Cât de noi materiale revoluționează bicicleta - spectrul științei
200 de ani de biciclete: ușoare, sigure și versatile
Mai ușor decât este permis - așa puteți descrie bicicleta pe care germana Günter Mai a prezentat-o publicului în 2008. Bicicleta de curse complet tehnică cântărea doar 3,2 kilograme. Acesta a fost un record mondial și mai puțin de jumătate din cele 6,8 kilograme pe care Federația Internațională de Ciclism UCI le stipulează ca greutatea minimă a unei biciclete pentru cursele oficiale.
„Bicicleta a fost întotdeauna un produs tipic ușor”, spune Eric Groß de la Institutul pentru tehnologia fiabilității de la Universitatea Tehnică din Harburg. "O greutate ridicată a vehiculului are un efect foarte negativ nu numai atunci când conduceți în sus, ci și în ceea ce privește manevrabilitatea generală." Încă din secolul al XIX-lea, au fost făcute numeroase invenții special pentru biciclete, inclusiv rulmenți cu bile, spițe de sârmă, tuburi de oțel și pneuri pneumatice.
Inginerul Groß este membru al grupului de lucru pentru siguranța bicicletelor la Asociația Germană pentru Cercetarea și Testarea Materialelor, deoarece reducerea greutății bicicletelor nu ar trebui să vină în detrimentul stabilității și siguranței. În consecință, bicicletele montane sunt mai robuste și mai grele decât bicicletele de curse. Componentele decisive pentru greutate se datorează dimensiunii sale, cadrului și tuturor maselor accelerate, de exemplu jantele.
Stabil și ușor devine dificil
În principiu, construcția ușoară este independentă de alegerea materialului, explică Groß. Este vorba de proiectarea fiecărei componente cât mai bine posibil pentru sarcina individuală. „Toate componentele - cum ar fi cadrul, furca, roțile, ghidonul și tija de șa - sunt specialiști în domeniul lor de aplicare”, spune inginerul. Cu toate acestea, deoarece diferite materiale au o potrivire diferită, anumite materiale domină în cele din urmă piața bicicletelor.
Când vorbești despre bicicletele ușoare de zi cu zi, de obicei te gândești la aluminiu. Datorită densității sale reduse de 2,7 grame pe centimetru cub, componentele din metal ușor cântăresc doar aproximativ o treime din ceea ce cântăresc componentele comparabile din oțel. Prin urmare, aluminiul este de departe cel mai bine vândut material pentru rame și componente de biciclete în prezent.
"Bicicleta a fost întotdeauna un produs tipic ușor" (Eric Groß)
La fel ca oțelul sau titanul, aluminiul este un material izotrop. Aceasta înseamnă că are același comportament la tracțiune și, prin urmare, aceeași capacitate de încărcare în fiecare direcție. Grosimea peretelui unei componente este decisivă pentru stabilitate. Tuburile de aluminiu ale unui cadru tipic de diamant variază, prin urmare, în lungimea lor între 0,8 și 3 milimetri grosimea peretelui, acesta din urmă în special în zona îmbinărilor sudate. Acest lucru nu este de obicei vizibil din exterior. „Doar un autocolant„ dublu ”sau„ triplu ”indică grosimea interioară diferită a materialului”, îi dă un sfat lui Eric Groß.
Un dezavantaj pentru aluminiu
Punctul slab al aluminiului ca material este că are o rezistență limitată atunci când se schimbă sarcinile. În știința materialelor, se face distincția între rezistență ca proprietate care împiedică spargerea unui material și rigiditate, care protejează un material împotriva deformării. „În cazul aluminiului, sute de mii de rotații ale pedalei sau umflături de drum pot obosi materialul”, spune Groß, explicând limitele rezistenței. În ceea ce privește sarcinile dinamice, oțelul este mai tolerant decât aluminiul și, prin urmare, este încă de găsit în bicicletele care se așteaptă să parcurgă peste 20.000 de kilometri, cum ar fi bicicletele de turism.
