować obciążenie szprych, co podczas sprintów będzie skutkować tarciem klocków tylnego hamulca o rant.

Kolejna grafika ZIPP-a przedstawia testy różnych obręczy pod szytkę. Niebieska linia pokazuje pracę 303 Firecrest, zielona 404 Firecrest a fioletowa 808 Firecrest. Wszystkie testowane obręcze były zaplecione na 20 szprychach Sapim CX-Ray.

Jak możesz zauważyć, wyższy profil ma większą sztywność, co sprawia, że koło pracuje mniej w punkcie przyłożenia siły (w miejscu styku z powierzchnią ziemi), za to odchyla się mocniej po drugiej stronie, gdzie zazwyczaj umieszczone są szczęki hamulcowe w szosowych ramach.

ZIPP twierdzi, że w zależności od wysokości profilu dodawanie do pewnego stopnia sztywności redukuje uginanie się obręczy po drugiej stronie. Jednak ta granica jest bardzo cienka, dlatego mylny jest pogląd, że im obręcz sztywniejsza, tym lepiej. Należy dopasować liczbę szprych do sztywności obręczy, aby ograniczyć jej uginanie się w górnej części przy hamulcu.

ZIPP wspomina również, że ruch koła w hakach potęguje uginanie się koła na boki, co zależy nie tylko od konstrukcji samych haków, ale też sztywności całego tylnego trójkąta ramy. Im jest ona niższa, tym bardziej koło będzie się bujać między klockami hamulca.

Natomiast zwiększenie liczby szprych i ich grubości zredukuje ruch boczny koła, zarówno przy miejscu przyłożenia siły, jak i w górnej jego części, niezależnie od profilu obręczy.

Umiejscowienie hamulca

Zgodnie z twierdzeniem speców z ZIPP-a, koło dużo mniej pracuje w okolicy hamulca zamontowanego przy suporcie. Jest to głównie zasługa sztywności ramy, której tylny trójkąt podczas nacisku na pedał wygina się w stronę obciążoną przyłożeniem siły. 

Jak to wygląda w praktyce?

Dawniej tarcie koła o klocki było jednym z głównych tematów wśród kolarzy startujących w protourach. Zazwyczaj mechanicy jednogłośnie krzyczeli „to wina niskiej sztywności kół!”. Od razu naciągali mocniej szprychy, myśląc, że to rozwiąże problem. Tak naprawdę rozwiązaniem – stosowanym zresztą przez wielu wheelbuilderów – jest dobranie odpowiedniej konfiguracji spersonalizowanego kompletu kół. Zasadniczą rolę gra grubość szprych i ich liczba.

A jak jest w przypadku przeciętnych użytkowników? Jest bardzo duże prawdopodobieństwo, że „gotowe koła” będą spełniać twoje wymagania, jeżeli mieścisz się środkowym zakresie rozkładu Gaussa: masz 30– 50 lat, 160– 180cm wzrostu, ważysz 50 – 80 kg.

Osobiście nie doświadczyłem sytuacji, w której aluminiowe obręcze tarły o klocki hamulcowe, co jest nagminne w przypadku kół na karbonach. Dla jasności dodam, że mogę się nazwać dobrze zbudowanym zawodnikiem 😉 Zdarzało mi się to także w rowerze zbudowanym na karbonowej ramie z hamulcem zamontowanym przy suporcie. Tylne koło miało karbonową obręcz na 20 cienkich, aerodynamicznych szprychach. Podczas stromych podjazdów obręcz latała od prawego do lewego klocka mimo szczęk rozwartych tak, że hamowały przy zaciśnięciu klamki do samej kierownicy. Co zrobić w takiej sytuacji? Wymieniłem obręcz na taką samą, ale pod 24 szprychy i problem zniknął bez śladu. Sztywność kół i ramy musi być ze sobą zgrana tak, by uzyskać odpowiednią sztywność całego roweru.

Wpływ liczby i grubości szprych na aerodynamikę

Pewne jest, że zwiększenie liczby i grubości szprych podniesie wagę i opór aerodynamiczny kół – „praw fizyki pan nie oszukasz i nie bądź pan rura!”. Z drugiej strony zbyt miękki zaplot będzie powodować ocieranie obręczy o klocki, co może cię hamować jeszcze bardziej. Zapytałem kilku różnych producentów kół czy dodanie 4 szprych w tylnym kole znacznie mnie spowolni. Od wszystkich dostałem tę samą odpowiedź: w kontekście aerodynamiki, jak i wagi, różnice są minimalne.

Dlaczego więc producenci kół nie stosują większej liczby szprych?! Dwa słowa: LANS i WAGA. Koła złożone na zaledwie kilku szprychach wyglądają cool i robią wrażenie na papierze.

