Polemika
Fizyka
Kuźnia
Sprzęt
Z warsztatu
O mnie

Epopeja o oponach


Mój wewnętrzny policjant mówi mi, iż blog stał się nieco monotematyczny, łańcuch, kaseta, łancuch, kaseta NUUUDA. No to będzie o czymś zgoła innym, czyli o temacie który sam od lat ignorowałem. Będzie, jak tytuł już zdradził, o oponach.

Powód tego jest prosty. Będąc cebulordem kupiłem w hipermarkecie, na wyprzedaży, a jakże, opony do Włóczęgi oraz Roweru Do Wożenia Dziedziczki na Lody, 622x37, gęsty bieżnik, 10zł sztuka. Zapodałem jedną włóczędze do tyłka (hmmm) i, chwila napięcia, prędkości przelotowe spadły mi z 26-28km/h na 23-25km/h.

Łodafak.

Podejrzenie padło na oponę i, rzeczywiście, zmiana na inną gumę przywróciła poprzednie osiągi. Oczywiście mógłbym zostawić temat na tym etapie, ale jako dumny, samodzielnie zdiagnozowany, autysta zacząłem drążyć temat...

Zaczynając od rzeczy trywialnych.

Gumowa opona, z dętką lub i bez, ma kilka zadań.

Po pierwsze - stanowi pierwszy poziom zawieszenia pojazdu, odpowiedzialny za pochłanianie drobnych nierówności, dzięki czemu zapewnia dużo spokojniejszy bieg.

Po drugie - odkształcając się opona zapewnia przyczepność do podłoża, w efekcie możemy takie koło napędzać stosunkowo dużym momentem obrotowym.

Po trzecie - opona może posiadać bieżnik który, w zależności od kształtu i rodzaju, zapewnia odprowadzanie wody spod opony, tudzież 'wgryzanie' się opony w podłoże ( które przecież nie zawsze jest asfaltem ) co zaś zapewnia większą przyczepność do podłoża i bardziej przewidywalny tor jazdy.

Idea gumowej opony jest prosta - jest to nierozciągliwy balon naciągnięty na obwodzie koła.

W napompowanej oponie w spoczynku panuje ciśnienie robocze. Jeżeli do opony zostanie przyłożone obciążenie, ta się ugnie. To pociąga zmniejszenie się jej objętości, co zaś kończy się wzrostem ciśnienia. Tenże wzrost jest proprocjonalny do ciśnienia początkowego, wymiarów opony oraz przyłożonego obciążenia.

Opony występują w wielu wersjach, ale w rowerach stosuje się praktycznie jedynie opony diagonalne o przekroju koła i prostej konstrukcji.

Przekrój opony rowerowej nie jest przypadkiem - w przeciwieństwie do samochodu, rower pochyla się podczas skręcania, więc i opona musi mieć kształt to ułatwiający. Podobne samochodowym opony radialne w rowerach miałyby sens tylko w trójkołowcu.

Opona składa się z druta, szmaty oraz gumy. Przy czym druta czasem nie ma lub zamiast niego stosuje się kewlarowy sznurek.

Rysunek poniżej przedstawia wszystkie elementy razem.

Obrazek po lewej to moje dzieło, obrazek po prawej to przekrój opony Schwalbe pobrany z ich strony internetowej.

Drut - zwykle stalowy, czasem w postaci linki, w lepszych oponach z kewlaru. Pętla z tego materiału zagnieżdżona jest w każdej stopce opony. Rolą drutu jest zapewnienie stałej, niezależna od ciśnienia, średnicy osadzenia opony. Jeżeli 'drut' jest kewlarowym sznurkiem, to oponę zwykle da się zwinąć.

Szmata - nazywana czasem oplotem lub kordem. Szmata wykonana jest z podatnego materiału, np nylonu, w dwóch lub więcej warstwach. Warstwy zwykle krzyżują się pod różnymi kątami. Głównym parametrem oplotu jest jego gęstość, czyli liczba włókien na jednostkę długości, określana jako TPI ( threads per inch ). Gęstość oplotu określa jak miękkie i podatne są ścianki danej opony, co przekłada się na niższe opory toczenia. Generalna zasada, więcej to lepiej.

