Neopevani junaki kolesa, mislimo, da je skrajni čas, da napere dobijo spoštovanje, ki jim pripada
Te tanke žice opravljajo neusmiljeno težko nalogo, saj se vedno znova raztegnejo in stisnejo z vsakim posameznim obratom naših koles. Prenašajo tudi sile pospeševanja pedaliranja od pesta do kolesnega obroča in prenašajo tudi zavorne sile. Njihova vloga pri tem, da sploh lahko vozimo kolo, je skoraj magična – tako tanke niti nosijo tako velike obremenitve. Zato smo menili, da je skrajni čas, da skromna govorica prevzame nekaj zaslug, kjer je cel tovor.
'Genialnost kolesa z naperami je v tem, da lahko prenese pogosto zelo velike sile, ki jih ustvarijo kolesar, kolo in različne cestne površine, v te ozke palice, pri čemer je vsaka sistematično stisnjena, ko se kolo vrti in obremenitve prenašajo eden se pogovarja z drugim in tako gre naprej,« pravi profesor Mark Miodownik, direktor Inštituta za ustvarjanje na University College London, avtor Stuff Matters, televizijski voditelj in navdušen kolesar. Nadaljuje: 'To je čudovit način za optimizacijo teže, stroškov in zmogljivosti kolesa.'
Napere, ko so enkrat pod napetostjo, v bistvu podpirajo platišče z uporabo pesta kot osrednjega sidra. V scenariju popolnega sveta se vsaka napera vleče z enako napetostjo, da se obremenitev enakomerno porazdeli po celotnem kolesu, hkrati pa drži platišče pravo in okroglo. Napere morajo podpirati kolo pred bočnim upogibanjem in deformacijo platišča ter se upreti učinkovitemu zmečkanju kolesa zaradi navpične obremenitve (radialno stiskanje). Ni majhna naloga. Ni čudno, da je bilo od pojava kolesa raziskanih le malo drugih rešitev.
Napetost napere
Zdaj stvari postajajo tehnične in ne boste sami, če bo to, kar sledi, nekoliko zmedeno in protislovno. Obstaja veliko nesoglasje glede tega, ali kolo dejansko visi na zgornjih naperah (tistih nad pestom, ko gledate kolo s strani) ali pa ga podpirajo spodnje, ki delujejo kot majhni stebrički."Slednji pogled, čeprav se zdi nenavaden, je dokončno resničen," pravi Jim Papadopoulos z Inženirske fakultete Northeastern University v Bostonu v ZDA in soavtor Bicycling Science.
Čeprav je enostavno verjeti, da bi se napera kolesa preprosto zrušila pod težo kolesa in kolesarja, nadaljuje z razlago, da je napetost, ki nastane v naperi med postopkom izdelave kolesa (imenovana "prednapetost") kar omogoča, da spodnje napere prenesejo obremenitev brez upogibanja, kot bi, če ne bi bilo prednapetosti. Vsaka napera na neobremenjenem kolesu ima napetost reda 100 lb [445N]. Ko je os pritisnjena proti tlom s silo 100 lb, je edini pomemben učinek na napetosti naper zmanjšanje napetosti neposredno pod pestom – običajno se ena zmanjša na približno 50 lb, napere na vsaki strani tega pa se zmanjšajo na približno 75 lb. To je natanko tisto, kar bi videli s trdnimi lesenimi naperami, kot je kolo starega vagona – spodnje kolo bi nosilo 50 lb, tiste na obeh straneh pa 25 lb. Razlika pri kolesih z žičnimi naperami je v tem, da žičnate napere ne morejo prenesti kompresijske obremenitve – zrušile se bodo. Tako so vse napere genialno prednapete. Žica ne more prenesti kompresijske obremenitve 50 lb, razen če že nosi natezno obremenitev, ki presega to.
