Велосипеды и колеса
Задолго до того как вы начинаете крутить педали велосипеда, почти касаясь ими земли, он начинает демонстрировать вам свои чудеса. Помните, как мы рассчитывали давление на почву, создаваемое типовым жилым домом, и обнаружили, что оно в принципе не отличается от давления, которое оказывает наше тело на наши колени? А что происходит, когда вы катите на велосипеде?
Когда вы садитесь в седло, весь ваш вес опирается на два или больше пустых круга (колеса), связанных несколькими металлическими прутами или трубками. Чем внимательнее вы вглядитесь в велосипедное колесо, тем более впечатляющим оно покажется. Первые колеса представляли собой сплошные кругляши дерева, и можно было ясно видеть, как они несут на себе вес груза. Дерево крепких пород практически невозможно сильно сдавить. Его атомы давят вверх, сопротивляясь давлению груза. Этого вполне хватает, чтобы преодолеть эффект сжатия и спокойно выдерживать соответствующее напряжение в деревянном массиве. Сплошные деревянные колеса выдерживают нагрузку в несколько тонн. Но и сами они весят тонну, а то и больше. Поэтому так тяжело сдвинуть с места покоящуюся на них повозку, а тем более толкать ее вверх или через препятствия. Потому-то люди изобрели спицевые колеса. Большая часть тяжелого дерева в них отсутствовала, остались лишь несколько прочных опор внутри колеса, которые и несли на себе вес. Этот проверенный долгим человеческим опытом принцип используется и по сей день при конструировании колес для автомобилей. Но не для велосипедов.
Велосипедные колеса устроены иначе. Обычно треугольная рама покоится на двух втулках. Те опираются на оси, а колеса прикреплены к втулкам и вращаются вокруг осей. Но взгляните внимательно на эти колеса.
Внутри них есть спицы. Каждая спица с виду довольно непрочная. Она сделана из той же проволоки, что и дешевые вешалки, которые вы можете согнуть одной рукой. Не будет преувеличением сказать, что 99 % поверхности велосипедного колеса – пустое пространство. Сидя на своем велосипеде, вы по сути опираетесь практически на воздух. Конечно, секрет в количестве спиц. У обычного гоночного велосипеда в каждом колесе 24 спицы (иногда 32, 36 и даже 40). Таким образом, в двух колесах 48 спиц. Предположим, вы весите 75 кг, а сам велосипед – 25 кг. Значит, все его спицы должны поддерживать этот груз. Для облегчения расчетов допустим, что всего спиц 50. Получается, что на каждую из них приходится 2 кг (или 20 Н). Могли бы вы расположить две пачки сахара, каждая по 1 кг, на проволочных плечиках для одежды без риска погнуть их? Сомнительно. Значит, с точки зрения науки здесь должны действовать еще какие-то силы.
Вы можете легко согнуть велосипедную спицу, но, сколько бы вы ни старались, вам не удастся растянуть ее. В этом и состоит секрет работы велосипедного колеса. В отличие от обычного колеса повозки, на которое давит только сила сжатия, спицы велосипедного колеса испытывают еще и силы натяжения, подобно струнам скрипки, нитям паутины или тросам подвесного моста. Если вы представите себе, что вес велосипеда давит на втулки колес, как вес подвесного моста на опоры, то поймете, что велосипед к тому же висит на своих спицах подобно тому, как мост висит на своих тросах. В любой момент спицы над втулками велосипеда более натянуты, чем расположенные под втулками. Но все спицы велосипедного колеса постоянно испытывают напряжение.
Еще интереснее, чем кажущаяся непрочность велосипедных спиц, представляется их расположение вокруг втулки. В отличие от простого колеса, спицы велосипедного идут не прямо из обода к центру втулки. Они соединяются с ней под определенным углом. Такое соединение называется тангенциальным. Поскольку втулка велосипедного колеса достаточно широка, одни спицы прикрепляются к ней с одной стороны, а другие – с другой. В результате мы получаем туго натянутую сеть из спиц, на которые равномерно распределяется вес ездока и самого велосипеда. Сеть может выдерживать не только его, но и нагрузки, которые возникают при поворотах, когда велосипед наклоняется в их сторону. Система велосипедных спиц и колес является трехмерной структурой, находящейся под сильным механическим напряжением, которая может противодействовать силам, действующим на нее в разных направлениях. Если вы вспомните, что каждая спица велосипедного колеса – довольно непрочная проволока, которую можно согнуть рукой, то поймете, что велосипедное колесо – настоящее инженерное чудо.