Guma - trzyma wszystko w kupie oraz zapewnia powierzchnię toczną opony. Na tejże czasem przyklejone są klocki bieżnika lub wykonane rowki tegoż. Głównym parametrem gumy w oponie jest jej twardość, nazywana twardością mieszanki. Generalna zasada - im twardsza mieszanka tym mniejsze opory toczenia, ale gorsza przyczepność. W oponach wyższej klasy stosuje się zwykle dwa lub więcej rodzajów gumy tak aby uzyskać pewien eksploatacyjny cel - czyli osiągnąć zakładany kompromis pomiędzy oporami toczenia a przyczepnością. Twardość gumy określa się w tzw. Skali Shore'a. W oponach rowerowych najtwardsze stosowane mieszanki to 72A, zaś najbardziej miękkie to 40A.

Podstawy za nami, przejdźmy do konkretów.

Z punktu widzenia rowerzysty opona przejawia trzy główne eksploatacyjne walory.

Po pierwsze waży, ale to akurat najmniej istotne, ponieważ Mit masy rotowanej .

Po drugie generuje opory toczenia. Które oczywiście chcemy mieć jak najniższe.

Po trzecie zapewnia przyczepność do podłoża, zwłaszcza w zakresie zapewnienia, że kierunek jazdy zamierzony przez rowerzystę będzie tym obranym przez rower.

Opory toczenia i przyczepność są ze sobą związane w przeciwstawny sposób. Im lepszą przyczepność do podłoża opona zapewnia, tym zwykle większe opory toczenia temu towarzyszą. Dlaczego tak się dzieje? Ano dlatego, że oba te parametry to tarcie i opory wewnętrzne interpretowane na dwa różne sposoby.

W gładkiej oponie, tzn slicku, podczas pracy panuje ciśnienie robocze, zgodne z zaleceniem producenta. Po usadzeniu swojego zadka na tymże rowerze opona rozpłaszczy się po glebie w postaci fałdy. Rzeczona jest odpowiedzialna za powstanie części oporów toczenia ponieważ ugięcie oplotu oraz gumy w której jest zanurzony wymaga pewnej kwoty energii. I, niestety, odgięcie kawałka opony spowrotem do kształtu spoczynkowego nie zwraca tej energii w całości.

Podczas jazdy zafałdowanie na oponie przesuwa się po jej obwodzie. To zaś pociąga za sobą ciągłą utratę energii. Strata jest proporcjonalna do prędkości roweru.

Drugim procesem odpowiedzialnym za powstanie oporów toczenia jest tarcie materiału opony ( gumy, mówię o gumie ) o podłoże. Zafałdowanie opony powoduje także rozpłaszczenie i prześlizgiwanie się jej na powierzchni tocznej. Ergo - powstaje tarcie. W miarę przesuwania się samego zafałdowania, bo koło się kręci, przesuwa się także powierzchnia styku opony z podłożem, więc w sposób ciągły i proprocjonalny do prędkości roweru powstaje tarcie o podłoże.

W skrócie - zafałdowanie i ugięcie opony wywołane obciążeniem jest odpowiedzialne za powstanie oporów toczenia które są proprocjonalne do prędkości.

Skoro zatem opory toczenia zależą od tej fałdki, od czego zależy ta fałdka?

Po pierwsze - od ciśnienia w oponie. Ugięcie wynika z zmniejszenia się objętości opony, które to jest związane z dupą na siodle. Ciśnienie końcowe w ugiętej oponie jest zależne od obciążenia i ciśnienia początkowego. Im wyższe ciśnienie robocze, tym mniejsze odgięcie opony, więc i tym mniejsze opory toczenia.

Po drugie - podatności ścianek opony. Im sztywniejsze, tym większe opory. Ugięcie opony zależy głównie od ciśnienia. Guma pełni w oponie rolę wypełniacza, materiału ściernego oraz pancerza przeciwko wszystkiemu co chce oponę przebić. Jest jednak dość oczywiste, iż nawet 3mm gumy nie służy do utrzymania sprężynowania kilkudziesięciu kilogramów. Natomiast 3mm gumy względem 1.5mm gumy generuje dramatycznie większe opory toczenia, gdyż w praktyce te same ugięcie opony wymaga odkształcenia grubszej, sztywniejszej ścianki.

