Hjulfälgar blir fetare, vilket verkar kontraintuitivt för att göra dem snabbare, så vad händer?
Logic föreslår att om du vill att något ska skära genom luften snabbt, gör du det tunt och skarpt – som Concorde. Den var formad som en pil medan andra passagerarplan var kupade, och som ett resultat kunde den korsa Atlanten på under tre timmar. Ungefär samma tankegångar gick in i tidiga generationer av djupa flyghjul: tunna, djupa V-sektioner avsmalnande till en skarp kant, vilket gav intrycket av att skära genom luften med maximal effektivitet. Det var intuitivt vettigt, men tiderna har förändrats.
Nyheten inom hjuldesign är nu, ja, mindre skärande och mer trubbig. Kanterna har mjukats upp och fälgarna breddats i den utsträckning som vi nu får veta att feta, rundade fälgprofiler är den bästa vindfuskformen för allroundprestanda. Så vad har hänt?
Hed vindar
Den ursprungliga förespråkaren för den bredare fälgformen var Hed Wheels, med dess grundare, den sene Steve Hed, som drev mycket av tänkandet på 1980-talet. När Hed lanserade sitt knubbiga, bredprofilerade Ardennes-hjulset i aluminiumlegering i mitten av 2000-talet, och rekommenderade att det skulle paras ihop med 25 mm däck snarare än de allestädes närvarande 23 mm, uttryckte många misstro att detta kunde vara en snabbare installation. På den tiden var tekniska detaljer skissartade. Det verkade som om Hed sökte bättre däckstabilitet för bättre kontroll över kurvtagningen, tillsammans med att minska risken för att klämma fast i ojämn terräng, men den första forskningen på 80-talet hade också visat att bredare fälgar kunde vara snabbare aerodynamiskt. Sedan, när Hed-patentet var ute 2009, öppnades dörren för en våg av innovation.
Michael Hall, chef för avancerad utveckling hos hjultillverkaren Zipp, säger: "I åratal jagade branschen övergripande luftmotståndseffektivitet [de snabbaste resultaten i vindtunneltestning] med liten hänsyn till hur bra dessa komponenter presterade på sub- optimala, verkliga dagar. I den verkliga världen måste ryttare ta itu med allt som deras miljö kastar på dem. För våra Firecrest-hjul, som lanserades 2010, ändrade vi vårt fokus och de resulterande produkterna försökte vara mer stabila och förutsägbara i alla vindriktningar än våra tidigare generationer.’
Kevin Quan, ingenjörsdirektör på Knight Composites, går in mer i detalj: "Sättet vi designar är från bakkanten, vilket betyder den bakre halvan av hjulet." Det kan låta kontraintuitivt med tanke på att det är däcket och ledande kanten på fälgen som träffar vinden först, men Quan säger: "Vår forskning visar att när vinden träffar ett däck i en girvinkel [vilken vinkel som helst förutom rakt på] kommer det att lossna [förlora sitt mjuka flöde över fälgen], så den aerodynamiska formen framtill på fälgen gör inte så mycket – den har nästan alltid stannat.” Med andra ord, det är ingen idé att prioritera en aerodynamisk form framtill.
Aero-förmåner
För att förstå hur en bredare fälg kan förbättra aerodynamiken snarare än öka luftmotståndet, måste vi tänka på det faktum att luften vi åker i inte beter sig på ett konsekvent sätt. Även på en lugn dag är luften en virvlande, komplex röra. Vad aerodynamisk vetenskap har insett är att optimal vätskedynamik – hur luft interagerar med de former och yttexturer den kommer i kontakt med – handlar om att minska friktionen.
När det kommer till luftflöde finns det tre breda kategorier. Den första kategorin är "laminärt" luftflöde. Detta är det mest önskvärda tillståndet för låga friktionsförluster och det hänvisar till luften som rör sig i jämna, raka eller krökta linjer. När den möter ett rörligt föremål separeras det laminära luftflödet, glider runt föremålet och återupptar sedan dess flöde på andra sidan med minim alt krångel.
Det andra tillståndet är "turbulent". Som namnet antyder hänvisar det till rörig luft som är långt ifrån jämnflytande, även om den kan ha inslag av både "laminär" och "stoppad" luft i sig. Orsakerna till turbulensen kan vara många: kanske är det en blåsig dag, eller så följer du en annan förare noga, eller så är det bilar och lastbilar som passerar. Dessa suboptimala förhållanden kallas ibland "smutsig" luft, och det är det vanligaste tillståndet vi åker i.
Det tredje villkoret är "stoppat". Det är då luften inte längre flödar, utan virvlar åt olika håll samtidigt. Detta tillstånd orsakar den största mängden friktion och har som sådan störst effekt på att bromsa en ryttare.
