Vành bánh xe ngày càng béo hơn, điều này có vẻ trái ngược với việc làm cho chúng nhanh hơn, vậy điều gì đang xảy ra?
Logic gợi ý rằng nếu bạn muốn thứ gì đó xuyên qua không khí một cách nhanh chóng, bạn phải làm cho nó mỏng và sắc nét - như Concorde. Nó có hình dạng giống một chiếc phi tiêu trong khi các máy bay chở khách khác là hình củ hành, và kết quả là nó có thể băng qua Đại Tây Dương trong vòng chưa đầy ba giờ. Phần lớn tư duy tương tự đã đi vào các thế hệ đầu tiên của bánh xe aero tiết diện sâu: các phần chữ V mỏng, sâu, thuôn nhọn đến sắc cạnh, mang lại cảm giác lướt qua không khí với hiệu quả tối đa. Nó có ý nghĩa trực quan, nhưng thời thế đã thay đổi.
Điểm vượt trội của thiết kế bánh xe giờ đây, ít cắt hơn và cùn hơn. Các cạnh đã được làm mềm và các vành được mở rộng đến mức mà chúng ta đang được biết rằng các cấu hình vành tròn, béo là hình dạng ăn gian gió tốt nhất cho hiệu suất toàn diện. Vậy điều gì đã xảy ra?
Những ngọn gió hiu hiu
Người đề xuất ban đầu cho hình dạng vành rộng hơn là Hed Wheels, với người sáng lập ra nó, Steve Hed quá cố, đã thúc đẩy phần lớn suy nghĩ vào những năm 1980. Khi Hed tung ra bộ la-zăng hợp kim nhôm rộng rãi, mũm mĩm Ardennes vào giữa những năm 2000, khuyến nghị nó được kết hợp với lốp 25mm thay vì loại 23mm phổ biến ở khắp nơi, nhiều người bày tỏ sự không tin rằng đây có thể là một thiết lập nhanh hơn. Vào thời điểm đó, các chi tiết kỹ thuật còn sơ sài. Có vẻ như Hed đang tìm kiếm độ ổn định của lốp tốt hơn để kiểm soát vào cua nhiều hơn, cùng với việc giảm khả năng bị trượt bánh trên địa hình gồ ghề, nhưng nghiên cứu ban đầu vào những năm 80 cũng chỉ ra rằng vành rộng hơn có thể nhanh hơn về mặt khí động học. Sau đó, khi bằng sáng chế Hed được cấp vào năm 2009, cánh cửa đã mở ra cho một làn sóng đổi mới.
Michael Hall, giám đốc phát triển nâng cao của nhà sản xuất bánh xe Zipp, nói, 'Trong nhiều năm, ngành công nghiệp đã theo đuổi hiệu suất kéo tổng thể [kết quả nhanh nhất trong thử nghiệm đường hầm gió] mà không quan tâm đến mức độ hoạt động của các thành phần đó trên phụ ngày tối ưu trong thế giới thực. Trong thế giới thực, các tay đua phải đối mặt với mọi thứ mà môi trường của họ ném vào họ. Đối với bánh xe Firecrest của chúng tôi, ra mắt vào năm 2010, chúng tôi đã chuyển trọng tâm của mình và các sản phẩm kết quả tìm cách ổn định hơn và có thể dự đoán được theo bất kỳ hướng gió nào so với các thế hệ trước của chúng tôi.’
Kevin Quan, giám đốc kỹ thuật tại Knight Composites, đi vào chi tiết hơn: 'Cách chúng tôi thiết kế là từ mép sau, nghĩa là nửa sau của bánh xe.' mép của vành va chạm với gió đầu tiên, nhưng Quan nói, 'Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng khi gió đập vào lốp xe ở một góc nghiêng [bất kỳ góc nào khác ngoài hướng thẳng], nó sẽ tách ra [mất đi dòng chảy êm ái trên vành], do đó, hình dạng khí động học ở phía trước của vành xe không hoạt động nhiều - nó gần như luôn bị đình trệ. "Nói cách khác, không có ích gì khi ưu tiên hình dạng khí động học ở phía trước.
