ดีไซน์ซี่โครงของล้อประสิทธิภาพสูง: ลดแรงต้านลม

หลักการพื้นฐานด้านอากาศพลศาสตร์: รูปทรงของก้านล้อส่งผลต่อแรงต้านในล้อเพื่อประสิทธิภาพอย่างไร

การเกิดการไหลแบบปั่นป่วนบริเวณรอยต่อระหว่างก้านล้อกับขอบล้อภายใต้ลมข้าง

เมื่อกระแสลมข้างพัดกระทบล้อจักรยาน จะเกิดการแยกตัวของกระแสอากาศอย่างฉับพลันบริเวณจุดที่ซี่ล้อเชื่อมต่อกับขอบล้อ ซึ่งก่อให้เกิดกระแสวน (vortices) ที่เพิ่มแรงต้านอากาศได้สูงถึง 18% เมื่อเปรียบเทียบกับล้อที่มีผิวเรียบ ตามผลการทดสอบในอุโมงค์ลม อย่างไรก็ตาม หากจุดเชื่อมต่อนี้มีขอบโค้งมนแทนมุมแหลม กระแสอากาศจะไหลรอบจุดดังกล่าวได้ดีขึ้น ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนผ่านที่ราบรื่นยิ่งขึ้น และลดพลังงานจลน์แบบปั่นป่วนลงประมาณ 40% ตามผลการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ เมื่อเปรียบเทียบกับรูปทรงสี่เหลี่ยมจัตุรัสแบบดั้งเดิม สำหรับนักแข่งที่มักเผชิญกับลมข้างระหว่างการแข่งขัน การออกแบบรูปร่างของจุดเชื่อมต่อนี้ให้เหมาะสมจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง ซึ่งการออกแบบที่ผ่านการปรับแต่งอย่างเหมาะสมสามารถลดสัมประสิทธิ์แรงต้าน (drag coefficient) ได้ในช่วง 0.03 ถึง 0.05 แม้ตัวเลขนี้อาจดูไม่มากนัก แต่ก็มอบข้อได้เปรียบที่จับต้องได้แก่นักปั่นในการแข่งขันที่ทุกวินาทีมีค่า

ความไม่สมมาตรของความต่างของความดันและการหลุดออกของกระแสวนในชุดซี่ล้อที่หมุน

เมื่อล้อหมุนรอบ ซี่ล้อจะสร้างบริเวณความดันสูงและต่ำแบบสลับกัน ซึ่งนำไปสู่ปรากฏการณ์การหลุดตัวของกระแสวน (vortex shedding) ที่น่ารำคาญ และก่อให้เกิดแรงต้านแบบจังหวะเป็นจังหวะ สำหรับล้อทั่วไปที่มีซี่ล้อ 24 ซี่ ความสั่นสะเทือนเหล่านี้เกิดขึ้นระหว่าง 80 ถึง 120 ครั้งต่อวินาที เมื่อขับด้วยความเร็วประมาณ 40 กิโลเมตรต่อชั่วโมง ส่งผลให้สูญเสียพลังงานไปประมาณ 15 ถึง 25 วัตต์ในกระบวนการนี้ ซี่ล้อแบบใบมีด (bladed spokes) รุ่นใหม่ช่วยลดปัญหาการหลุดตัวของกระแสวนลงได้ราว 30 เปอร์เซ็นต์ เนื่องจากรูปร่างที่เรียบลื่นยิ่งขึ้นทำให้กระแสอากาศยังคงไหลติดอยู่กับพื้นผิวได้นานขึ้น อย่างไรก็ตาม ก็มีข้อแลกเปลี่ยนเช่นกัน โดยส่วนใบมีดที่หนากว่าจะเพิ่มน้ำหนักของการหมุน ทำให้จักรยานเร่งจากสถานะหยุดนิ่งได้ช้าลง ปัจจุบัน นักออกแบบส่วนใหญ่จึงเลือกใช้แนวทางแบบปลายแหลม (tapered approach) โดยซี่ล้อจะค่อยๆ บางลงเมื่อเดินทางจากจุดศูนย์กลางออกไปยังขอบล้อ โดยรักษาระดับอัตราส่วนความหนาไว้ที่ประมาณ 1 ต่อ 3 วิธีนี้ช่วยลดการเกิดกระแสน้ำวนบริเวณด้านหลังล้อ ขณะเดียวกันก็ยังคงรักษาความแข็งแรงเพียงพอสำหรับการใช้งานจริงภายใต้สภาวะการขับขี่ที่หลากหลาย ตามผลการทดสอบในอุโมงค์ลมและการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์