Podatność ścianki zależy od dwóch głównych czynników - rodzaju i grubości gumy oraz liczby warstw i gęstości oplotu.

Rodzaj gumy tłumaczy się sam - miękka guma, jest... miękka. Gęstość oplotu jest zaś analogiczna do tego co się dzieje w plecionym sznurku - cienkie druty stosunkowo sztywne, ale skręcona z nich linka jest stosunkowo giętka. Podobnie - gęsty oplot składa się z cieńszych, bardziej miękkich włókien, więc i wymagających mniej siły do ugięcia.

Trzecim parametrem odpowiedzialnym za opory toczenia jest rodzaj mieszanki, ale z punktu widzenia tarcia o podłoże. Tutaj mamy sytuację odwrotną do punktu drugiego. Zakładając iż jedyną zmianą jest rodzaj mieszanki - im jest ona twardsza tym mniejsze opory toczenia opona generuje.

Kombinacja punktu drugiego i trzeciego daje nam pewną ciekawą zależność. Otóż - jeżeli opona jest przeznaczona do wysokiego ciśnienia to powinna być z twardej gumy. Jeżeli zaś jest przeznaczona do jazdy na niskich ciśnieniach, to miękka guma może być lepszym wyborem. Dzieje się dlatego, iż przy wysokim ciśnieniu ugięcie opony jest małe, więc dominuje tarcie. Przy ciśnieniach niskich nie tylko zależy nam na tymże tarciu, bo przyczepność, to miękka guma i podatna ścianka pozwala na częściowe zmniejszenie oporów toczenia wynikających z innych czynników.

Czwartym czynnikiem odpowiedzialnym za opory toczenia jest rozmiar, czy tam szerokość, opony. Tutaj sprawa ma się odwrotnie do tego, czego byśmy się spodziewali, patrząc na to jak wygląda przeciętna szosówka. Opony określane szerszymi, mają większą objętość. Ugięcie takiej gumy przy tym samym ciśnieniu początkowym powoduje mniejsze średnie odgięcie ścianek, więc i mniejsze straty energii.

Jak się do tego ma kwestia bieżnika?

Rozważania wyżej mają sens, jeżeli mówimy o oponie toczącej się po relatywnie gładkiej powierzchni która przy okazji jest sucha i twarda. Sprawa zaczyna się komplikować, kiedy ta powierzchnia niespecjalnie jest gładka, oraz niespecjalnie jest sucha i stanowczo niespecjalnie jest równa i spoista.

Aby sobie radzić z takimi warunkami powierzchnię toczną opony uzbraja się w tzw bieżnik, czyli mozaikę kanalików i/lub klocków naniesionych na powierzchnię toczną.

Idealna opona szosowa, na warunki całkowicie suche powinna być gładka. Rzekomo. Niektóre opony posiadają na powierzchni delikatną fakturę zagłębień które polepszają właściwości jezdne. Rzekomo. W szosowej mowie, zmniejszają opory toczenia. I chyba to działa, bo takową fakturę mają nawet najwyższej klasy opony wyścigowe. Opony gładkie, czy tam fakturowane, mają najcieńsze ścianki, najtwardszą gumę oraz, oczywiście, najniższe opory toczenia.

Kiedy jednak szosa jest mokra to sprawa wygląda nieco inaczej. Woda na powierzchni gumy tworzy cienki film który staje się swego rodzaju smarem pomiędzy kołem na drogą. W pojazdach z oponami radialnymi ( czytaj: w autach ) obserwuje się powyżej pewnej prędkości zjawisko tzw. hydroplaningu, czyli całkowitej separacji pojazdu od asfaltu poprzez warstwę wody. W praktyce wtedy pojazd płynie z minimalnym tarciem. Niestety jest również całkowicie niesterowny. W rowerach takie zjawisko też występuje, ale dopiero przy prędkościach rzędu 300km/h... zauważyć się jednak da zjawisko zmniejszenia się przyczepności na mokrym. Analogicznie zatem jak w samochodach, opony szosowe są często nacinane w rowki których celem jest odprowadzanie wody spod opony więc i w efekcie polepszenie kontaktu z asfaltem.

