Gli eroi sconosciuti della bicicletta, pensiamo che sia giunto il momento che i raggi ottengano il rispetto dovuto
Questi sottili fili di filo svolgono un lavoro incessantemente duro, essendo allungati e compressi ripetutamente ad ogni singolo giro delle nostre ruote. Inoltre trasportano le forze di accelerazione della pedalata dal mozzo al cerchione e trasmettono anche le forze frenanti. Il loro ruolo nel fatto stesso di poter andare in bicicletta è quasi magico: fili così sottili che supportano carichi così enormi. Quindi abbiamo ritenuto che fosse giunto il momento che l'umile discorso si prendesse un po' di merito, mentre è dovuto un intero carico.
'Il genio della ruota a raggi è che può trasferire le forze spesso molto grandi create dal ciclista, dalla bicicletta e dalle diverse superfici stradali in queste aste sottili, ciascuna delle quali viene compressa sistematicamente mentre la ruota gira e i carichi si trasferiscono da uno parlava con l' altro, e così va', dice il professor Mark Miodownik, direttore dell'Institute of Making dell'University College London, autore di Stuff Matters, presentatore televisivo e appassionato ciclista. Continua: "È un modo fantastico per ottimizzare il peso, i costi e le prestazioni di una ruota".
I raggi, una volta in tensione, in sostanza rinforzano il cerchio usando il mozzo come ancoraggio centrale. In uno scenario perfetto, ogni raggio tira con uguale tensione per distribuire il carico in modo uniforme su tutta la ruota, mantenendo anche il cerchio vero e circolare. I raggi devono sostenere la ruota contro la flessione laterale e la deformazione del cerchio e anche resistere efficacemente allo schiacciamento della ruota a causa del carico verticale (compressione radiale). Nessun compito da poco. Non sorprende che dall'avvento della ruota siano state esplorate pochissime altre soluzioni.
Tensione dei raggi
Ora le cose iniziano a diventare tecniche e non sarai solo se ciò che segue è un po' confuso e controintuitivo. C'è un vigoroso disaccordo sul fatto che una bici in effetti penda dai raggi superiori (quelli sopra il mozzo vedendo la bici di lato) o piuttosto sia sostenuta da quelli inferiori, agendo come minuscoli pilastri."Quest'ultimo punto di vista, per quanto strano possa sembrare, è definitivamente il caso", afferma Jim Papadopoulos del College of Engineering della Northeastern University di Boston, USA, e coautore di Bicycling Science.
Anche se è facile credere che un raggio di una bicicletta crollerebbe semplicemente sotto il peso della bicicletta e del ciclista, continua spiegando che la tensione creata in un raggio durante il processo di costruzione della ruota (chiamata 'pre-tensione') è ciò che consente ai raggi inferiori di sopportare il carico senza deformarsi, come farebbero se non ci fosse la pretensione. 'Ogni raggio della ruota scarica ha una tensione dell'ordine di 100 libbre [445 N]. Quando l'asse viene premuto verso il suolo con una forza di 100 libbre, l'unico effetto significativo sulle tensioni dei raggi è ridurre quelle direttamente sotto il mozzo: in genere, uno si riduce a circa 50 libbre e i raggi su ciascun lato di quello si riducono a circa 75 libbre. Questo è esattamente ciò che si vedrebbe con solidi raggi di legno come una vecchia ruota di carro: quella inferiore trasporterebbe 50 libbre e quelle su entrambi i lati porterebbero 25 libbre. La differenza con le ruote a raggi metallici è che un raggio metallico non può sopportare un carico di compressione: crollerà. Quindi tutti i raggi sono ingegnosamente pretensionati. Un filo non può sopportare un carico di compressione di 50 libbre, tranne quando sopporta già un carico di tensione superiore a tale.
