چرا لاستیک‌های پهن‌تر دوچرخه در باد یکسان سریع‌تر حرکت می‌کنند؟

تعویض لاستیک دوچرخه با مدل‌های پهن‌تر تنها در صورتی باعث صرفه‌جویی در انرژی می‌شود که فشار باد و جنس لایه‌های داخلی با لاستیک‌های باریک‌تر قبلی یکسان باشد. در صورت باد شدن با فشار کاملاً مساوی، یک لاستیک ۳۲ میلی‌متری برای حفظ سرعت به توان خروجی کمتری نسبت به مدل مشابه ۲۵ میلی‌متری نیاز دارد.[4]

برای دهه‌ها، دوچرخه‌سواران گمان می‌کردند تایرهای باریک‌تر سریع‌ترند چون هم آیرودینامیک‌تر به نظر می‌رسیدند و هم لرزش جاده را با شدت بیشتری منتقل می‌کردند. با این حال، آزمایش‌های مدرن خلاف این فرض را ثابت کرده و نشان داده‌اند که لاستیک‌های پهن‌تر از نظر مکانیکی کارآمدتر هستند.[3]

راهنمای عملی برای خرید تایر جدید بسیار ساده است: عریض‌ترین لاستیکی را انتخاب کنید که فریم دوچرخه‌تان بدون درگیری و سایش با بدنه در خود جای می‌دهد. در فشار باد ۸۰ پی‌اس‌آی (پوند بر اینچ مربع)، یک تایر کورسی باکیفیت ۳۲ میلی‌متری حدود ۱.۳ وات در هر چرخ نسبت به نسخه ۲۵ میلی‌متری صرفه‌جویی در مصرف انرژی ایجاد می‌کند.[2]

در مسافت ۱۰۰ کیلومتری، این راندمان مکانیکی بدون نیاز به رکاب زدن سخت‌تر، به چند دقیقه زمان سریع‌تر تبدیل می‌شود. این واقعیتِ غیرمنتظره مستقیماً از نحوه تحمل وزن روی سطوح سخت توسط تایرهای بادی ناشی می‌شود.

تایر دوچرخه روی یک نقطه منفرد قرار نمی‌گیرد، بلکه با فشرده شدن روی زمین، یک سطح تماس ایجاد می‌کند. مساحت این ردپا صرفاً حاصل تقسیم وزن دوچرخه‌سوار بر فشار باد تایر است؛ یعنی یک تایر باریک و یک تایر پهن با فشار باد مساوی، مساحت تماس کاملاً برابری دارند.[4]

هندسه تغییر شکل لاستیک

اگرچه مساحت کل تماس یکسان می‌ماند، اما شکل هندسی آن با تغییر عرض تایر دستخوش دگرگونی بزرگی می‌شود. یک تایر باریک ۲۳ میلی‌متری، سطحی کشیده و دراز در راستای محیط چرخ ایجاد می‌کند.

برای تشکیل این فرم کشیده، بخش قابل‌توجهی از دیواره و رویه تایر باید هنگام ورود به نقطه تماس با زمین خمیده و تخت شود. در نقطه مقابل، یک تایر عریض ۳۲ میلی‌متری سطحی تماس کوتاه‌تر اما عریض‌تر می‌سازد.

چون این ردپا در راستای حرکت چرخ طول کمتری دارد، در هر لحظه بخش کمتری از محیط تایر مجبور به تغییر شکل می‌شود. همین انحراف طولیِ کمتر، راز مکانیکی سرعت بالاتر تایرهای پهن است.[3]

هر بار که الیاف بافته‌شده و لاستیک تایر خم می‌شوند، اصطکاک داخلی آن‌ها گرما تولید می‌کند. مهندسان این اتلاف انرژی را پسماند (Hysteresis) می‌نامند که بزرگ‌ترین عامل مقاومت غلتشی دوچرخه روی سطوح هموار است.[3][4]

