Neopjevani heroji bicikla, mislimo da je krajnje vrijeme da žbice dobiju zasluženo poštovanje
Ove tanke niti žice obavljaju nemilosrdno težak posao, rastežu se i sabijaju više puta sa svakim okretom naših kotača. Oni također prenose sile ubrzanja pedaliranja od glavčine do obruča kotača i također prenose sile kočenja. Njihova uloga u samoj činjenici da uopće možemo voziti bicikl je gotovo čarobna – tako tanke niti nose tako velika opterećenja. Stoga smo smatrali da je krajnje vrijeme da skromna žbica preuzme malo zasluga, gdje je cijeli teret dug.
'Genijalnost kotača sa žbicama je u tome što može prenijeti često vrlo velike sile koje stvaraju vozač, bicikl i različite površine ceste na ove tanke šipke, od kojih se svaka sustavno komprimira kako se kotač okreće i opterećenje prenosi s jedan je razgovarao s drugim i tako to ide dalje', kaže profesor Mark Miodownik, direktor Institute of Making na University College London, autor knjige Stuff Matters, TV voditelj i strastveni biciklist. Nastavlja: 'To je prekrasan način optimiziranja težine, cijene i performansi kotača.'
Žbice, nakon što su pod napetošću, u biti podupiru obruč koristeći glavčinu kao središnje sidro. U scenariju savršenog svijeta, svaka žbica povlači s jednakom napetosti kako bi ravnomjerno rasporedila opterećenje po cijelom kotaču, dok istovremeno drži obruč pravim i kružnim. Žbice moraju poduprijeti kotač protiv bočnog savijanja i deformacije ruba i također se oduprijeti učinkovitom zgnječenju kotača vertikalnim opterećenjem (radijalna kompresija). Nije mali zadatak. Nije ni čudo da je od pojave kotača istraženo vrlo malo drugih rješenja.
Napetost žbica
Sada stvari postaju tehničke i nećete biti sami ako ono što slijedi bude pomalo zbunjujuće i kontraintuitivno. Postoji snažno neslaganje oko toga visi li bicikl zapravo s gornjih žbica (onih iznad glavčine dok motocikl gledate sa strane) ili ga podupiru donji, ponašajući se poput sićušnih stupova.'Potonje gledište, koliko god se čudno činilo, definitivno je tako', kaže Jim Papadopoulos s Inženjerskog fakulteta Sveučilišta Northeastern u Bostonu, SAD, i koautor Bicycling Science.
Iako je lako povjerovati da bi se žbica bicikla jednostavno srušila pod težinom bicikla i vozača, on dalje objašnjava da je napetost stvorena u žbici tijekom procesa izrade kotača (zvana 'prednapetost') što omogućuje donjim žbicama da podnesu opterećenje bez savijanja, kao što bi bilo da nema prednapetosti. 'Svaka žica na neopterećenom kotaču ima napetost reda veličine 100 lb [445N]. Kada je osovina pritisnuta prema tlu silom od 100 lb, jedini značajan učinak na napetost žbica je smanjenje napetosti neposredno ispod glavčine – obično se jedna smanjuje na oko 50 lb, a žbice sa svake strane te napetosti smanjuju se na oko 75 lb. To je točno ono što bi se moglo vidjeti s čvrstim drvenim žbicama poput starog kotača vagona - donji bi nosio 50 lb, a oni s obje strane nosili bi 25 lb. Razlika s kotačima sa žičanim žbicama je u tome što žičane žbice ne mogu podnijeti kompresijsko opterećenje - sklopit će se. Tako su sve žbice genijalno prednapete. Žica ne može podnijeti kompresijsko opterećenje od 50 lb, osim kada već nosi vlačno opterećenje veće od toga.
