עקרונות השיכוך.
בדורות הראשונים של האופניים הגלגלים היו עשויים מעץ בציפוי מתכת, דבר אשר לא תרם רבות לפופולריות שלהם בקרב העם.
החשיבות של שיכוך אינה מתבטאת בנוחות הנסיעה בלבד אלא גם באחיזה ובהתנגדות הגלגול של האופניים בשטח ובכביש. תארו לכם שכל אבן קטנה שתהיה בדרככם תגרום לאופניים שלכם להתרומם ולרדת בחדות כאשר האופניים ואתם סופגים את כל האנרגיה שכרוכה בכך. מעבר לרעידות והמכות שהאופניים ואתם תספגו, השחיקה של האופניים (והרוכב) תהיה מהירה מאוד.
הסקיצות המצורפות ממחישות את מה שקורה לאופניים כאשר הם נתקלים במכשול:
המכשול מפעיל כוח על הגלגל , הכוח מאונך לפני השטח בנקודת הפגיעה ופועל בכיוון אחורה ולמעלה. ניתן לראות את הכוחות שפועלים על האופניים בכיוון אחורה ולמעלה בקוים מקוקוים. ככל שהרוכב והאופניים יותר כבדים הכוח המופעל עליהם הוא יותר גדול. חשבו על מריצה שצריכה לעלות את שפת המדרכה, אם היא מלאה יהיה הרבה יותר קשה להעלות אותה.
כשהגלגל מגיע במהירות ופוגע במכשול, הוא נדחף למעלה ובעצם מאיץ לכיוון מעלה תוך כדי התקדמות. ברגע שהגלגל יעבור את שיא המכשול, כיוון התנועה שלו (למעלה) ישתנה והוא יתחיל לחזור לכיוון הקרקע, בגלל רציפות התנועה, רוב הסיכויים שהגלגל יתנתק מהקרקע ויחזור אליה לאחר שעבר כברת דרך באויר. (נקודות העזיבה והחזרה של הגלגל אל הקרקע מסומנות בעיגולים אדומים).
בהתבוננות בסקיצות אנו מבחינים במספר בעיות:
- רכיב הכוח הפועל כנגד כיוון התנועה שלנו מאט אותנו.
- רכיב הכוח הפועל למעלה "מקפיץ" אותנו למעלה ומנתק אותנו מהקרקע.
- אין לנו אחיזה או שליטה בהיגוי בזמן שאנו באויר.
- אנו נקבל חבטה לא מבוטלת בעליה ובירידה מהמכשול.
בואו ניקח לדוגמא רוכב אופניים שרוכב לתומו בכביש, באיזה שהוא שלב עוברת בראשו המחשבה שאולי כדאי שהוא ירכב על המדרכה כדי שלא ידרסו אותו. הוא מחפש לאורך המדרכה מעבר משופע של "לאם ולתינוק" ומוצא אחד כזה. במדרכה נמוכה יחסית אורך השיפוע הוא 30 סנטימטר והוא מעלה את הרוכב לגובה של 10 סנטימטר לערך. הרוכב מתקדם אל השיפוע במהירות של 15 קמ"ש ועולה אותו.
נניח רוכב במשקל של 75 ק"ג עם אופניים ששוקלים 15 ק"ג. הכוח שיפעל על האופניים בכיוון מעלה יהיה שווה ערך ל-1800 ק"ג למשך קצת פחות מעשירית השניה!
אם למסכן היה מזלג קידמי עם שיכוך מתאים הוא היה סופג פחות מחמישית מהמכה הנ"ל. בנוף לכך הגלגל היה חוזר להתגלגל על המדרכה כמעט מיד מאחר והקפיץ היה מחזיר אותו כלפי מטה לאחר שסיים את העליה.
אלמנט השיכוך הראשון שיש לנו על האופניים הוא הצמיג שלנו. במפגש עם מכשול צמיגי האופניים הגמישים משנים את צורתם תוך כדי ספיגת האנרגיה ולאחר מכן חוזרים לצורתם עד המכשול הבא. צמיגי שטח שמנופחים בהתאם לרוכב ולשטח יכולים לתת שיכוך של כ 30 - 40 מילימטרים. הצמיגים שלנו הם גורמי ההשפעה הראשונים שלנו על האחיזה והנוחות בזמן רכיבה.