ردپای کوتاه‌تر تایر پهن، با کاهش میزان خم شدن بدنه برای تحمل وزن، اثر پسماند را مستقیماً پایین می‌آورد. در گذشته، مکانیک‌های حرفه‌ای تایرهای ۲۳ میلی‌متری را تا ۱۲۰ پی‌اس‌آی باد می‌کردند تا به‌طور مصنوعی سطح تماس را کوتاه کرده و جلوی این خمش را بگیرند.[4]

هرچند فشار بالا روی پیست‌های چوبی کاملاً صیقلی جواب می‌داد، اما در جاده‌های واقعی سواری طاقت‌فرسایی ایجاد می‌کرد. فشار شدید باعث می‌شد لاستیک باریک روی آسفالت جهش کند، چسبندگی خود را از دست بدهد و ارتعاشات خسته‌کننده‌ای را مستقیم به دست‌های دوچرخه‌سوار بفرستد.[1]

آزمایش‌های آزمایشگاهی و میزان توان مصرفی

آزمایشگاه‌های مستقل با استفاده از غلطک‌های فولادی موتوری این اثر پسماند را اندازه‌گیری می‌کنند. این روش متغیرها را ثابت نگه می‌دارد و با اعمال بار استاندارد ۴۲.۵ کیلوگرمی روی چرخ، وضعیت واقعی یک دوچرخه و سوارکار ۸۵ کیلوگرمی را شبیه‌سازی می‌کند.

در آزمایش تایر کانتیننتال گرند پریکس 5000 S TR در فشار استاندارد ۸۰ پی‌اس‌آی و سرعت ۲۹ کیلومتر بر ساعت، نسخه ۲۵ میلی‌متری ۱۲.۵ وات توان مصرف می‌کند؛ درحالی‌که نسخه ۳۲ میلی‌متری تحت شرایط کاملاً یکسان تنها به ۱۱.۲ وات نیاز دارد.

این صرفه‌جویی ۱.۳ واتی در هر چرخ کاملاً به این دلیل رخ می‌دهد که بافت بدنه لاستیک عریض‌تر خمش ساختاری کمتری را تجربه می‌کند. برای دوچرخه‌سواری که ۲۰۰ وات توان خروجی دارد، ذخیره ۲.۶ وات در هر دو چرخ به معنای افزایش ۱.۳ درصدی راندمان پیشرانه بدون صرف انرژی اضافی است.[2]

این بازدهی با افزایش سرعت و وزن سوارکار بیشتر هم می‌شود و برای افراد سنگین‌وزن‌تر صرفه‌جویی وات بالاتری به ارمغان می‌آورد. همچنین جنس بافت تایر نیز مستقیماً روی میزان پایه اتلاف پسماند اثر دارد.[3]

تایرهای نرم و منعطف ساخته‌شده از پنبه با تراکم نخ بالا یا نایلون ظریف به‌راحتی خم می‌شوند و گرمای ناچیزی تلف می‌کنند؛ اما تایرهای سفت و سنگین شهری با لاستیک ضخیم و لایه‌های ضدپنچری صلب، در صورت خم شدن در یک سطح تماس کشیده، اتلاف پسماند بسیار بیشتری تولید خواهند کرد.[4]

عامل اتلاف انرژی ناشی از تعلیق

در عمل، کمتر پیش می‌آید که دوچرخه‌سواران تایر پهن و باریک را با فشار باد کاملاً مساوی استفاده کنند. مزیت اصلی تایر پهن‌تر در خیابان و جاده، امکان پایین آوردن فشار باد بدون ریسک پنچری ناشی از برخورد طوقه به موانع (Pinch Flat) است.[1]

کاهش باد یک تایر ۳۲ میلی‌متری به ۶۰ پی‌اس‌آی، اتلاف پسماند بدنه را کمی بالا می‌برد و مقاومت غلتشی آن را تقریباً معادل یک تایر ۲۵ میلی‌متری با باد ۸۰ پی‌اس‌آی می‌کند. اما همین باد کمتر، مزیت مکانیکی دوم را فعال می‌کند: کاهش اتلاف ناشی از ارتعاش سیستم تعلیق.[1]

روی آسفالت ناصاف، یک تایر بسیار پرباد و باریک کل دوچرخه و راکب را با هر سنگریزه یا شکاف آسفالت به بالا پرتاب می‌کند. بلند کردن مداوم این جرم نیازمند مصرف انرژی جنبشی روبه‌جلو است که به‌صورت دائم به جاذبه و لرزش هدر می‌رود.[1]