'Naravno da će se kotač bicikla srušiti ako se uklone gornje ili horizontalne žbice', dodaje Papadopoulos. 'Ali to je u biti zato što promijenjena struktura ima vrlo različitu putanju opterećenja, a osim toga nije u stanju pružiti potrebnu prednapetost. Ne možemo koristiti taj kolaps da bismo zaključili da tipični kotač nosi opterećenje kroz gornje žbice.’ Ako vam se zbog toga zavrti u glavi, niste jedini. Dakle, prijeđimo na jednostavnije područje govornog materijala.
čelične žbice
Žbice su pretežno izrađene od čelika, izbor materijala koji se, kako nam kaže Miodownik, 'u osnovi svodi na mogućnost pouzdanog navoja. Čelična žica je izvrsna jer čak i s vrlo malom površinom za pričvršćivanje, kao što je mjesto gdje bradavica drži žbicu na rubu, možete staviti prilično veliku napetost na njih bez skidanja niti. Nehrđajući čelik je idealan materijal jer ima pravu kombinaciju velike čvrstoće i male težine, a istovremeno je pristupačan.’
Nehrđajući čelik je bio metal izbora za žbice od kasnog 19. stoljeća zbog svoje velike vlačne čvrstoće, koja omogućuje da žbice ostanu relativno tanke i lagane dok se nose sa silama koje na njih djeluju. 'Žbice od mekog čelika morale bi biti dvostruko teže i deblje', kaže Chris Hornzee-Jones, direktor u tvrtki structural engineers Aerotrope. Dizajnirao je revolucionarni brdski bicikl Lotus od ugljičnih vlakana i radio na jednom od najvećih kotača sa zategnutim kracima ikada napravljenim – strukturi promjera 60 metara obješenoj ispod krova Millennium Domea, koja se koristi kao platforma za zračne izvođače. 'Dodavanjem kroma i molibdena u željezo i ugljik mekog čelika, dobivena legura nehrđajućeg čelika mnogo je otpornija na zamor.'
Umor je neprijatelj žbice. Ako mislite da su vaši četverocikli opetovano izloženi naprezanju zbog ponavljanja hodova pedale, sažalite svoje žbice jer ih se udara svakim pojedinačnim okretajem kotača. Svaka žbica u kotaču dolazi pod tlačno opterećenje samo djelić sekunde dok je izravno ispod glavčine, i u tom trenutku postaje komprimirana prije nego što pritisak nestane i može se vratiti na svoju normalnu duljinu. To je nemilosrdan ciklus koji doslovno može poništiti loše izgrađen kotač.
'Kotač je poput zamorne trake za trčanje za žbice, što im je dodatno otežano jer mu je dodan konac na jednom kraju i [u većini slučajeva] zavoj i/ili glava na drugom,' kaže Hornzee-Jones. „Kot je koncentrator naprezanja i prijenos opterećenja se uglavnom odvija kroz prvih nekoliko niti. Štoviše, bradavica je relativno kruta i, dok pokušava sjediti okomito na rub, rijetko se savršeno poravna s kutom do kojeg dolazi žbica, što može biti uzrok dodatnog koncentriranog naprezanja. S druge strane, J-zavoj se lagano savija i, nakon stotina tisuća normalnih okretaja kotača, svi sitni površinski nedostaci, duboki samo mikrone i potpuno neprimjetni ljudskom oku, mogu se početi otvarati. To je u početku spor proces, ali će na kraju dovesti do loma žbice.’
Aluminijske žbice
Međutim, čelik nije jedini materijal koji se koristi za žbice. Mavic i Campagnolo (kao i Campagnolova sestrinska tvrtka Fulcrum) dugo su bili zagovornici aluminijskih žbica. Aluminij ima jednu trećinu gustoće od čelika, ali također oko jednu trećinu krutosti, tako da žbice moraju biti deblje, što znači da su potencijalno manje aerodinamične, zahtijevaju bradavice većeg promjera i, posljedično, veće rupe u naplatcima, što može smanjiti čvrstoću i krutost naplatka. Aluminijski žbice također imaju tendenciju da koriste dizajn ravnog povlačenja jer bi J-zavoj u aluminiju vrlo vjerojatno otkazao pod opterećenjem.