Dlaczego warto wybrać spersonalizowane koła składane?

W miarę postępu technologicznego i wzrostu cen wszystkich produktów, rynek oferuje coraz mniej sensownych propozycji. Większość producentów składa swoje koła z coraz mniej uniwersalnych komponentów oraz komplikuje ich konstrukcję, co nie ma żadnego uzasadnienia technicznego, a służy jedynie zabezpieczeniu ich interesów.

HED oferuje koła Stallion zaplecione na większej liczbie szprych. ZIPP przez jakiś czas proponował opcję Max, ale wycofał ją z oferty.

MAVIC postawił na ogólną wydajność kół – aerodynamikę, sztywność, wagę i wytrzymałość. Dla przykładu w ich kołach Cosmic Carbon SL zostały zastosowane szerokie płaskie szprychy, by uzyskać sztywność, jakiej nie zapewniały węższe szprychy o aerodynamicznym kształcie.

Odnoszę wrażenie, że MAVIC celuje w nieco cięższą i silniejszą grupę docelową zawodników. Uzyskują to co prawda kosztem aerodynamiki i wagi, ale zyskują na wyższej sztywności i braku problemów z obręczami trącymi o klocki.

Pamiętaj:cudów nie ma – uniwersalne koła spełniające zapotrzebowania wszystkich zawodników nie istnieją.

Które koła są dla ciebie odpowiednie? Niestety nie wiem. Jest zbyt wiele czynników, które trzeba wziąć pod uwagę. Mogę po złożeniu wielu kół i po doświadczeniach z wieloma rowerami z całą pewnością powiedzieć, że minimum, jeżeli chodzi o liczbę szprych dla większości współczesnych karbonowych kół, to 18 na przód i 24 na tył (biorąc pod uwagę koła budowane na najbardziej popularnych szprychach Sapim CX-Ray lub DT Aerolite – jedne i drugie są dość cienkie i mają prawie identyczny przekrój).

Jeżeli chciałbyś zejść z liczby szprych w kołach do, powiedzmy, 16 z przodu i 20 z tyłu, to polemizowałbym czy CX-Ray lub Aerolite są sensownym wyborem dla mocnych zawodników. Jest szansa, że w niektórych przypadkach zagrają, ale w dużej mierze jest to zależne od sztywności ramy, sztywności widelca, ustawienia hamulców, osadzenia koła w hakach itd. itd. Jeśli 16/20 to magiczne liczby dla samej estetyki, to wybór Sapim Race albo CX-Sprint będzie dużo lepszą decyzją.

Dzięki bogu istnieje jeszcze garstka prawdziwych kołodziejów, takich którzy oferują mnóstwo opcji zaplatania na różnych rodzajach szprych i o różnej ich grubości, co pozwala dopasować koła indywidualnie pod każdego zawodnika. Jeżeli „gotowe koła” wydają ci się zbyt zwykłe, skorzystanie z usług kołodzieja będzie strzałem w dziesiątkę.

Co z dyskami?

Jak dyski mają się do tej całej walki o sztywność? Sytuacja ma się w tym przypadku trochę inaczej. Są dwa główne typy dysków: karbonowe dyski strukturalne i wheelcovery. Dysk strukturalny to taki, w którym wcale nie ma szprych – karbonowe boki pełnią funkcję konstrukcyjną. Taką budowę mają przykładowo MAVIC Comete i wszystkie dyski ZIPP-a.

Wheelcovery to odpowiednio wyprofilowane karbonowe talerze przykrywające szprychy. Takie rozwiązanie stosowane jest na przykład w dyskach Jet i Stinger produkowanych przez HED-a, same wheelcovery można kupić między innymi od firmy AEROJACKET.

Dysk z wheelcoverami będzie podczas pracy zachowywać się mniej więcej tak, jak zwykłe koło szprychowe, natomiast dysk strukturalny w przybliżeniu jak koło zbudowane na turbosztywnej obręczy z bardzo mocnym zaplotem. Wyjątkiem tutaj jest ZIPP, który do 2013 roku oferował szczególny model Sub-9, który (bardzo słusznie) miał zredukowaną sztywność radialną i boczną.

Mamy nadzieję, że spodobała ci się ta dogłębna analiza tajników sztywności kół. Przy odrobinie szczęścia, będziesz mógł spojrzeć na „najnowsze i najwspanialsze” startowe koła bardziej krytycznym okiem. Czy twoje szprychy i obręcze są odpowiednio dobrane? Czy ich limit wagowy jest pod zawodnika ważącego zarówno 50kg jak i 90kg? Czy jeden model kół może być „uniwersalny” dla różnych zawodników?

Artykuł jest luźnym tłumaczeniem tekstu Grega Kopecy’ego „Debunking Wheel Stiffness”.