Sprawa komplikuje się kiedy mamy do czynienia z terenem pokrytym warstwą błota, żwiru czy szutru - generalnie, czegoś poddającego się pod naciskiem opony. W takim przypadku opona typu slick po prostu prześliźnie się z niewielką, czy wręcz zerową, przyczepnością. Ten problem rozwiązuje się za pomocą bieżnika klockowego. Podstawowa zasada działania jest prosta:

Sporo się tu dzieje, więc po kolei:

Widok jest z boku, bieżnik zanurza się w terenie ( zaznaczonym na ciemno czerwono ) będącym czymś niespoistym.

Na czarno zaznaczyłem profil bieżnika oraz profil twardego gruntu. W miarę zagłębiania się w teren klocek coraz mocniej go kompresuje ( niebieskie strzałki ). Jednocześnie boczne ścianki klocka wykorzystują już skompresowany materiał, konkretnie jego lepkość, do wytworzenia dodatkowej siły oporu który stanie się przyczepnością.

W miarę zagłębiania się klocków separacja od twardego podłoża jest coraz mniejsza ( ciemnozielone linie kropkowane ). Im bliżej tegoż, tym bardziej lity jest materiał na powierzchni, więc i bardziej wykorzystują go boczne ścianki klocków.

Dla porównania, jasnozielonym kolorem zaznaczyłem profil opony typu slick - która bez obecności klocków nie zagłębi się tak samo w teren, więc w efekcie nie będzie generować tej samej przyczepności.

Jako, że powierzchnia klocków jest mniejsza niż powierzchnia całej opony. To oczywiście powoduje, że nacisk samych klocków na teren, jest większy niż gładkiej opony. To zaś powoduje, iż klocek rozgarnia i ubija materiał niespójny i dogryza się bliżej do litego podłoża. Im dłuższe i węższe klocki, tym grubszą warstwę niespójnego gruntu opona może przebić. Dlatego też opony "na błoto" mają zwykle wysokie, wąskie klocki.

Kiedy opona klockowa jest zagłębiona w podłożu to przyczepność pochodzi z:

No ale nie zawsze, a raczej, zwykle, nie jeździmy po błocie kiedy uciekamy z asfaltu.

Przyczepność jednak niejedno ma imię. Kwestię niespójnego podłoża omówiłem, pokrótce, wyżej. Jak sobie poradzić kiedy mamy do czynienia z szlakiem nierównym, ale twardym, może nawet poprzecinanym poprzecznymi przeszkodami? Można korzystać z grubych slicków, ale nie zawsze jest to dobry pomysł, gdyż slick zapewnia tę samą przyczepność we wszystkich kierunkach.

W tym w kierunku "na bok" oraz "do gleby".

Przyczepność, i zatem również uzyskuje się to poprzez wykorzystywanie efektów dociskania klocków do podłoża. W przypadku przeszkód poprzecznych wygląda to mniej więcej tak:

W skrócie - kiedy opona odkształca się kompensując przeszkodę, szczyty dwóch klocków zbliżają się do siebie bardziej niż ich podstawy, co powoduje efekt zakleszczenia się dookoła powierzchni przeszkody i w efekcie silniejsze zakotwiczenie opony na przeszkodzie. To oczywiście zależy od rodzaju i ułożenia bieżnika, kształtu klocków oraz oczywiście - od stopnia deformacji opony.

Kluczowym dla tej mechaniki jest odpowiednie ciśnienie w oponie. Dlaczego? Ano aby uzyskać wysoki wzrost przyczepności klocki muszą odpowiednio gęsto objąć przeszkodę. Za dużo? Nie dadzą rady. Za mało? Opona będzie pływać i ryzykujemy dobicie opony.