Još jedno ograničenje je to što aluminij ne drži navoj tako lako. Mavicovo rješenje je uvući bradavice izravno u rub, umjesto na žbicu. Campagnolo predlaže da odabere aluminijske žbice koje teže iste kao čelične verzije, ali u usporedbi poboljšavaju osjećaj vožnje njegovih kotača, no ovo je uvelike subjektivna stvar u kojoj žbice igraju samo jednu ulogu, a gume, naplatci i glavčine također igraju važnu ulogu, a kamoli ostatak bicikla.
S obzirom na različita opterećenja koja podnose žbice, karbonska vlakna se možda uopće ne čine vjerojatnim izborom, ali Mavic, zajedno s nekoliko drugih marki vrhunskih kotača, kao što su Lightweight i Reynolds da spomenemo dva, pronašli su načine da iskoristi njegovu vlačnu čvrstoću u žbicama, uz očitu uštedu na težini. Mavicov R-Sys SLR, na primjer, koristi šuplje karbonske cijevi za pružanje krutosti pod napetostima i otpornosti na kompresiju.'Raztezanje žbica puno je manje od čelika ili legure jer je karbon čvršći', kaže Michel Lethenet iz Mavica. 'Budući da su cijevi, otporne su na kompresiju, što pomaže u održavanju krutosti kotača, iako su potrebni neki metalni dijelovi, koji su spojeni na svakom kraju kako bi se napravili spojevi na rubu i glavčini.' Alternativna metoda primijenjena je u Mavicovom Cosmic Carboneu. Ultimate, u kojem karbonske žbice s oštricama idu od jedne strane kotača do druge, spajaju se s prirubnicom glavčine i križaju druge žbice na putu.
Istina iz spina
Postoji još nekoliko uvriježenih biciklističkih mudrosti u vezi sa žbicama koje Peter Marchment, znanstvenik za materijale i direktor Hunt Bike Wheelsa, rado odbacuje. 'Kotač koji koristi dublji obruč s kraćim žbicama često se smatra "jačim", ali to se obično svodi na inherentnu dodatnu krutost obruča', kaže on.'Također, mnogi ljudi vjeruju da veća napetost žbica znači da ćete dobiti tvrđi kotač, ali to nije slučaj. Na krutost kotača utječu mnoge stvari osim same napetosti, uključujući broj žbica, uporni kut i dubinu naplatka.
Zapravo, žbica će se izdužiti za isti iznos kada je opterećena, bez obzira na primijenjenu prednapetost, što znači da povećanje napetosti žbice ne čini kotač tvrđim.' Marchment nastavlja, 'Stavljanje žbica pod pravu napetost je presudno. Kod ekstremno velikih napetosti obruč i žbice skloniji su oštećenju jer su zapravo prethodno opterećeni velikom silom. Ali niske napetosti žbica također predstavljaju problem jer postoji veća vjerojatnost da će se bradavica olabaviti [odmotati] kada se rasterete zbog udaraca ili vibracija na cesti, uzrokujući da kotač ispadne iz ispravnog položaja.’
Bez obzira na napetost i uzorak, postoji širok izbor žbica koje možete izabrati, a da ne spominjemo mnoge varijacije u kvaliteti žice od koje su izrađene. Sapim, jedan od vodećih proizvođača žbica, proizvodi 300 milijuna žbica godišnje i kupuje kako bi održao kvalitetu i ostao konkurentan u cijelom asortimanu proizvoda. 'Šezdeset do 70 posto cijene žbice običnog promjera može biti u materijalu, pa je važno da to bude ispravno, ali najvažnija stvar za sve naše žbice je izvedba žice', kaže Sapimov voditelj prodaje, Klaus Grüter. 'Tražimo žicu koja je svijetla i sjajna i koja ima vlačnu čvrstoću od 1000 do 1050N/mm2 s dobrim podacima o zamoru i, što je još važnije, izvrsnom otpornošću na koroziju.'
