Vi lägger den stora hjuldebatten i vila genom att ta fram de naturvetenskapliga läroböckerna
Det finns en häpnadsväckande mängd hjul på marknaden, varav de flesta säger att de gör dig snabbare och mer effektiv. Många gör en stor sak om hur lätta de är, men sällan förklarar de var på hjulet huvuddelen av massan finns: navet eller fälgen?
Det fick oss att fundera. Om du hade två hjul med samma totalvikt och design, men det ena hade mer vikt vid navet och det andra hade mer vikt vid fälgen, vilket skulle göra dig snabbare under loppet av en genomsnittlig åktur? Det är dags att få ut de gamla läroböckerna i fysik igen.
Låt oss börja med tröghet. Tröghetsmomentet fungerar enligt principen att massa längre bort från rotationscentrum är svårare att rotera än massa nära rotationscentrum. Inom cykling betyder det förra förstås fälgen, det senare navet. Newtons andra rörelselag, när den är relaterad till roterande föremål, säger α=t/i där α är rotationsacceleration, t är nettovridmoment och i är tröghetsmoment. Med andra ord, ju högre tröghet desto långsammare acceleration för samma vridmoment.
Marco Arkesteijn, idrotts- och träningsforskare vid Aberystwyth University, ger ett annat sätt att förstå tröghet: Tänk på att en konståkare roterar på plats med armarna utspridda. De roterar runt mitten av kroppen - den del som är stillastående. Detta är deras rotationscentrum. Genom att stoppa in händerna i kroppen kommer de att öka rotationshastigheten. Vad de gör är att minska massan som är längst bort från rotationscentrum, vilket sänker trögheten. Eftersom energin i systemet är konstant, följer det att deras vinkelhastighet ökar.’
Kort sagt, det verkar som att lägre vikt vid fälgen är lika med snabbare accelerationer eftersom det kräver mindre energi för att nå en given hastighet. Du kan se fördelen med detta när en puncher som Philippe Gilbert spurtar upp för en kort stigning – ett scenario som har verifierats ute på vägen. Mavics produktchef, Maxime Brunand, genomförde ett experiment där han lade till 50 g till två uppsättningar hjul – vid fälgen på den ena uppsättningen, vid navet på den andra – och hade en förareffekt på upp till 500 watt på en 10 % lutning och se hur lång tid det tog dem att nå 20kmh. "Hjulet med extra fälgvikt tog fem gånger längre tid att nå 20 km/h än när samma fälg användes på platta", säger han. "Med hjälp av hjulen med vikt lagt vid navet tog det bara fyra gånger så lång tid att nå sin motsvarande horisontella hastighet. I grund och botten, på kullar, blir trögheten viktigare.’ Det franska teamet observerade också att på den platta”var det lättare att hålla hastigheten” med hjälp av hjulen med extra vikt vid fälgen.
Svänghjulseffekten
Det för oss till svänghjulseffekten. Kan en tyngre fälg bära fart för en ryttare när den är i fart, precis som ett lokomotivhjul bär fart för en ångmaskin? Ondrej Sosenka slog timrekordet 2005 och täckte 49,7 km. Den tjeckiske ryttaren var en av de största ryttarna som någonsin tävlat professionellt, med en vikt på 90 kg och två meter lång. Hans rekordstora cykel vägde 9,8 kg inklusive ett bakhjul på 3,2 kg - anledningen var, hävdade Sosenka, att medan ett tyngre hjul tog längre tid att nå maximal hastighet, var det lättare att hålla där. På baksidan gjorde Eddy Merckx stora ansträngningar för att hålla hela sin cykel så lätt som möjligt när han tävlade på banan.
Så vem har rätt? "I vissa fall kan ett lite tyngre hjul på fälgen resultera i en snabbare tid, till exempel över en platt bana", säger Paul Lew, innovationsdirektör på Reynolds Wheels. "Det kan också gynna en cyklist som utövar det mesta av sin energi på pedalen nedåt. Det tyngre hjulet kan hjälpa till att fylla i den saknade kraften i den bakre och uppåtgående delen av kadensen genom att föra hjulets rörelsemängd fram till nedåtgående.’
Så är det värt att Sir Brad laddar sin fälg med bly när han försöker med Hour-rekordet i juni? Och hur är det för vanliga ryttare ute på vägen? "Även om det är sant att ett lite tyngre hjul kan resultera i en snabbare tid över en helt platt bana, är detta undantaget, inte regeln", säger Lew. På de flesta landsvägsturer kommer den extra vikten att visa sig vara ett hinder snarare än en fördel: "I slutändan kommer det momentum som genereras av ett hjul som används i syfte att skapa en svänghjulseffekt för att öka hastigheten till en kostnad för cyklisten. Cyklisten kommer att få mindre avkastning och nytta än kostnaden för ansträngningen. Kostnaden kommer inte att uppväga vinsten.’
Vad sägs om mindre hjul?
Det verkar som att svänghjulseffekten av tunga fälgar bara ger utdelning under mycket specifika omständigheter, medan en minskning av fälgens vikt kan ha verkliga fördelar närhelst man klättrar eller accelererar. Och eftersom trögheten ökar ju längre bort massan är från navet, finns det något argument för att vi alla ska använda mindre 650c-hjul istället för de vanliga 700c? Det var en trend som sågs inom triathlon i början till mitten av 1990-talet och forskning har visat 8 % viktbesparing med ett sådant hjul.
‘Jag tror att alla fördelar förnekas av flera faktorer, inklusive komfort, säger Arkesteijn. "Sumret från vägen är mer intensivt på grund av den mindre radien." Ett 650c hjul måste också rotera mer än 700c (510 varv per kilometer jämfört med ca 475) vilket betyder mer friktion. "En större ryttare kommer att känna det surret ännu mer intensivt på grund av sin extra vikt", fortsätter Arkesteijn. Vad inget av detta tar hänsyn till är naturligtvis aerodynamiken. En tyngre fälg kan ge fördelar om den vikten används för att skapa en bättre form för att skära genom luften. "Om du är en stor enhet och kan hålla farten uppför en backe, är en tyngre fälg mindre till en nackdel för dig eftersom du kommer att njuta av en större aerodynamisk effekt", säger Jonathan Day på Strada Handbuilt Wheels."Men om du är smal och väger 62 kg och du är utmärkt i att klättra, vill du ha något lätt vid fälgen för att maximera din hastighet uppför backen."
I slutändan har de flesta människor inte en rad hjul att välja mellan för att passa alla typer av åk och väglag. Så, förutom under mycket specifika omständigheter och perfekta förhållanden, är lättare fälgar generellt sett bättre för att maximera din hastighet och njutning. Och trots lungsmärta och svettströmmar är det vad cykling handlar om.