"Ovviamente una ruota di bicicletta crollerà se i raggi superiori o orizzontali vengono rimossi", aggiunge Papadopoulos. “Ma ciò è essenzialmente dovuto al fatto che la struttura modificata ha un percorso di carico molto diverso e inoltre non è in grado di fornire la pretensione richiesta. Non possiamo usare quel crollo per concludere che la tipica ruota trasporta il carico attraverso i raggi superiori.' Se questo ti fa girare la testa, non sei solo. Passiamo quindi all'area più semplice del materiale dei raggi.
Raggi in acciaio
I raggi sono prevalentemente realizzati in acciaio, una scelta di materiale che, come ci dice Miodownik, 'fondamentalmente si riduce alla capacità di avere un filo affidabile. Il filo di acciaio è ottimo perché anche con un'area di fissaggio molto piccola, come il punto in cui il nipplo tiene il raggio sul cerchione, puoi mettere molta tensione su di essi senza strappare il filo. L'acciaio inossidabile è il materiale ideale in quanto ha il giusto mix di alta resistenza e peso ridotto, pur essendo conveniente.'
L'acciaio inossidabile è stato il metallo preferito per i raggi dalla fine del 19° secolo a causa della sua elevata resistenza alla trazione, che consente ai raggi di rimanere relativamente sottili e leggeri mentre affrontano le forze su di essi. "I raggi in acciaio dolce dovrebbero essere due volte più pesanti e spessi", afferma Chris Hornzee-Jones, direttore degli ingegneri strutturali di Aerotrope. Ha progettato l'innovativa mountain bike Lotus in fibra di carbonio e ha lavorato su una delle più grandi ruote a raggi tenditori mai realizzate: la struttura di 60 m di diametro sospesa sotto il tetto del Millennium Dome, utilizzata come piattaforma per artisti aerei. "Aggiungendo cromo e molibdeno al ferro e al carbonio dell'acciaio dolce, la lega di acciaio inossidabile risultante è molto più resistente alla fatica.'
La fatica è la nemesi dei raggi. Se pensi che i tuoi quadricipiti vengano ripetutamente messi a dura prova dalla ripetizione dei colpi di pedale, allora vergognati per i tuoi raggi, che vengono presi a pugni ad ogni singolo giro di ruota. Ogni raggio della ruota subisce un carico di compressione solo per la frazione di secondo in cui si trova direttamente sotto il mozzo, e per quel momento viene compresso prima che la pressione si stacchi e possa tornare alla sua lunghezza normale. È un ciclo incessante che può essere letteralmente la rovina di una ruota mal costruita.
'Una ruota è come un faticoso tapis roulant per raggi, reso ancora più difficile dall'avere un filo aggiunto a un'estremità e [nella maggior parte dei casi] una curva e/o una testa all' altra, ' dice Hornzee-Jones. 'Il thread è un concentratore di stress e il trasferimento del carico avviene principalmente attraverso i primi thread. Inoltre, il nipplo è relativamente rigido e, poiché cerca di rimanere perpendicolare al cerchio, raramente si allinea perfettamente con l'angolo a cui arriva il raggio, il che può essere causa di ulteriore stress concentrato. All' altra estremità il J-bend si flette minuziosamente e, dopo centinaia di migliaia di normali rotazioni della ruota, qualsiasi minuscolo difetto superficiale, profondo solo micron e completamente impercettibile all'occhio umano, può iniziare ad aprirsi. All'inizio è un processo lento, ma alla fine porterà alla rottura dei raggi.'
Raggi in alluminio
L'acciaio non è l'unico materiale utilizzato per i raggi, tuttavia. Mavic e Campagnolo (così come la società sorella di Campagnolo Fulcrum) sono da tempo sostenitori dei raggi in alluminio. L'alluminio ha un terzo della densità dell'acciaio ma anche circa un terzo della rigidità, quindi i raggi devono essere più spessi, il che significa che sono potenzialmente meno aerodinamici, richiedono nippli di diametro maggiore e, successivamente, fori più grandi nei cerchioni, che possono ridurre la forza e la rigidità del cerchio. I raggi in alluminio tendono anche a utilizzare un design straight-pull poiché è molto probabile che una curva a J in alluminio si rompa sotto stress.