یک تایر عریض با فشار باد کمتر، این ناهمواری‌های ریز را با تغییر شکل موضعی در خود جذب می‌کند؛ به این ترتیب بدنه لاستیک ضربه را دفع می‌کند اما جرم بدن دوچرخه‌سوار در مسیری مستقیم و پایدار به جلو پیش می‌رود.[1]

جاش پورتنر، مدیرعامل شرکت سیلکا (Silca) در مستندات فنی خود توضیح می‌دهد: «وقتی تایر را آن‌قدر باد می‌کنید که حس سرعت به شما می‌دهد، در واقعیت فقط لرزش‌های با فرکانس بالای اتلاف تعلیق را حس می‌کنید».[1]

پورتنر تأکید می‌کند: «تایر حسی از سریع بودن می‌دهد چون انرژی را به بدن شما منتقل می‌کند، اما کورنومتر نشان می‌دهد که دقیقاً برعکس، کندتر شده‌اید». آزمایش‌های تخصصی سیلکا نشان می‌دهند که در جاده‌های ناصاف، حذف این جهش‌های میکروسکوپی تا ۱۵ وات در مصرف انرژی صرفه‌جویی می‌کند.[1]

موازنه‌های آیرودینامیکی

تنها تاوان فیزیکیِ لاستیک‌های پهن‌تر، مقاومت آیرودینامیکی است؛ چرا که سطح پیشانی دوچرخه را بزرگ‌تر می‌کنند و در سرعت‌های بالا هوای بیشتری را کنار می‌زنند.

به علاوه، اگر لاستیک نسبت به طوقه کربنی بیش از حد باد کرده و عریض‌تر شود، جریان پیوسته هوا روی چرخ مختل شده و درگ آشفته ایجاد می‌کند. داده‌های تونل باد نشان می‌دهند که ارتقا از ۲۵ به ۳۲ میلی‌متر، در سرعت ۳۵ کیلومتر بر ساعت هزینه‌ای حدود ۲ تا ۳ وات در درگ هوا به همراه دارد.

برای رفع این نقطه ضعف، سازندگان طوقه اکنون طوقه‌هایی با پهنای داخلی ۲۳ تا ۲۵ میلی‌متر و پهنای خارجی بیش از ۳۰ میلی‌متر می‌سازند. این طوقه‌های عریض لبه‌های لاستیک را بازتر نگه می‌دارند تا فرم حبابی و لامپ‌مانند به خود نگیرد.

این هماهنگی ابعادی باعث می‌شود جریان هوا بدون شکست از سطح لاستیک به فیبر کربن منتقل شود و افت آیرودینامیک تا حد زیادی جبران گردد. برای رکاب‌زنان حرفه‌ای مسابقات با میانگین سرعت ۴۵ کیلومتر بر ساعت، مقاومت باد هنوز از سود غلتشی پیشی می‌گیرد؛ به همین دلیل است که پلوتون مسابقات جاده اغلب تایر ۲۸ میلی‌متری را ترجیح می‌دهد.

اما برای دوچرخه‌سواران تمرینی و علاقه‌مندانی که با میانگین سرعت زیر ۳۲ کیلومتر بر ساعت رکاب می‌زنند، درگ هوا نقش کمتری دارد. در این سرعت‌ها، ترکیب سود ناشی از کاهش پسماند و حذف ضربات جاده، تایر ۳۲ میلی‌متری را بی‌چون‌وچرا به انتخابی سریع‌تر تبدیل می‌کند.[1]

کوچ به تایرهای پهن‌تر تحولی دائمی در دنیای دوچرخه‌سواری است؛ تحولی که به لطف ترمزهای دیسکی و حذف محدودیت‌های فک ترمزهای لقمه‌ای سنتی ممکن شد. با دانستن اینکه مقاومت غلتشی حاصل تغییر شکل بدنه تایر است، می‌توانید قطعاتی بخرید که واقعاً سرعت شما را افزایش می‌دهند.[2]