'Seveda se bo kolo kolesa zrušilo, če odstranimo zgornje ali vodoravne napere,' dodaja Papadopoulos. Toda v bistvu je to zato, ker ima spremenjena struktura zelo drugačno pot obremenitve in poleg tega ne more zagotoviti zahtevane prednapetosti. Tega zloma ne moremo uporabiti za sklep, da tipično kolo prenaša obremenitev skozi zgornje napere.« Če se vam zaradi tega zavrti v glavi, niste edini. Pa pojdimo na bolj preprosto področje govornega materiala.
Jeklene napere
Napere so večinoma izdelane iz jekla, izbor materiala, ki se, kot nam pove Miodownik, "v bistvu zmanjša na možnost zanesljivega navoja". Jeklena žica je odlična, saj jo lahko tudi z zelo majhno površino za pritrditev, na primer tam, kjer nastavek drži napero ob robu, močno napnete, ne da bi odstranili nit. Nerjaveče jeklo je idealen material, saj ima pravo mešanico visoke trdnosti in majhne teže, hkrati pa je tudi cenovno dostopen.’
Nerjavno jeklo je bila izbrana kovina za napere od poznega 19. stoletja zaradi svoje visoke natezne trdnosti, ki omogoča, da napere ostanejo razmeroma tanke in lahke, hkrati pa se spopadajo s silami, ki delujejo nanje. "Napere iz blagega jekla bi morale biti dvakrat težje in debelejše," pravi Chris Hornzee-Jones, direktor pri strukturnih inženirjih Aerotrope. Zasnoval je revolucionarno gorsko kolo Lotus iz ogljikovih vlaken in delal na enem največjih koles z napenjalnimi naperami, kar jih je bilo kdaj izdelanih – strukturi s premerom 60 metrov, obešeni pod streho Millennium Dome, ki se uporablja kot platforma za izvajalce v zraku. „Z dodajanjem kroma in molibdena v železo in ogljik mehkega jekla je nastala zlitina nerjavnega jekla veliko bolj odporna na utrujenost.'
Utrujenost je sovražnik naper. Če menite, da so vaši štirikolesniki vedno znova obremenjeni zaradi ponavljajočih se udarcev s pedalom, potem se smilite svojim naperam, saj jih udarjajo z vsakim posameznim obratom kolesa. Vsaka napera v kolesu je pod tlačno obremenitvijo samo za delček sekunde, ko je neposredno pod pestom, in v tem trenutku se stisne, preden pritisk popusti in se lahko vrne na normalno dolžino. To je neusmiljen cikel, ki lahko dobesedno uniči slabo zgrajeno kolo.
'Kolo je kot naporna tekalna steza za napere, ki je zanje še težje, ker ima na enem koncu dodan navoj in [v večini primerov] ovinek in/ali glavo na drugem, ' pravi Hornzee-Jones. „Nit je koncentriralec napetosti in prenos obremenitve poteka predvsem skozi prvih nekaj niti. Še več, nastavek je sorazmerno trd in, ko poskuša sedeti pravokotno na rob, se le redko popolnoma poravna s kotom, do katerega pride napera, kar je lahko vzrok za dodatno koncentrirano obremenitev. Na drugem koncu se J-krivina upogne do minute in po več sto tisoč običajnih vrtljajih kolesa se lahko začnejo odpirati vse drobne površinske napake, globoke le mikrone in popolnoma neopazne človeškemu očesu. Sprva je to počasen proces, vendar bo sčasoma povzročil zlom napere.’
Aluminijaste napere
Vendar jeklo ni edini material, ki se uporablja za napere. Mavic in Campagnolo (kot tudi Campagnolovo sestrsko podjetje Fulcrum) že dolgo zagovarjata aluminijaste napere. Aluminij ima eno tretjino gostote jekla, vendar tudi približno eno tretjino togosti, zato morajo biti napere debelejše, kar pomeni, da so potencialno manj aerodinamične, zahtevajo nastavke večjega premera in posledično večje luknje v platiščih, kar lahko zmanjšajo trdnost in togost platišča. Aluminijaste napere se prav tako nagibajo k uporabi ravne vlečne zasnove, saj bi J-upogib v aluminiju zelo verjetno odpovedal pod obremenitvijo.