Un' altra limitazione è che l'alluminio non tiene un filo così facilmente. La soluzione di Mavic è quella di infilare i nippli direttamente nel cerchio, invece che nel raggio. Campagnolo suggerisce di scegliere raggi in alluminio che hanno lo stesso peso delle versioni in acciaio, ma in confronto migliorano la sensazione di guida delle sue ruote, tuttavia questa è una questione ampiamente soggettiva in cui i raggi giocano solo una parte, con pneumatici, cerchi e mozzi anche attori importanti, per non parlare del resto della bici.
Date le varie sollecitazioni che i raggi devono sopportare, la fibra di carbonio potrebbe non sembrare una scelta affatto probabile, ma Mavic, insieme a molti altri marchi di ruote di fascia alta, come Lightweight e Reynolds per citarne due, hanno trovato il modo per sfruttare la sua resistenza alla trazione nei raggi, con un evidente risparmio di peso in palio. La R-Sys SLR di Mavic, ad esempio, utilizza tubi cavi di carbonio per fornire rigidità alla tensione e resistenza alla compressione."L'allungamento dei raggi è molto inferiore rispetto all'acciaio o alla lega perché il carbonio è più rigido", afferma Michel Lethenet di Mavic. "Trattandosi di tubi, resistono alla compressione, il che aiuta a mantenere la rigidità della ruota, sebbene siano necessarie alcune parti metalliche, che sono incollate a ciascuna estremità per realizzare gli attacchi al cerchio e al mozzo.' Un metodo alternativo è impiegato in Cosmic Carbone di Mavic Ultimate, in cui i raggi in carbonio a lamelle vanno da un lato all' altro della ruota, collegandosi con la flangia del mozzo e incrociando altri raggi lungo il percorso.
Verità dallo spin
Ci sono alcuni altri pezzi di saggezza ricevuta sulla bicicletta relativi ai raggi che Peter Marchment, scienziato dei materiali e direttore di Hunt Bike Wheels, è felice di dissipare. "Una ruota che utilizza un cerchio più profondo con raggi più corti è spesso vista come "più forte", ma questo di solito è dovuto alla rigidità aggiuntiva intrinseca del cerchio", afferma."Inoltre, molte persone credono che una tensione dei raggi più alta significhi ottenere una ruota più rigida, ma non è così. La rigidità della ruota è influenzata da molte cose oltre alla sola tensione, tra cui il numero dei raggi, l'angolo di rinforzo e la profondità del cerchio.
In re altà un raggio si allungherà della stessa quantità quando caricato, indipendentemente dalla pretensione applicata, il che significa che l'aumento della tensione dei raggi non rende la ruota più rigida.' Marchment continua, 'Mettere i raggi alla giusta tensione è fondamentale. A tensioni estremamente elevate, il cerchio e i raggi sono più soggetti a danneggiamenti perché vengono effettivamente precaricati con una forza elevata. Ma anche le basse tensioni dei raggi sono un problema perché è più probabile che il nipplo si allenti [svolga] quando viene scaricato a causa di urti o vibrazioni della strada, causando la fuoriuscita della ruota.'
Qualunque sia la tensione e lo schema, c'è una vasta gamma di raggi tra cui scegliere, per non parlare delle molte variazioni nella qualità del filo con cui sono realizzati. Sapim, uno dei principali produttori di raggi, produce 300 milioni di raggi all'anno e fa acquisti per mantenere la qualità e rimanere competitiva in tutta la sua gamma di prodotti. "Dal 60 al 70% del prezzo di un raggio semplice può essere nel materiale, quindi è importante farlo bene, ma la cosa più importante per tutti i nostri raggi è la prestazione del filo", afferma il responsabile vendite di Sapim, Klaus Gruter. 'Stiamo cercando un filo che sia brillante e brillante e che abbia una resistenza alla trazione da 1.000 a 1.050 N/mm2 con buoni dati di fatica e, soprattutto, un'eccellente resistenza alla corrosione.'
