Polemika
Fizyka
Kuźnia
Sprzęt
Z warsztatu
O mnie

Medium ściskane

Medium ściskane pełni w amortyzatorze rolę magazynu energii ugięcia. Zasada jest taka, że siła która ściska amortyzator powoduje ugięcie tegoż poprzez zamianę energii kinetycznej/potencjalnej związanej z najazdem na przeszkodę. W momencie ustania impulsu energia związana z ugięciem powoduje powrót amortyzatora do pozycji wyjściowej. Istnieją różne rodzaje mediów ściskanych, jednak w rowerach najpopularniejszymi są sprężyny metalowe lub sprężyny powietrzne. Drzewiej występowały jeszcze amortyzatory elastomerowe, ale zostały one prawie wyparte i elastomery stosuje się już tylko jako odbojniki końca skoku.

1. Powietrze

Sprężyna powietrzna jest twórczym wykorzystanie równania gazu doskonałego – czyli tego:

Równanie Clapeyrona

W skrócie, gaz zamknięty w pojemniku jest opisany równaniem:

p * V = n * R * T

gdzie:

p – ciśnienie gazu

V – objętość pojemnika

n – liczba moli gazu w pojemniku

T – temperatura gazu

R – uniwersalna stała gazowa równa R = 8,314 J/(mol·K)

Interesujące nas wielkości, z punktu widzenia techiki amortyzacji, to ciśnienie i objętość pojemnika. Reszta parametrów jest stałymi. Sprężyna gazowa działa w ten sposób, iż zmiejszająca się objętość gazu ( poprzez posuw tłoka ) powoduje zwiększające się ciśnienie, więc i reakcję

Ciśnienie określa 'twardość' sprężyny. Im wyższe, tym większą siłę należy włożyć aby sprężynę ugiąć, ale także z tym większą siłą powróci na swoje miejsce.

Z równania tego wynika podstawowa właściwość sprężyny powietrznej, a mianowicie jej 'wbudowana' progresja. Przyjrzyjmy się zresztą odpowiedniej charakterystyce:

Przedstawia ona charakterystykę trzech sprężyn powietrznych różniących się objętością głównego zbiornika powietrza, ale zaczynające od tego samego ciśnienia wyjściowego.

Jak widać przez główną część skoku jest ona prawieże liniowa, po czym nagle staje się wybitnie progresywna. Oczywiście, jeżeli objętość spada do zera, to ciśnienie staje się nieskończone etc.

To gdzie wystąpi przegięcie, oraz jak mocno będzie nachylona charakterystyka ( a więc, jak wykorzystywany będzie skok ) zależy od konstrukcji samej sprężyny.

W rzeczywistych zastosowaniach – tzn w prawdziwch damperach i amortyzatorach – stosuje się bardziej złożone systemy niż prosta sprężyna gazowa ze względu właśnie na fakt, iż posiada taką a nie inną charakterystykę, nie nadaje się do zastosowań amortyzacyjnych bezpośrednio. Typowy damper powetrzny posiada dwie lub trzy komory powietrzne lub jest dodatkowo uzbrojony w spręzyny zwojowe / odbojniki które modyfikują jego pracę.

2. Sprężyna Zwojowa

Najpopularniejszym w technice elementem amortyzującym jest stalowa sprężyna. Przyjmuje ona różne kształty i formy od sprężyn zwojowych przez agrafkowe do piórowych. W rowerach praktycznie jedynym stosowanym rodzajem są sprężyny zwojowe, które praktycznie zawsze są sprężynami sciskanymi.

Wszystkie rodzaje sprężyn metalowych są oparte na jednej zasadzie fizycznej zwanej prawem Hooke'a:

Prawo Hooke'a

s = E * e

gdzie:

s – naprężenie względem stanu początkowego

E – moduł Younga, czyli właściwości elastyczne materiału

e – odkształcenie względem stanu początkowego

Jednak stosowanie prawa Hooke'a bezpośrednio jest uciążliwe ze względu na jego empiryczny charakter. Dlatego wyprowadza się z niego zależność która opisuje sprężyny w bardziej użytecznych terminach:

F = -k * dx

gdzie:

F – siła naprężenia sprężyny

k – współczynnik sprężystości materiału sprężyny

x – wektor odkształcenia

Zależność ta jest prawdziwa dla każdej sprężyny o liniowej charakterystyce. W przypadku sprężyn o charakterystyce nielinowej zależność ta jest bardziej złożona. W amortyzacji rowerowej praktycznie nie stosuje się sprężyn nieliniowych1.

Współczynnik k ukrywa pod sobą fizyczne właściwości sprężyny takie jak grubość z którego została wykonana, ilość zwojów, długość czy rodzaj materiału.

Sprężyna metalowa jako element amortyzacji, dzięki posiadaniu liniowej charakterystyki, daje element zawieszenia który jest bardzo czuły na nierówności, ale posiada wąski zakres pracy. Z tego powodu w rzeczywistych zastosowaniach amortyzatory sprężynowe są wyposażane w system tłumienia końca skoku. Najprostszym jest elastomerowy odbojnik, ale w bardziej zaawansowanych konstrukcjach dochodzą do tego kombinacje z tłumikami olejowymi czy dodatkowymi komorami powietrznymi.