Klocki bieżnika są oczywiście zrobione z gumy, która to jest, oczywiście, elastyczna. Co się stanie jeżeli klocek zostanie dociśnięty do twardego podłoża?

Mniej więcej to:

Klocek będzie usiłować wtłoczyć się do środka opony, oraz jego krawędzie rozwłóczą się po podłożu.

Co się zatem stanie jeżeli taki dociśnięty klocek spróbujemy przeciągnąć w którymś kierunku?

Siła ciągnąca jest pokazana na czerwono. Klocek odegnie się w sposób podobny temu na rysunku, co spowoduje powstanie dodatkowego oporu w kierunku odwrotnym do przesunięcia. Maksymalna siła tego oporu (niebieska) jest zależna od siły docisku, rodzaju nawierzchni oraz typu gumy. Generowana jest przez krawędź klocka naciskającą na podłoże, i jest największa w kierunku prostopadłym do tej krawędzi.

Ten fakt zaś odpowiada za istotną cechę każdego bieżnika. Mianowicie największą przyczepność, jak i opór toczenia, opona wykazuje w kierunkach prostopadłych do krawędzi klocków bieżnika w miejscu styku gumy z glebą. Im więcej krawędzi zwróconych w danym kierunku, tym lepiej opona "trzyma". Znajomość tego faktu zaś wystarcza, aby zaprojektować bieżniki przeznaczone do różnych zastosowań. Na przykład bieżniki do błota, szutru, kierunkowe, toczące się lżej lub zapewniające większą przyczepność do konkretnego rodzaju podłoża.

Nie obiecuję, że moja przygoda z jedną oponą za 10zł powstrzyma mnie od kupowania gum z tego przedziału cenowego. Jednak muszę przyznać, że nawet w miarę pobieżne spojrzenie na to, jak opona pracuje powoduje, iż muszę przyznać się raczej niekomfortowych wniosków.

Ten brak komfortu to raczej z kategorii "zawsze mówię, że to nie ma znaczenia". Otóż w przypadku ogumienia ... to ma znaczenie.

Zakładam, może niekoniecznie, iż jeździmy dla szeroko pojętej "przyjemności" i raczej chcemy, aby rower nie przeszkadzał w jeździe w kierunku i z prędkością raczej większą niż mniejszą. Biorąc pod uwagę wywody wyżej, liczba czynników które bezpośrednio wpływają na to jak dana opona będzie się zachowywać jest duża.

Na część, na przykład na ciśnienie robocze, rodzaj bieżnika czy gęstość oplotu, mamy bezpośredni wpływ kupując oponę. Na inne czynniki ma jednak wpływ również konstruktor opony. Dobierając odpowiednio rodzaj(e) zastosowanej gumy, gęstość oplotu, sposób jego ułożenia, grubość ścianek czy inne parametry techniczne ma on możliwość stworzyć opony, które z zewnątrz wyglądają identycznie ale będą się diametralnie różnić podczas jazdy.

I tutaj pojawia się kwestia "to mieć znaczenia". Gdyż opony "lepsze" to opony droższe. Im bardziej złożona konstrukcja i egzotyczna mieszanka gumy, tym większe kwoty trzeba w oponę zainwestować.

Mój dyskomfort zaś jest taki, iż opona to jeden z niewielu elementów roweru który ma dramatyczny i bezpośredni wpływ na to jak szybko i jak pewnie możemy jechać i jednocześnie ten wpływ jest mocno powiązany z tym ile zapłaciliśmy. Droższe jest lepsze.

Oczywiście, nie oznacza to, że płacąc dwa razy więcej, pojedzemy dwa razy szybciej. Ale oznacza to, że inwestując w opony kilka ekstra złotych jest spora szansa pojedzemy te 1-2% szybciej, lub będziemy na mecie minutę, dwie prędzej, lub zaliczymy tę czy ową bandę szybciej, lub pojedziemy te 20 km więcej niż w przypadku opon z katergorii niższej.

Jest również prawdą, o czym może świadczyć epizod z początku artykułu, że łowąc opony z kategorii "market" narażamy się na przykre niespodzianki.