Druga omejitev je, da aluminij ne drži niti tako zlahka. Mavicova rešitev je navijanje nastavkov neposredno v rob, namesto na napero. Campagnolo predlaga, da izbere aluminijaste napere, ki tehtajo enako kot jeklene različice, vendar v primerjavi s tem izboljšajo občutek vožnje njegovih koles, vendar je to v veliki meri subjektivna zadeva, pri kateri imajo napere le eno vlogo, pri čemer so pnevmatike, platišča in pesta prav tako pomembni akterji, kaj šele preostali del kolesa.
Glede na različne obremenitve, ki jih prenašajo napere, se ogljikova vlakna morda sploh ne zdijo verjetna izbira, vendar je Mavic skupaj s številnimi drugimi znamkami vrhunskih platišč, kot sta Lightweight in Reynolds, če naštejemo dve, našel načine za izkoriščanje njegove natezne trdnosti v naperah, z očitnim prihrankom teže. Mavicov R-Sys SLR na primer uporablja votle karbonske cevi za zagotavljanje togosti pod napetostjo in odpornosti proti stiskanju."Raztegljivost naper je veliko manjša kot pri jeklu ali zlitini, ker je karbon trši," pravi Michel Lethenet iz Mavica. „Ker so cevi, so odporne na stiskanje, kar pomaga ohranjati togost kolesa, čeprav so potrebni nekateri kovinski deli, ki so na obeh koncih zlepljeni za pritrditev na rob in pesto.“Alternativna metoda je uporabljena v Mavicovem Cosmic Carbone. Ultimate, pri katerem karbonske napere z rezili potekajo od ene strani kolesa do druge, se povezujejo s prirobnico pesta in na poti prečkajo druge napere.
Resnica iz spina
Obstaja še nekaj prejetih kolesarskih modrosti v zvezi z naperami, ki jih Peter Marchment, znanstvenik za materiale in direktor podjetja Hunt Bike Wheels, z veseljem razblini. "Kolo, ki uporablja globlje platišče s krajšimi naperami, se pogosto obravnava kot "močnejše", vendar je to običajno posledica dodane togosti platišča," pravi.„Mnogi ljudje tudi verjamejo, da večja napetost naper pomeni, da boste dobili trše kolo, vendar temu ni tako. Na togost kolesa poleg same napetosti vpliva še marsikaj, vključno s številom naper, kotom oprijema in globino platišča.
Pravzaprav se bo napera ob obremenitvi podaljšala za enako količino, ne glede na uporabljeno prednapetost, kar pomeni, da povečanje napetosti napere ne naredi kolesa tršega.« Marchment nadaljuje: »Postavitev naper v pravo napetost je ključnega pomena. Pri izjemno visokih napetostih je večja verjetnost, da se poškodujejo obroč in napere, ker so dejansko predhodno obremenjeni z visoko silo. Težavo pa predstavljajo tudi nizke napetosti naper, ker obstaja večja verjetnost, da se nastavek zrahlja [odvije], ko so razbremenjeni zaradi udarcev ali tresljajev na cestišču, kar povzroči, da se kolo izklopi.«
Ne glede na napetost in vzorec, lahko izbirate med številnimi naperami, da ne omenjamo številnih različic kakovosti žice, iz katere so izdelane. Sapim, eden vodilnih proizvajalcev naper, proizvede 300 milijonov naper na leto in kupuje naokoli, da bi ohranil kakovost in ostal konkurenčen v svoji paleti izdelkov. »Šestdeset do 70 odstotkov cene naper z navadnim premerom je lahko v materialu, zato je pomembno, da to pravilno izberete, vendar je najpomembnejša stvar za vse naše napere zmogljivost žice,« pravi Sapimov vodja prodaje, Klaus Grüter. "Iščemo žico, ki je svetla in sijoča in ima natezno trdnost od 1000 do 1050 N/mm2 z dobrimi podatki o utrujenosti in, kar je pomembno, odlično odpornostjo proti koroziji."