รูปแบบซี่ล้อแบบใบมีด แบบกลม และแบบไฮบริด: การแลกเปลี่ยนเพื่อประสิทธิภาพของล้อ

ซี่ล้อแบบใบมีด: ผลดีต่อความมั่นคงเมื่อเกิดมุมลมไหลเบี่ยงเบน (Yaw Stability) เทียบกับข้อจำกัดด้านความแข็งแกร่งและความสามารถในการผลิต

ในการทดสอบในอุโมงค์ลมจากวารสารด้านอากาศพลศาสตร์ (Aerodynamics Journal) เมื่อปี 2022 พบว่าก้านล้อแบบมีใบพัด (bladed spokes) สามารถลดแรงต้านได้ประมาณร้อยละ 8 เมื่อเปรียบเทียบกับก้านล้อแบบกลมทั่วไป ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเนื่องจากรูปร่างของก้านล้อที่คล้ายปีกเครื่องบิน (foil-like shape) ซึ่งช่วยยับยั้งการก่อตัวของกระแสวน (vortices) ที่ไม่พึงประสงค์เมื่อมุมการไหลของลมเบี่ยงเบนจากแนวศูนย์กลางมากกว่าประมาณ 15 องศา อย่างไรก็ตาม มีข้อควรระวังที่ควรกล่าวถึง คือ ก้านล้อเหล่านี้บางมากจนส่งผลให้ล้อมีความแข็งแกร่งน้อยลงในแนวข้าง (side to side stiffness) โดยความแข็งแกร่งในแนวข้างลดลงระหว่างร้อยละ 15 ถึง 20 ขณะปั่นด้วยแรงสูง การผลิตชิ้นส่วนเหล่านี้ก็เป็นอีกเรื่องหนึ่งโดยสิ้นเชิง กระบวนการผลิตจำเป็นต้องควบคุมอย่างแม่นยำเป็นพิเศษ เช่น การควบคุมมุมบิดของใบพัดให้อยู่ภายในครึ่งองศาทั้งสองทิศทาง บริษัทส่วนใหญ่ไม่มีสิทธิเข้าถึงแม่พิมพ์คาร์บอนไฟเบอร์พิเศษที่จำเป็นสำหรับงานความแม่นยำระดับนี้ แล้วสรุปแล้วจะเป็นอย่างไร? นักปั่นจักรยานที่ให้ความสำคัญกับการรักษาระดับความเร็วสูงสุดบนระยะทางไกลมากกว่าการเร่งความเร็วแบบฉับพลัน (explosive sprints) น่าจะเห็นว่าประโยชน์ด้านอากาศพลศาสตร์ที่ได้รับนั้นคุ้มค่ากับข้อเสียที่เกิดขึ้นทั้งในด้านความแข็งแกร่งของล้อและระดับความซับซ้อนในการผลิต

การออกแบบล้อสมรรถนะแบบไฮบริดที่มีใบพัดรูปวงรีตามมาตรฐาน UCI

การออกแบบก้านล้อแบบไฮบริดนี้ผสานโครงสร้างฐานรูปวงรีซึ่งช่วยเพิ่มความแข็งแรงบริเวณฮับเข้ากับส่วนก้านรูปใบมีดที่ค่อย ๆ บางลงเมื่อเข้าใกล้ขอบล้อ การรวมกันนี้สร้างสมดุลที่ดีระหว่างประสิทธิภาพด้านอากาศพลศาสตร์ ความทนทาน และการปฏิบัติตามข้อกำหนดที่จำเป็น ผลการทดสอบบนล้อรุ่นที่ได้รับการรับรองจาก UCI แสดงให้เห็นว่าการออกแบบเหล่านี้มีความแปรผันของแรงต้านลมน้อยลงประมาณ 12 เปอร์เซ็นต์เมื่อเผชิญกับมุมลมต่าง ๆ เมื่อเทียบกับล้อแบบใบมีดเต็มรูปแบบ ตามผลการตรวจสอบล่าสุดในปี 2023 นอกจากนี้ยังสอดคล้องตามข้อกำหนดของกฎระเบียบ UCI ว่าด้วยมิติของล้อ โดยเฉพาะอัตราส่วนความกว้างต่อความลึกที่กำหนดไว้ที่ 2.5 ต่อ 1 ตามมาตรา 1.3.018 สิ่งที่ทำให้วิธีการวางผังเชิงสถาปัตยกรรมนี้มีประสิทธิภาพสูงมากคือความสามารถในการจัดการปัจจัยด้านสมรรถนะหลายประการพร้อมกันโดยไม่กระทบต่อปัจจัยใดปัจจัยหนึ่งเลย