Grüter ci dice che i campioni sono stati testati in laboratorio per la resistenza alla trazione, alla flessione e alla torsione. Una volta accettato, il filo delle bobine viene raddrizzato a macchina e tagliato. Il filo a sezione normale può anche essere trasformato in raggi a testa in giù (dove la parte centrale è resa più stretta) tirando il filo attraverso una filiera. Una volta incastrato, la testa del raggio e il J-bend vengono forgiati e il filo all' altra estremità viene arrotolato (non tagliato). I raggi finiti vengono ispezionati sia da sistemi di visione artificiale che da occhio e mano umani. Una macchina è in grado di produrre 20.000 raggi con spessore al giorno, il che spiega perché i diversi costi di manodopera hanno un impatto limitato sul prezzo di un raggio finito e perché i produttori di tutto il mondo possono vendere a prezzi simili.
Ma perché comunque scherzare? Jonathan Day di Strada Wheels spiega: I raggi a testa bombata gestiscono meglio la coppia rispetto a quelli a scartamento normale. Sono più larghi nel piano della ruota, che è la direzione della forza di torsione, quindi c'è più materiale per resistergli. Inoltre, si flettono un po' di più sul piano perpendicolare, quindi distribuiscono meglio il carico di compressione sulla ruota.'
Schema dei raggi
Il tradizionale schema di raggiatura di una ruota di bicicletta comprendeva 32 (o talvolta 36) raggi, incrociati tre volte. Il motivo intrecciato dei raggi in una ruota tradizionalmente intrecciata, lungi dall'essere solo una graziosa disposizione caleidoscopica, è in re altà una parte funzionale del design della ruota.
In termini di rigidità laterale, i punti di intersezione dei raggi consentono a ciascuno di rinforzarsi contro l' altro mentre è posto in tensione, oltre a sostenerlo mentre viene compresso. Il ruolo più importante dell'allacciatura a tre incroci è in una ruota posteriore, dove i raggi devono trasmettere la potenza di pedalata dal mozzo. In questo caso i raggi sono caricati con carichi torsionali molto maggiori grazie alla forza di torsione della trasmissione. I raggi sul lato della cassetta, lasciando il mozzo tangenzialmente, trasferiscono una forza di rotazione (coppia) dal mozzo al cerchio. I raggi radiali (che seguono un percorso dal centro del mozzo direttamente al cerchio, senza incrociarne un altro) sono molto meno in grado di far fronte a questo tipo di carico e avrebbero maggiori probabilità di guastarsi.
Quando la coppia non è un problema, come su una ruota anteriore con freni a cerchio, l'uso di raggi radiali ha senso. Ciò consente di risparmiare peso, poiché i raggi possono essere più corti e ne servono meno per creare una ruota rigida lateralmente. Sembra anche buono. Tuttavia, i freni a disco causano un carico torsionale significativo, rendendo quasi impossibile la raggiatura radiale. "Ottenere lo schema di allacciatura corretto è fondamentale perché i raggi condividono il carico di compressione stringendosi contro i vicini che attraversano, quindi i raggi dovrebbero essere allacciati per essere leader o rimorchi", afferma Day. 'Devi assicurarti che un raggio principale prenda lo sforzo prima sul lato guida. Su una ruota a 32 razze vuoi che 16 raggi principali condividano il carico. Se sbagli l'allacciatura, finirai con solo otto a fare il lavoro.'
Sorprendentemente, i modelli di raggi sono rimasti uno degli aspetti meno problematici del design delle ruote, nonostante alcuni enormi passi avanti nei materiali e nella tecnologia di produzione negli ultimi decenni. È una metodologia davvero collaudata e, come si suol dire, se non è rotto…