Grüter nam pove, da so vzorci laboratorijsko testirani glede natezne trdnosti, odpornosti na upogibanje in torzijo. Ko je žica sprejeta, jo stroj zravna in odreže. Žico navadnega premera je mogoče izdelati tudi v napere (kjer je osrednji del ožji), tako da žico povlečete skozi matrico. Ko se udari, se glava napere in J-krivina kujeta, nit na drugem koncu pa se zvije (ne prereže). Končane napere pregledajo sistemi strojnega vida ter človeško oko in roka. En stroj lahko izdela 20.000 čelnih naper na dan, kar pojasnjuje, zakaj različni stroški dela malo vplivajo na ceno končne napere in zakaj lahko proizvajalci po vsem svetu prodajajo po podobnih cenah.
Ampak zakaj bi sploh udaril napero? Jonathan Day iz podjetja Strada Wheels pojasnjuje: »Stočne napere bolje prenesejo navor kot navadne. V ravnini kolesa, ki je smer torzijske sile, so širši, zato je več materiala, ki se lahko upre. Prav tako se nekoliko bolj upognejo v pravokotni ravnini, zato bolje porazdelijo kompresijsko obremenitev po kolesu.’
Vzorec napere
Tradicionalni vzorec naper koles kolesa je obsegal 32 (ali včasih 36) naper, trikrat prekrižanih. Prepleteni vzorec naper v tradicionalno zapletenem kolesu še zdaleč ni le lepa kalejdoskopska razporeditev, ampak je pravzaprav funkcionalen del dizajna kolesa.
Kar zadeva bočno togost, točke, kjer se napere sekajo, omogočajo, da se ena opre na drugo, ko je pod napetostjo, in jo podpira, ko je stisnjena. Najpomembnejša vloga trikrižnega vzorca vezanja je pri zadnjem kolesu, kjer morajo napere prenašati moč pedaliranja iz pesta. V tem primeru so napere obremenjene z veliko večjimi torzijskimi obremenitvami zaradi zvijalne sile pogonskega sklopa. Napere na strani kasete, ki zapuščajo pesto tangencialno, prenašajo vrtilno silo (navor) s pesta na platišče. Radialne napere (ki sledijo poti od središča pesta neposredno do platišča, ne da bi prečkale drugo) so veliko manj sposobne obvladati to vrsto obremenitve in je večja verjetnost, da bodo odpovedale.
Kadar navor ni problem, na primer pri sprednjem kolesu z obročnimi zavorami, je uporaba radialnih naper smiselna. To prihrani težo, saj so napere lahko krajše in manj jih je potrebnih za ustvarjanje bočno togega kolesa. Tudi zgleda dobro. Kolutne zavore pa povzročajo znatno torzijsko obremenitev, zaradi česar je radialna napera skoraj nemogoča. "Pravilni vzorec zavezovanja je ključnega pomena, ker si napere delijo kompresijsko obremenitev s stiskanjem ob sosede, ki jih prečkajo, zato morajo biti napere zavezane tako, da bodo vodilne ali priklopne," pravi Day. „Poskrbeti morate, da vodilna napera najprej prevzame obremenitev na pogonski strani. Na 32-krakem kolesu potrebujete 16 vodilnih krakov, ki si delijo obremenitev. Če se zavežete narobe, bo na koncu le osem opravilo delo.«
Neverjetno je, da so vzorci naperjev ostali eden najmanj izzivalnih vidikov dizajna koles, kljub nekaterim ogromnim preskokom v materialih in proizvodni tehnologiji v zadnjih desetletjih. To je resnično preizkušena metodologija in kot pravi pregovor, če se ne pokvari …
