Дизайн на спиците на перформанс колела: намаляване на въздушното съпротивление

Аеродинамични основи: как геометрията на спиците влияе върху драга при перформанс колелата

Турбулентност в зоната на съединение между спиците и хоризонталната част на гумата при напречни ветрове

Когато страничните ветрове ударят велосипедните колела, те предизвикват внезапно отделяне на въздушния поток точно там, където спиците се съединяват с обръча. Това поражда вихри, които могат да увеличат аеродинамичното съпротивление до 18 % спрямо колела с гладки повърхности, както показват изпитания в аеродинамична тръба. Ако тези съединителни точки имат закръглени ръбове вместо остри ъгли, въздухът се движи по-плавно около тях. Резултатът? Значително по-гладки преходи и около 40 % по-малка турбулентна кинетична енергия според компютърни симулации в сравнение с традиционните квадратни профили. За състезателите, които често се изправят пред странични ветрове по време на надбягвания, точното оформяне на тези съединителни точки има истинско значение. Оптимизираните конструкции намаляват коефициента на съпротивление между 0,03 и 0,05 — което може да не звучи като много, но дава на велосипедистите конкретно предимство в надбягванията, където всяка секунда има значение.

Асиметрия на разликата в налягането и отделяне на вихри при въртящи се спици

Когато колелата се въртят, спиците им създават редуващи се области с високо и ниско налягане, което води до онези дразнещи ефекти от отделяне на вихри, предизвикващи пулсиращо съпротивление. При обикновени колела с 24 спици тези вибрации възникват между 80 и 120 пъти в секунда при скорост около 40 километра в час, като по този начин се губи приблизително 15–25 вата мощност. По-новите спици с формата на перка намаляват този проблем с отделяне приблизително с 30 процента, тъй като по-гладката им форма поддържа прилепването на въздушния поток по-дълго време. Но и тук има компромис. По-дебелите перковидни участъци увеличават въртящата маса, поради което велосипедите стават по-трудни за бързо ускоряване от място. Повечето дизайнери сега използват конически подход, при който спицата става по-тънка по посока от центъра към хоризонталната обръчна част (рима), като запазва приблизително съотношение на дебелината 1:3. Това помага да се намали турбулентността зад колелото, без да се жертва здравината, необходима за реални условия на езда – според тестове в аеродинамична тръба и компютърни симулации.

Лопатеста, кръгла и хибридна форма на спиците: компромиси за перформанс колела

Лопатести спици: предимства за устойчивост при ъгъл на атака срещу ограничения в твърдостта и производствената осъществимост

В аеродинамични тестове в аеродинамична тръба, публикувани в списание Aerodynamics Journal още през 2022 г., установено е, че спиците с профилирана форма намаляват аеродинамичното съпротивление с около 8 % в сравнение с традиционните кръгли спици. Това се дължи на формата им, подобна на крило, която практически предотвратява образуването на досадни вихри, когато ъглите отклонение надхвърлят приблизително 15 градуса спрямо центъра. Въпреки това има един важен нюанс, който заслужава внимание: лопатките са толкова тънки, че всъщност намаляват страничната твърдост на колелото, като намаляват латералната твърдост с 15–20 % по време на интензивно педалиране. Производството на такива спици е напълно отделна тема. Процесът изисква изключително строг контрол — например отклонението на завъртането на лопатките трябва да се поддържа в рамките на ±0,5 градуса. Повечето компании нямат достъп до специалните пресформи от въглеродно влакно, необходими за тази висока прецизност. Какъв е крайният извод? Велосипедистите, които отделят по-голямо значение на поддържането на високи скорости по протежение на дълги участъци, а не на експлозивни спринтове, вероятно ще преценят аеродинамичните предимства като достатъчно значими, за да приемат тези компромиси в твърдостта и производствената сложност.

Хибридни елипсовидно-лопатообразни конструкции за високопроизводителни колела, одобрени от UCI

Хибридната конструкция на спиците комбинира елипсовидни базови структури, които повишават якостта в областта на стъпалото, с лопатообразни секции, които се стесняват към обръча. Тази комбинация осигурява добро равновесие между аеродинамиката, издръжливостта и съответствието с необходимите регулации. Изследвания върху модели, одобрени от UCI, показват, че тези конструкции имат около 12 % по-малка вариация на драга при различни ъгли на вятъра в сравнение с традиционните напълно лопатообразни колела, според последните валидационни проучвания от 2023 г. Освен това те отговарят на изискванията на правилника на UCI относно размерите на колелата, по-специално на съотношението ширина към височина 2,5:1, посочено в член 1.3.018. Това, което прави този архитектурен подход толкова ефективен, е способността му да решава едновременно множество фактори за производителност, без да компрометира нито един от тях.