• โมเมนต์ความเฉื่อยในการหมุนน้อยกว่าก้านล้อแบบใบมีดแบบดั้งเดิม 5–7 เปอร์เซ็นต์
• ลดแรงต้านในแนวเส้นตรงได้ถึง 94 เปอร์เซ็นต์เมื่อเทียบกับการออกแบบแบบใบมีดเต็มรูปแบบ
• สอดคล้องอย่างสมบูรณ์กับมาตรฐานความปลอดภัยของ UCI ด้านการเบี่ยงเบนของซี่ล้อ

การจัดเรียงซี่ล้อขั้นสูง: ซี่ล้อแบบ Y, ระบบซี่ล้อแบบหลายซี่ และประสิทธิภาพเชิงโครงสร้าง

การปรับแต่งจำนวนซี่ล้อและมุมการแยกแขนของซี่ล้อเพื่อให้เกิดความสอดคล้องของกระแสลมที่ไหลผ่าน (Wake Coherence) และโมเมนต์ความเฉื่อยในการหมุน

การออกแบบโครงสร้างล้อแบบไม่สมมาตร เช่น ก้านล้อรูปตัว Y และระบบก้านล้อแบบหลายก้าน ช่วยลดความเฉื่อยในการหมุน เนื่องจากวางมวลส่วนใหญ่ไว้ใกล้ศูนย์กลางของล้อมากขึ้น ส่งผลให้การเร่งทำได้ดีขึ้น ขณะเดียวกันก็ยังคงความแข็งแกร่งในแนวข้าง–ข้างไว้ได้ดี อย่างไรก็ตาม หากการออกแบบเหล่านี้มีจำนวนก้านล้อน้อยลง มักจะก่อให้เกิดกระแสวนที่เข้มข้นขึ้นที่มุมโจมตีสูง หากมุมที่ก้านล้อแยกออกจากกันไม่เหมาะสม การทดสอบในอุโมงค์ลมพบว่า เมื่อมุมแยกของก้านล้ออยู่ในช่วงระหว่าง 25 ถึง 35 องศา อากาศจะไหลผ่านขอบล้ออย่างราบรื่น แทนที่จะหลุดออกจากริมล้อก่อนเวลาอันควร ผลที่ได้คือ กระแสอากาศยังคงติดอยู่กับส่วนด้านหลังของล้อเป็นเวลานานขึ้น ก่อนจะแยกตัวออกในตอนท้ายสุด

แหล่งที่มา: วารสารวิศวกรรมลมและแอโรไดนามิกส์เชิงอุตสาหกรรม (Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics), 2023

แม้ล้อแบบก้าน Y จะให้การลดแรงต้านลมได้มากที่สุด (เฉลี่ย 12%) แต่ระบบก้านหลายแฉกกลับมีความต้านทานต่อแรงกระแทกได้ดีกว่า รูปแบบที่เหมาะสมที่สุดคือการผสานจำนวนก้านน้อยที่สุดเข้ากับจุดแยกแขนงที่มีความแม่นยำทางเรขาคณิต—ซึ่งได้รับการยืนยันแล้วผ่านการจำลองด้วย CFD—เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพด้านอากาศพลศาสตร์สูงสุด และ ความทนทานในสภาพการใช้งานจริง

การตรวจสอบอากาศพลศาสตร์ของก้านล้อ: การทดสอบในอุโมงค์ลมและการจำลองด้วย CFD สำหรับล้อประสิทธิภาพสูง