Lợi ích của Aero
Để hiểu cách vành rộng hơn có thể cải thiện tính khí động học thay vì tăng lực cản, chúng ta cần xem xét thực tế là không khí mà chúng ta đang lái không hoạt động theo một cách nhất quán. Ngay cả trong một ngày bình lặng, không khí vẫn là một mớ hỗn độn phức tạp. Điều mà khoa học khí động học đã nhận ra là động lực học chất lỏng tối ưu - cách không khí tương tác với các hình dạng và kết cấu bề mặt mà nó tiếp xúc - kết hợp với việc giảm ma sát.
Khi nói đến luồng không khí, có ba loại chính. Loại đầu tiên là luồng không khí ‘laminar’. Đây là trạng thái mong muốn nhất đối với tổn thất ma sát thấp và nó đề cập đến không khí chuyển động theo đường trơn, thẳng hoặc cong. Khi nó gặp một vật thể chuyển động, luồng không khí thành lớp sẽ tách ra, trượt quanh vật thể, sau đó tiếp tục luồng của nó ở phía bên kia với sự ồn ào tối thiểu.
Trạng thái thứ hai là ‘hỗn loạn’. Như tên cho thấy, nó đề cập đến không khí bị vẩn đục không thể chảy trôi chảy, mặc dù nó có thể có các yếu tố của cả không khí 'tầng lớp' và không khí 'bị ngưng trệ' bên trong nó. Có thể có nhiều lý do cho sự hỗn loạn: có lẽ đó là một ngày gió hoặc bạn đang theo sát một người lái xe khác hoặc có ô tô và xe tải chạy qua. Những điều kiện dưới mức tối ưu này đôi khi được gọi là không khí 'bẩn' và đó là trạng thái phổ biến nhất mà chúng ta gặp phải.
Điều kiện thứ ba là ‘bị đình trệ’. Đây là khi không khí không còn lưu thông nữa mà đang xoáy theo các hướng khác nhau cùng một lúc. Trạng thái này gây ra lực ma sát lớn nhất và do đó có tác động lớn nhất đến việc người lái giảm tốc độ.
Tất cả điều này có nghĩa là mặc dù thật tuyệt khi có sự kết hợp giữa bánh xe và lốp xe hoạt động tốt trong dòng chảy tầng, khi bạn đi thẳng vào một đường hầm gió, thì lợi ích nào lớn hơn trong các tình huống thực tế là bánh xe và lốp xe hoạt động tốt trong không khí hỗn loạn. Các thiết kế hiện đại thành công nhất thực sự nhằm mục đích lấy không khí hỗn loạn và giảm lực cản của nó - để làm sạch không khí bẩn. Đây là một trong những lý do tại sao vành bánh xe mỏng, sắc nét đang được thay thế bằng vành rộng hơn, tròn hơn - các thiết kế mới chỉ đơn giản là nhanh hơn trong việc cắt giảm không khí lộn xộn mà các tay đua gặp phải trên hầu hết các chuyến đi trong thế giới thực. Nhưng có một lý do chính khác khiến vành xe ngày càng rộng, đó là lực cản lăn.
Liên hệ thao
Việc chuyển sang vành rộng hơn một phần là kết quả của việc đồng thời hướng tới lốp rộng hơn. Nơi lốp 23mm từng là tiêu chuẩn, ngày càng có nhiều tay đua và nhà sản xuất chọn loại lốp 25mm thay thế và đôi khi còn rộng hơn.
‘Nghiên cứu của Continental cho thấy lốp 25c có lực cản lăn ít hơn 10-15% so với lốp 23c,” Quân nói. ‘Continental đã chỉ ra rằng nếu bạn có một chiếc lốp lớn hơn, miếng dán tiếp xúc, thay vì dài ra, trở nên ngắn hơn nhưng rộng hơn, do đó diện tích bề mặt thực tế trên đường vẫn giữ nguyên ở cùng áp suất.”