Grüter nam kaže da su uzorci laboratorijski testirani na otpornost na vlačnu čvrstoću, savijanje i torziju. Nakon prihvaćanja, žica s kolutova se strojno ravna i reže. Žica običnog promjera također se može načiniti u sučeljene žbice (gdje je središnji dio uži) provlačenjem žice kroz matricu. Nakon spajanja, glava žbice i J-zavoj se kuje, a navoj na drugom kraju se namotava (ne reže). Gotove žbice provjeravaju i sustavi strojnog vida te ljudsko oko i ruka. Jedan stroj može proizvesti 20 000 žbica na dan, što objašnjava zašto različiti troškovi rada imaju mali utjecaj na cijenu gotovih žbica i zašto proizvođači diljem svijeta mogu prodavati po sličnim cijenama.
Ali zašto uopće gurati žbicu? Jonathan Day iz Strada Wheelsa objašnjava: 'Subote žbice bolje podnose okretni moment od običnog mjerača. Oni su širi u ravnini kotača, što je smjer torzijske sile, tako da ima više materijala za otpor. Također, malo se više savijaju u okomitoj ravnini, tako da bolje raspoređuju kompresijsko opterećenje po kotaču.’
Uzorak žbica
Tradicionalni uzorak žbica kotača bicikla sastojao se od 32 (ili ponekad 36) žbica, prekriženih tri puta. Isprepleteni uzorak žbica u tradicionalno zapletenom kotaču, daleko od toga da je samo lijepi kaleidoskopski raspored, zapravo je funkcionalni dio dizajna kotača.
Što se tiče bočne krutosti, točke u kojima se žbice sijeku dopuštaju svakom da se podupre o drugi dok je stavljen pod napetost, kao i da ga podupire dok je stisnut. Najvažnija uloga tri križnog uzorka vezanja je u stražnjem kotaču, gdje žbice moraju prenositi snagu pedaliranja iz glavčine. U ovom slučaju žbice su opterećene mnogo većim torzijskim opterećenjima zahvaljujući sili uvijanja od pogonskog sklopa. Žbice na strani kazete, tangencijalno napuštajući glavčinu, prenose rotacijsku silu (moment) od glavčine na rub. Radijalne žbice (koje slijede put od središta glavčine izravno do ruba, bez križanja s drugim) mnogo su manje u stanju nositi se s ovom vrstom opterećenja i vjerojatnije je da će pokvariti.
Kada okretni moment nije problem, kao na prednjem kotaču s obručnim kočnicama, upotreba radijalnih žbica ima smisla. Time se štedi na težini jer žbice mogu biti kraće i potrebno ih je manje za stvaranje bočno krutog kotača. I dobro izgleda. Međutim, disk kočnice uzrokuju značajno torzijsko opterećenje, čineći radijalne žbice gotovo nemogućima. 'Ključno je odabrati ispravan uzorak vezivanja jer žbice dijele opterećenje kompresije stiskajući susjede preko kojih prelaze, tako da bi žbice trebale biti vezane da budu prednje ili prikolice', kaže Day. Morate osigurati da vodeća žbica prvo preuzme opterećenje na strani pogona. Na kotaču s 32 kraka želite da 16 vodećih žbica podijeli teret. Ako krivo zavežete, završit ćete sa samo osam koji će raditi posao.’
Zanimljivo je da su uzorci žbica ostali jedan od najmanje izazovnih aspekata dizajna kotača, unatoč nekim golemim skokovima naprijed u materijalima i tehnologiji proizvodnje tijekom posljednjih desetljeća. To je doista isprobana i testirana metodologija i kao što poslovica kaže, ako nije u kvaru…