צמיגי הגומי הראשונים שהיו מנופחים באויר הומצאו על ידי Robert William Thomson בשנת 1845, ההמצאה לא תפסה עקב היותה יקרה מאוד ולא פרקטית לקהל הרחב. 43 שנים לאחר מכן רשם וטרינר סקוטי בשם John Boyd Dunlop פטנט על צמיגי גומי מתנפחים לאופניים, ההמצאה לא היתה יקרה כל כך והיא הפכה הסטנדרט מאז.
בשנות השיבעים כאשר כמה משוגעים לקחו את האופניים וירדו לשטח, הם גילו שצמיגים בשרניים לא תמיד מספיקים כדי לשמור על אחיזה טובה ועבירות סבירה בתנאי שטח קשים. בתחילת שנות התשעים הופיעו בשוק מזלגות עם שיכוך, היה להם 38 - 50 מילימטר מהלך ואורך החיים שלהם היה קצר מאוד, לקח מספר שנים עד שהמזלגות התקרבו למה שאנו מכירים היום.
מה הרעיון? איך זה עובד? ולמה צריכים את זה? - חלק מהתשובות ננסה לתת בהמשך.
את הרכיבה שלי בשטח התחלתי עם אופני שטח מפלדה ללא בולמי זעזועים, או בכינויים Rigid - קשיחות. הרכיבות היו בשדות ושבילי כורכר ועפר, הן היו מהנות מאוד למרות שהשליטה באופניים היתה קשה יחסית. כבר במהירות בינונית הרכיבה הפכה אתגרית למדי בשל האחיזה הלקויה והרעידות החזקות. חויות שכאלו הן בסיס טוב להבנה של השפעת בולמי הזעזועים על הרכיבה שלנו.
מטרת בולם הזעזועים הינה לספוג את הכוחות שפועלים על האופניים עקב שינוים בפני השטח שעליו אנו רוכבים ולהצמיד את הגלגל אל הקרקע כדי שיספק אחיזה ושליטה.
אחד המושגים הבולטים כאשר דנים בשיכוך הוא "עקיבת קרקע", ביטוי אשר מתאר את יכולת הגלגל להישאר צמוד לקרקע גם כאשר הדרך משובשת ומלאה מכשולים. עקיבת הקרקע מתאפיינת ביכולת של הבולם להתכווץ כאשר הגלגל פוגע במכשול ולהפתח בחזרה בצורה מבוקרת כדי להצמיד את הגלגל אל הקרקע.
את תפקיד ספיגת האנרגיה מטילים לרוב על קפיץ, הקפיץ מתכווץ כאשר מופעל עליו כוח וכך הוא מונע הקפצה של האופניים והרוכב. הקפיץ עדיין מפעיל כוח על האופניים אך הכוח קטן משמעותית בהשוואה להקפצת האופניים עם הרוכב. כאשר הגלגל עובר את שיא גובה המכשול הקפיץ נפתח בחזרה ומצמיד את הגלגל אל הקרקע. המושג קפיץ מתייחס גם בולמים שה"קפיץ" שלהם מבוסס על בוכנת אויר. מאחר ואויר הוא דחיס הבוכנה שהיא אטומה, תתכווץ ותתפשט בצורה קרובה למדי לזו של קפיץ. היתרון הגדול הוא במשקל קל וביכולת לווסת את התכונות של הבוכנה על ידי שינוי הנפח והלחץ שבה. הקפיץ יהיה מותאם בחוזקו למשקל הרוכב, ובאורכו לסגנון הרכיבה והשטח בו הוא אמור לתפקד. רוכב קל ידרוש קפיץ חלש יותר, רכיבה אגרסיבית בשטח סלעי או משובש מאוד תדרוש קפיץ ארוך יותר, ולהיפך.
תנועת הקפיץ אינה מבוקרת והיא מושפעת ישירות מעוצמת הפגיעה של הגלגל במכשול, גודל המכשול עצמו, מהירות ומשקל האופניים והרוכב. כאשר יש רק קפיץ, בזמן פגיעה במכשול הוא יתכווץ במהירות, לפעמים כלכך מהר שהגלגל יתנתק מהקרקע לפני שהקפיץ יחזיר אותו. כאשר הקפיץ נפתח הוא משחרר את האנרגיה שהוא צבר בזמן ההתכווצות, אם הגלגל נשאר במגע עם הקרקע הקפיץ יפתח וידחף את האופניים כלפי מעלה, אם הגלגל התנתק הקפיץ יטיח את הגלגל בקרקע בחוזקה. כמו כן יש לזכור שתנועת הקפיץ היא מחזורית והאופניים ימשיכו להתנדנד לאחר מעבר המכשול עד שהקפיץ יפסיק את תנודותיו.