Điều này được hỗ trợ bởi phát hiện của nhà sản xuất lốp xe Schwalbe. Giám đốc sản phẩm Marcus Hachmeyer cho biết, ‘Nếu bạn so sánh các lốp xe có chiều rộng khác nhau nhưng thông số kỹ thuật giống hệt nhau - cùng một hợp chất, cấu hình và áp suất lạm phát - về lực cản lăn rộng hơn thì nhanh hơn. Nếu bạn tưởng tượng chiếc xe đạp và người lái của bạn đậu trên một tấm kính và bạn đang nhìn lên từ bên dưới nơi lốp xe tiếp xúc với tấm kính, bạn sẽ thấy hai hình dạng khác nhau rõ ràng. Trên một chiếc lốp hẹp, hình dạng sẽ dài và mỏng, hình bầu dục. Trên một chiếc lốp rộng hơn, miếng vá tiếp xúc sẽ ngắn hơn và béo hơn, nhiều hình tròn hơn, và theo cách đó, ít sợi chỉ tạo nên thành bên và giúp tạo ra lực cản lăn được sử dụng tại bất kỳ thời điểm nào và ma sát cũng ít hơn. '
Điều đó rất tốt, nhưng tại sao không chỉ đơn giản là lắp lốp rộng hơn cho vành hẹp? Khi vành xe hẹp, lốp xe sẽ tạo thành hình 'bóng đèn' khi nhìn nghiêng - bị chèn ép ở nơi nó móc vào vành và hình củ ra khỏi vành. Với vành trong rộng hơn, lốp có hình dạng chữ "U" ngược hơn, giúp tạo ra một miếng dán tiếp xúc tròn hơn với đường và do đó lực cản lăn ít hơn.
Chiều rộng bên trong của vành bánh xe đường - khoảng cách giữa hai mặt bích có móc để đặt hạt lốp - gần đây là khoảng 14mm. Trong vụ đầu tiên của các vành rộng hơn, không gian đó đã tăng lên đến 16mm và bây giờ các nhà sản xuất đang mở rộng chúng trở lại. Dòng sản phẩm Aeolus TLR D3 mới nhất của Bontrager, được ra mắt vào đầu năm nay, đã mở rộng chiều rộng đó so với D3 trước đó là 17.5mm đến lớn 19,5mm, tăng đáng kể về tỷ lệ phần trăm. Tuy nhiên, một lời cảnh báo đến từ Michel Lethenet của nhà sản xuất bánh xe Mavic. ‘Cả hai yếu tố [lốp và vành] lý tưởng cần được thiết kế để phù hợp hoàn hảo để nâng cao hệ thống. Nếu không, sẽ không có ý nghĩa gì với việc tăng quán tính, trọng lượng quay và lực cản không khí nếu chỉ sử dụng một chiếc lốp rộng hơn. Ngoài ra, có khía cạnh an toàn cần suy nghĩ nếu bạn xem xét tình huống ngược lại - một chiếc lốp hẹp được sử dụng trên một vành rộng quá mức. Điều này có thể có nguy cơ cao là lốp xe không được đặt đúng chỗ và có khả năng bị nổ.’
An toàn với thứ tối quan trọng như lốp xe là điều tối quan trọng, và Quân cho biết thêm, 'Hiện tại 17-18mm [chiều rộng vành trong], có vẻ ổn, nhưng rộng hơn nữa, giả sử lên đến 20mm, và chúng tôi đang đi vào lãnh thổ chưa được thăm dò. Hiện tại, chúng tôi chưa thấy bất kỳ tác dụng phụ nào, nhưng nó vẫn chưa thực sự được nhìn thấy trong xu hướng phổ biến.’
Handle’s Messiah
Chỉ để chứng minh bánh xe có lẽ là vấn đề phức tạp nhất mà các kỹ sư phải giải quyết, có một cân nhắc quan trọng khác trong bản tóm tắt thiết kế: xử lý.