การได้ผลลัพธ์ที่แม่นยำสำหรับอากาศพลศาสตร์ของก้านล้อ (spoke aerodynamics) หมายถึงการผสานการทดสอบในอุโมงค์ลมจริงเข้ากับการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์แบบละเอียดซึ่งเรียกว่า การสร้างแบบจำลอง CFD (Computational Fluid Dynamics) การทดสอบในอุโมงค์ลมวัดค่าความต้านทานที่ล้อประสิทธิภาพสูงต้องเผชิญจริงเมื่อสัมผัสกับลมขวางและลมข้างในสภาพแวดล้อมจริง ซึ่งแสดงให้เห็นถึงปฏิสัมพันธ์ที่ซับซ้อนระหว่างก้านล้อ ขอบล้อ และอากาศอย่างครบถ้วน ส่วนแบบจำลองคอมพิวเตอร์จะเสริมข้อมูลที่ขาดหายไปโดยวิเคราะห์ความแตกต่างของแรงดันและรูปแบบการไหลเวียนของอากาศในระดับที่เล็กมาก ทั้งยังสามารถระบุจุดที่การเกิดการไหลปั่นป่วน (turbulence) รุนแรงที่สุด คือ บริเวณที่ก้านล้อเชื่อมต่อกับขอบล้อ รวมทั้งคำนวณว่าการเปลี่ยนรูปร่างของก้านล้อส่งผลต่อการเกิดกระแสลมที่ไหลตามหลังล้อ (wake) อย่างไร ผู้ผลิตชิ้นส่วนจักรยานชั้นนำพึ่งพาทั้งสองวิธีนี้ในการพัฒนาผลิตภัณฑ์ โดยพวกเขาสามารถปรับแต่งการออกแบบได้รวดเร็วขึ้น ขณะเดียวกันก็ยังคงรักษาความแข็งแรงไว้เพียงพอสำหรับการใช้งานจริงบนท้องถนน บริษัทชั้นนำบางแห่งสามารถทำให้แบบจำลองคอมพิวเตอร์ของตนสอดคล้องกับผลการทดสอบในอุโมงค์ลมได้ภายในขอบเขตความคลาดเคลื่อนประมาณ 3 เปอร์เซ็นต์ ตามรายงานการศึกษาล่าสุด (Journal of Mechanical Engineering, 2023) ความสอดคล้องกันในระดับสูงนี้หมายความว่า ผลประโยชน์ใดๆ ที่ได้รับจากการทดลองในห้องปฏิบัติการจะปรากฏเป็นจริงในรูปของการลดแรงต้าน (drag) จริงเมื่อนักปั่นจักรยานออกปั่นบนท้องถนน

ส่วน FAQ

• การแยกตัวของกระแสวน (vortex shedding) ในชุดก้านล้อที่หมุนคืออะไร? การแยกตัวของกระแสวนหมายถึงบริเวณความดันสูงและต่ำที่เกิดขึ้นสลับกันซึ่งเกิดจากการเคลื่อนที่ของก้านล้อ ส่งผลให้เกิดแรงต้านแบบเป็นจังหวะและส่งผลต่อสมรรถนะอากาศพลศาสตร์ของล้อ
• ก้านล้อแบบใบมีดส่งผลต่อสมรรถนะการปั่นจักรยานอย่างไร? ก้านล้อแบบใบมีดช่วยลดแรงต้านโดยสร้างรูปร่างที่เรียบเนียนยิ่งขึ้น ซึ่งช่วยรักษาการไหลติดของอากาศไว้ได้ ส่งผลให้มีเสถียรภาพต่อแรงลมข้าง (yaw stability) สูงขึ้น แต่มีข้อแลกเปลี่ยนคือความแข็งแรงต่อแรงด้านข้าง (lateral stiffness) ต่ำลง
• การออกแบบก้านล้อแบบไฮบริดที่ผสมผสานระหว่างรูปวงรีและใบมีดมีข้อดีอย่างไร? การออกแบบแบบไฮบริดให้สมดุลระหว่างการลดความแปรผันของแรงต้าน ประสิทธิภาพด้านอากาศพลศาสตร์ และความสอดคล้องตามมาตรฐานความปลอดภัยของสหพันธ์จักรยานนานาชาติ (UCI) โดยรวมเอาส่วนที่เป็นรูปวงรีและส่วนที่ค่อยๆ ลดขนาดของใบมีดเข้าด้วยกัน
• เหตุใดการทดสอบในอุโมงค์ลมจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการศึกษาอากาศพลศาสตร์ของก้านล้อ? การทดสอบในอุโมงค์ลมให้ข้อมูลเชิงประจักษ์จากสภาพจริงเกี่ยวกับแรงต้านที่ล้อประสิทธิภาพสูงต้องเผชิญภายใต้สภาวะลมที่แตกต่างกัน ทำให้สามารถประเมินและปรับปรุงการออกแบบก้านล้อได้อย่างแม่นยำ
• ล้อประสิทธิภาพสูงที่มีจำนวนก้านน้อยกว่ามีข้อได้เปรียบหรือไม่? จำนวนแฉกที่น้อยลงช่วยลดความเฉื่อยของการหมุน ซึ่งส่งผลให้การเร่งดีขึ้น แต่ต้องใช้มุมแยกของแฉกที่แม่นยำเพื่อรักษาการไหลของอากาศอย่างราบรื่น และป้องกันไม่ให้เกิดกระแสวนที่รุนแรง