De aceea există și o construcție ușoară cu oțel: „Oțelul aliaj realizează o rezistență la tracțiune foarte mare, de până la 1200 Newtoni pe milimetru pătrat”, relatează Ronny Hartnick de la Institutul de Cercetare și Dezvoltare a Echipamentelor Sportive din Berlin. Inginerii îl pot folosi pentru a face pereții conductelor foarte subțiri. „Totuși, este dificil să te apropii de greutatea aluminiului”, recunoaște Hartnick.
Indiferent dacă este vorba de aluminiu, titan sau oțel: Având în vedere greutatea, o problemă structurală rămâne de nerezolvat. Deoarece metalele sunt izotrope, există o mulțime de materiale în componente care nu este deloc aliniată cu sarcinile care apar acolo. Un cadru este acum încărcat în esență în direcția longitudinală și nu lateral. În sporturile profesionale și cu jucători, fibrele de carbon sau fibrele de carbon și compozite întărite cu fibră de carbon (CFRP) s-au stabilit astfel ca materialele la alegere. Ele reprezintă baza pentru bicicletele de curse care au o greutate totală mai mică de cinci kilograme ca modele de serie.
Fibre comandate
Fibrele de carbon sunt anizotrope și nu prezintă niciun comportament material independent de formă. Proprietățile lor apar numai în componentă ca urmare a unui design bazat pe nevoi. „Vă puteți gândi la fibrele de carbon ca la un fir din care este fabricată o țesătură”, explică Hartnick. În direcția longitudinală, acest filet este de peste zece ori mai puternic decât aluminiul - dar numai în această direcție. Dezvoltatorii de componente ușoare din carbon trebuie, prin urmare, să prelucreze firele într-o țesătură astfel încât să fie orientate paralel cu direcția de tragere.
Majoritatea fibrelor sunt, prin urmare, aliniate în același mod pentru tubul cadrului. „Dar, astfel încât să puteți atinge bicicleta fără ca aceasta să se destrame, există încă un strat de fibră la exterior care a fost rotit cu 90 de grade”, spune inginerul sportiv Hartnick. Din analize ample, știm acum ce componente sunt încărcate și în ce mod. Tubul de coborâre, de exemplu, este supus solicitării de torsiune de pe suportul inferior. Pentru țesătura din fibră de carbon, aceasta înseamnă că fibrele trebuie țesute la un unghi de plus/minus 45 de grade. „În acest fel, obținem o rezistență maximă la torsiune cu o utilizare minimă a materialului”, rezumă Hartnick. Dacă în anumite zone apar sarcini ridicate, fibrele de carbon trebuie acoperite de un alt strat de țesătură care distribuie sarcina și astfel protejează carbonul.
Atât pentru cadrele și componentele din metal, cât și din carbon, se aplică următoarele: Producătorii trebuie să cunoască sarcinile exacte care acționează asupra lor pentru a-și proiecta corect componentele. Cerințele sunt deosebit de mari pentru pedelecuri, care sunt supuse unor stresuri mai mari datorită vitezei medii mai mari și a kilometrajului mai mare. Proiectul de cercetare „TherMobility” realizat de Rehau, Storck Bicycle și TU Dresden s-a ocupat de acest lucru și a dezvoltat un cadru pentru biciclete electrice dintr-un nou tip de amestec special de materiale.
„Aici, semifabricatele termoplastice continue armate cu fibre sunt combinate cu compuși de turnare prin injecție întărite cu fibre scurte într-un proces de fabricație integral”, explică Michael Krahl de la Institutul pentru construcții ușoare și tehnologia materialelor plastice de la TU Dresda. Această combinație de materiale, utilizată pentru prima dată în cadrele de biciclete, face posibilă combinarea proprietăților mecanice specifice excelente ale compozitelor din fibre cu tehnologii eficiente la scară largă, cum ar fi turnarea prin injecție. Acest lucru ar putea ajuta la scăderea prețurilor uneori de cinci cifre pentru bicicletele extrem de ușoare. În plus, formularea polimerului și tipul de fibră de armare pot fi ușor adaptate la cerințele individuale.