• с 5–7 % по-малка ротационна инерция в сравнение с традиционните лопатообразни спици
• 94 % от намаляването на драга по права линия, постигнато от напълно лопатообразните конструкции
• Пълно съответствие със стандартите за безопасност на UCI относно отклонението на спиците

Напреднали конфигурации на спици: Y-спици, мултиспици системи и структурна ефективност

Оптимизиране на броя спици и ъгъла на разклонение за когерентност на вихровата следа и ротационна инерция

Дизайнът на асиметрични конструкции на колелата, като например спици във формата на буквата Y и системи с множество спици, помага за намаляване на инерцията при въртене, тъй като по-голямата част от теглото се разполага по-близо до центъра на колелото. Това осигурява по-добра ускорителна способност, без да се компрометира добрата странична (ляво–дясно) огъваемост. Обаче, когато броят на спиците в тези конструкции е по-малък, при по-високи ъгли на атака обикновено се образуват по-силни вихри, ако ъглите, под които спиците се разклоняват от централната част, не са точно оптимални. Изследвания в аеродинамични тръби са показали, че когато тези ъгли на разклонение са в интервала между 25° и 35°, въздушният поток се движи гладко около ръба на диска, вместо да се отделя преждевременно. Резултатът е, че въздушният поток остава прилепнал по-дълго към задната част на колелото, преди най-накрая да се отдели точно в края му.

Източник: Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics, 2023

Докато Y-образните спици осигуряват най-голямото намаляване на драга (в средна стойност 12 %), системите с множество спици предлагат по-висока устойчивост на ударни натоварвания. Оптималната конфигурация комбинира минимален брой спици с геометрично прецизни разклонения – потвърдено чрез CFD – за максимизиране на аеродинамичната ефективност и реална издръжливост.

Валидиране на аеродинамиката на спиците: изпитания в аеродинамична тръба и CFD за перформанс колела

Получаването на точни резултати за аеродинамиката на спиците означава комбиниране на реални вятърни тунели с подробни компютърни симулации, наречени CFD моделиране. Вятърните тунели действително измерват колко съпротивление срещат високопроизводителните колела при излагане на реални напречни и странични ветрове, показвайки всички сложни начини, по които спиците, гумите и въздухът взаимодействат помежду си. Компютърните модели след това попълват пропуските, като анализират разликите в налягането и завихрените въздушни потоци в много малки мащаби. Те откриват, къде турбулентността е най-силна в точките, където спиците се съединяват с гумите, и определят как промяната в формата на спиците влияе върху вихъра зад колелото. Най-добрите производители на велосипедни компоненти разчитат на двата метода по време на циклите за разработка на продукти. Те подобряват дизайните по-бързо, без да жертват здравината, необходима за реални условия на езда. Според последни проучвания („Списание по машиностроене“, 2023 г.) най-добрите компании постигат съответствие между своите компютърни модели и резултатите от вятърните тунели в рамките на около 3 процента. Това близко съответствие означава, че всеки подобрен показател, наблюдаван в лабораторията, действително се проявява като намалено драг при езда по пътищата.

Часто задавани въпроси

• Какво представлява вихровото отделяне при въртящи се спици? Вихровото отделяне се отнася до редуващите се области с високо и ниско налягане, причинени от движението на спиците, което води до пулсиращо съпротивление и влияе върху аеродинамичната производителност на колелото.
• Как влияят спиците с остри ръбове върху ездата на велосипед? Спиците с остри ръбове намаляват съпротивлението чрез по-гладки форми, които подпомагат запазването на прилепването на въздушния поток, което води до по-висока устойчивост при страничен вятър, но с компромис във вид на по-ниска странична твърдост.
• Какви са предимствата на хибридните елиптично-остроръбести спици? Хибридните конструкции осигуряват баланс между намалена вариация на съпротивлението, аеродинамична ефективност и съответствие със сигурностните стандарти на UCI, като интегрират елиптични и конически остри ръбове.
• Защо изпитанията в аеродинамична тръба са от решаващо значение за аеродинамиката на спиците? Изпитанията в аеродинамична тръба предоставят реални данни за съпротивлението, с което се сблъскват професионалните колела при различни ветрови условия, което позволява точна оценка и подобряване на конструкцията на спиците.
• Дали професионалните колела с по-малко спици са предимство? По-малко спици намаляват инерцията при въртене, което подобрява ускорението, но изискват прецизни ъгли на разклонение, за да се запази гладкият въздушен поток и да се предотврати образуването на силни вихри.