כדי למנוע מהגלגל תנועה לא מבוקרת והתנתקות מהקרקע יש לרסן את תגובת הקפיץ. מנגנון הריסון הנפוץ ביותר היום הינו בולם הזעזועים, זוהי בוכנה שנעה ביחד עם תנועת הקפיץ ומשככת את תנועתו על ידי הזרמת שמן דרך חרירים תוך כדי תנועתה.
בסקיצה המצורפת ניתן לראות שיש בבוכנה מעברים נפרדים לשלב ההתכווצות ולשלב ההתפשטות של הבולם, כך ניתן לתת אופיין התנהגות שונה לכל שלב. במזלגות מאוד פשוטים יש שימוש באלסטומר אשר מהירות החזרה שלו נמוכה, בבולמים איכותיים יש גם משככים על בסיס גז, אך הם פחות נפוצים.
אז יש לנו קפיץ להתכווץ ולספוג את הכוח שמופעל ברגע הפגיעה במכשול, הוא גם נפתח בחזרה כדי להצמיד את הגלגל לקרקע. יש לנו מנגנון ריסון שמונע מהגלגל לקפץ כמו משוגע כאשר הוא פוגע במכשול, הוא גם מרסן את ההחזרה של הגלגל אל הקרקע.
אז איך זה נראה?
קצת על כיוונים והתאמות של בולמים לרוכבים ולשטח:
מאחר ולא ניתן ליצר בולם שיתאים לכל משקלי הרוכבים, תנאי השטח, וסוג הרכיבה, מיוצרים היום בולמים למטרות שונות כאשר מה שמבדיל אותם בדרך כלל זה המהלך שלהם והחוזק שלהם מבחינת עמידות. לבולמים המתקדמים יותר יש אפשרויות כיוונון כדי להתאים אותם לרוכב ספציפי לפי משקלו וסגנון הרכיבה שלו בתנאי שטח מסוימים. אנו נסקור בקצרה את האפשרויות הנפוצות היום.
- קבוע הקפיץ - Spring Rate בחירת קפיץ חזק או חלש משמשת להתאמת הקפיץ למשקל הרוכב. בקפיצים מבוססים בוכנת אויר כל מה שנדרש זה להעלות את לחץ בוכנת האויר על ידי ניפוח.
- עומס התחלתי - Preload כיוונון עדין על ידי סגירת הקפיץ לעומס התחלתי מסויים להשגת שיכוך אופטימלי לרוכב מסויים. בקפיצים מבוססים בוכנת אויר כל מה שנדרש זה להעלות את לחץ בוכנת האויר על ידי ניפוח.
- שיכוך החזרה - Rebound כיוון ריסון המהירות בה יפתח הקפיץ לאחר שהתכווץ, נשלט על ידי הגדלה והקטנה של חריר מעבר השמן בבוכנת השיכוך או על ידי שינוי צמיגות השמן במשכך.
- שיכוך כיווץ - Compression כיוון ריסון המהירות בה יתכווץ הקפיץ בהתקלות במכשול, נשלט על ידי הגדלה והקטנה של חריר מעבר השמן בבוכנת השיכוך או על ידי שינוי צמיגות השמן במשכך.
- פרוגרסיביות - הקשחת הבולם בסוף מהלך הכיווץ שלו על ידי ניפוח של תא אויר דחוס. (קיים גם בבולמי קפיץ)
הבאנו על קצה המזלג את עקרונות השיכוך, תחום השיכוך אינו מפסיק להתפתח ולהשתכלל עם בולמים חכמים בעלי פלטפורמה יציבה לדיווש, שליטה מהכידון ועוד ניסים ונפלאות. אנו מקוים שסיפקנו את הבסיס להבנת פעולת השכוך באופני הרים ונשמח לענות על שאלות בנושא באם יעלו כאלו.
בברכה
צוות אופניים.נט