Alternativă din natură?
Cu toate acestea, spectrul materialelor utilizate în construcția de biciclete include și unele exotice. Bicicleta de nailon "Airbike" a inginerilor Airbus a servit doar pentru a demonstra posibilitățile procesului de tipărire 3-D "Fabricarea stratului aditiv". Era încă stabil, ușor și funcțional. Dar materialele alternative reale provin din zona fibrelor naturale. Marele avantaj al fibrelor naturale este amprenta lor de carbon.
„Fibrele naturale leagă dioxidul de carbon pe măsură ce cresc, ceea ce înseamnă că semifabricatele din fibre naturale eliberează doar aproximativ o zecime de CO2 în comparație cu carbonul în timpul creșterii și producției semifabricatelor”, explică Max Kirchhoff de la biroul de inginerie Onyx Composites. Acolo a fost dezvoltată „bicicleta de cânepă”. Fibrele de cânepă au o rezistență la tracțiune comparabilă cu cea a aluminiului - dar la fel ca și carbonul doar în direcția fibrelor. Datorită densității de doar 1,45 grame pe centimetru cub, un cadru de cânepă se termină între componente comparabile din aluminiu și fibre de carbon din punct de vedere al greutății. Cadrul bicicletei de cânepă are tuburi semnificativ largi. „Acest lucru crește momentul de inerție și forțele care apar sunt mai bine absorbite în ciuda grosimii mici a peretelui”, explică Kirchhoff. Cu toate acestea, până acum, unele dintre cifrele cheie necesare pentru analize structurale au lipsit pentru cânepa materială neobișnuită.
Calitate dovedită
Standardele actuale de testare (DIN, EN și ISO) includ teste împotriva supraîncărcării (rezistență statică), teste dinamice (teste de rezistență) și teste de impact, fiecare adaptate tipului de bicicletă (bicicletă de oraș/trekking, bicicletă montană, bicicletă de curse și biciclete pentru tineri, dar și special pentru Pedelecs). Aplicarea standardelor este voluntară, dar toți producătorii cunoscuți folosesc această procedură - uneori cu cerințe chiar mai mari pentru produse de înaltă calitate. Prin urmare, deteriorarea cauzată de defectarea componentelor este foarte rară. „Cu toate acestea, clienții unei biciclete ușoare ar trebui să-și inspecteze în mod regulat vehiculul sau să-l inspecteze pentru a identifica deteriorarea la timp și, în caz de îndoială, pentru a înlocui piesele”, avertizează expertul în securitate Eric Groß. Acest lucru este valabil mai ales după căderi.
Cea mai populară fibră naturală este probabil bambusul. Brevetele pentru construcția unei biciclete din bambus au fost depuse încă de la sfârșitul secolului al XIX-lea. Până în prezent, construcția unor astfel de roți este o lucrare manuală. Cu toate acestea, proprietățile sunt convingătoare. Bambusul are o rigiditate similară cu oțelul, dar doar o treime din greutatea sa. Rezistența sa atinge, de asemenea, valori foarte bune, dar nu se apropie de roțile din carbon de înaltă calitate. Datorită amortizării sale mai bune, bambusul este popular pentru bicicletele de oraș și trekking, unde poate ține pasul cu bicicletele din aluminiu din punct de vedere al calității. Deoarece așchii de bambus în loc să se spargă sub stres excesiv, daunele pot fi reparate relativ ușor. Cu toate acestea, la fel ca în cazul tuturor fibrelor naturale, o bună manoperă este importantă, astfel încât umezeala să nu poată pătrunde și să favorizeze formarea mucegaiului.