Simon Smart, giám đốc kỹ thuật của Smart Aero Technology và nhà thiết kế của hệ thống bánh xe hàng không Enve Composites (Enve SES), cho biết‘Đó là một yếu tố cực kỳ quan trọng. 'Nếu chúng ta quay ngược lại bảy năm, các vận động viên sẽ đến đường hầm gió và chúng tôi sẽ xác định được bộ bánh xe nhanh nhất dành cho họ. Nhưng chúng tôi nhận thấy rằng trong thế giới thực, các bánh xe thường chậm hơn. Điều này không phải do đường hầm gió sai, mà đơn giản là do các tay đua không thể giữ đường thẳng khi đua vì bánh xe thiếu ổn định. '
Một phần của việc đi nhanh là có thể duy trì khả năng kiểm soát, vì vậy nếu bánh xe thiếu ổn định trong luồng gió cắt ngang hoặc không khí hỗn loạn, kết quả là mất tự tin để đi nhanh và hiệu suất chắc chắn bị ảnh hưởng. 'Đối với tôi, sự ổn định khi lái xe là điều lớn nhất còn thiếu trong hiệu suất của bánh xe, và tôi biết rằng nếu chúng tôi có thể phát triển một bánh trước ổn định hơn thì ngay cả khi nó tỏ ra chậm hơn một chút trong đường hầm gió, tôi biết nó sẽ nhanh hơn trong thế giới thực, 'Smart nói.‘Đó là lý do tại sao tôi bắt tay vào chương trình phát triển với Enve, với việc xử lý là ưu tiên số một.’
Tất cả những điều này chỉ ra rằng bánh xe và lốp phải kết hợp với nhau như một bộ phận hoàn chỉnh để tạo ra một giải pháp tối ưu, không chỉ về khí động học mà còn ở sự ổn định ở tốc độ, khả năng xử lý có thể đoán trước và lực cản lăn thấp hơn. Về vấn đề này, chúng ta sẽ thấy các nhà sản xuất bánh xe hợp tác chặt chẽ hơn với các nhà sản xuất lốp xe trong tương lai chứ?
Trong trường hợp của Bontrager, chúng đã là một và giống nhau. Ray Hanstein, giám đốc sản phẩm bánh xe của Bontrager, cho biết, "Các kỹ sư bánh xe và lốp xe của chúng tôi được coi là giống nhau. Bánh xe và lốp xe quấn vào nhau đến nỗi bạn không thể phát huy hết tiềm năng của cái này nếu không có sự hiểu biết sâu sắc về cái còn lại. Những người này làm việc trong cùng một phòng, đi xe cùng nhau, ăn trưa cùng nhau.”Đó là một câu chuyện tương tự ở Mavic và Zipp, những người tự sản xuất lốp xe cũng như bánh xe, vì vậy có thể tạo ra các sản phẩm được ghép nối chính xác. Câu hỏi lớn còn lại cần trả lời là: chúng ta đã đạt đến đỉnh cao chưa? Smart nói, "Thiết kế vành là một thách thức khá lớn, nhưng thú vị. Trong năm năm qua, thiết kế khung đã thay đổi một chút và những thứ như cho phép lốp rộng hơn đã cho chúng tôi tự do khám phá những vành rộng hơn nữa. Như với hầu hết mọi thứ, có một điểm nào đó của lợi nhuận giảm dần, nhưng tôi không nghĩ rằng chúng ta đã đạt đến đỉnh điểm.’
Cuối cùng, lốp xe rộng hơn và cấu hình bánh xe rộng tương ứng là cách mà ngành công nghiệp đang hướng tới và là lựa chọn phù hợp cho các tay đua nếu bạn muốn đạt được lợi nhuận tối đa trong các loại điều kiện mà tất cả chúng ta đều trải qua hàng ngày, với khả năng xử lý có thể đoán trước để khởi động. Khoa học ủng hộ nó, vì vậy có lẽ đã đến lúc bác bỏ quan điểm hẹp và đi rộng ra.