Vad allt detta betyder är att även om det är fantastiskt att ha en kombination av hjul och däck som fungerar bra i laminärt flöde, när du kommer rakt emot i en vindtunnel, vad är det som är till större fördel i verkliga scenarier är hjul och däck som fungerar bra i turbulent luft. De mest framgångsrika moderna designerna syftar faktiskt till att ta luft som är turbulent och minska dess luftmotstånd – för att rensa upp den smutsiga luften. Detta är en av anledningarna till att tunna, vassa hjulfälgar ersätts av bredare, rundare fälgar – de nya designerna är helt enkelt snabbare på att skära igenom den röriga luften som ryttare möter på de flesta åk i verkligheten. Men det finns en annan viktig anledning till att fälgar blir bredare, vilket är rullmotståndet.
Kontakta sport
Skiftet till bredare fälgar är delvis resultatet av en samtidig förflyttning mot bredare däck. Där 23 mm däck brukade vara normen väljer fler förare och tillverkare istället för 25 mm, och ibland ännu bredare.
‘Continentals forskning visar att ett 25c-däck har 10-15 % mindre rullmotstånd än ett 23c-däck, säger Quan. "Continental visade att om du har ett större däck blir kontaktytan, istället för att växa längre, kortare men bredare, så den faktiska ytan på vägen förblir densamma vid samma tryck."
Detta backas upp av däcktillverkaren Schwalbes resultat. Produktchef Marcus Hachmeyer säger: Om du jämför däck med olika bredder men identiska specifikationer - samma blandning, profil och lufttryck - när det gäller rullmotstånd är bredare snabbare. Om du föreställer dig din cykel och förare parkerad på en glasplatta och att du tittade upp underifrån där däcket möter glaset, skulle du se två distinkt olika former. På ett sm alt däck skulle formen vara lång och tunn, en oval. På ett bredare däck skulle kontaktytan vara kortare och fetare, mer en cirkel, och på så sätt används färre av de gängor som utgör sidoväggen och hjälper till att skapa rullmotstånd, och friktionen är mindre.'
Det är mycket bra, men varför inte helt enkelt montera bredare däck på smala fälgar? När fälgen är smal bildar däcket en "glödlampa"-form när det ses i profil - kläms där det hakar fast i fälgen, och buktar bort från fälgen. Med en bredare invändig fälg formar däcket mer av en inverterad U-form, vilket hjälper till att skapa en rundare kontaktyta med vägen och därmed mindre rullmotstånd.
Den invändiga bredden på väghjulsfälgarna – avståndet mellan de två krokade flänsarna som håller däckvulsten på plats – har tills nyligen varit cirka 14 mm. På den första skörden av bredare fälgar växte det utrymmet till mer som 16 mm, och nu tar tillverkarna dem bredare igen. Bontragers senaste Aeolus TLR D3-serie, som lanserades tidigare i år, utökade den bredden från sin tidigare D3 vid 17.5 mm till massiva 19,5 mm, en betydande ökning i procent. Ett varningens ord kommer från Michel Lethenet från hjultillverkaren Mavic. "Båda elementen [däck och fälg] behöver helst designas för att matcha perfekt för att förbättra systemet. Om inte, är det ingen mening med den stigande trögheten, roterande vikten och luftmotståndet att bara använda ett bredare däck. Dessutom finns det säkerhetsaspekten att tänka på om du tänker på det motsatta scenariot - ett sm alt däck som används på en alltför bred fälg. Detta kan medföra en hög risk för att däcket inte sitter korrekt och eventuellt blåser av.’
Säkerhet med något så viktigt som däck är av största vikt, och Quan tillägger: "För närvarande verkar 17-18 mm [inre fälgbredd] bra, men bredare, säg upp till 20 mm, och vi börjar med outforskat territorium. För tillfället har vi inte sett några negativa effekter, men det har ännu inte riktigt setts i mainstream.’
Handles Messias
Bara för att bevisa att hjul är de kanske mest komplexa problemen för ingenjörer att ta itu med, det finns en annan viktig faktor i designuppdraget: hantering.
‘Det är en oerhört viktig faktor,’ säger Simon Smart, teknisk chef för Smart Aero Technology och designer av Enve Composites flyghjulssystem (Enve SES). Om vi går tillbaka sju år, skulle idrottare komma till vindtunneln och vi skulle identifiera det snabbaste hjulsetet för dem. Men vi upptäckte att hjulen ofta var långsammare i den verkliga världen. Det berodde inte på att vindtunneln var fel, det var helt enkelt för att förarna inte kunde hålla en rak linje när de tävlade eftersom hjulen saknade stabilitet.’
En del av att köra fort är att kunna behålla kontrollen, så om ett hjul saknar stabilitet i sidvind eller turbulent luft, blir resultatet förlorat självförtroende att köra fort och prestandan blir oundvikligen lidande. "För mig var körstabilitet det stora som saknades i hjulprestanda, och jag visste att om vi kunde utveckla ett stabilare framhjul så visste jag att även om det visade sig vara något långsammare i vindtunneln så skulle det gå snabbare i den verkliga världen, säger Smart."Det var därför jag inledde utvecklingsprogrammet med Enve, med hantering som första prioritet."
Allt detta pekar på att hjulet och däcket måste fungera tillsammans som ett komplett paket för en optimal lösning, inte bara inom aerodynamik utan även vad gäller stabilitet i hastighet, förutsägbar hantering och lägre rullmotstånd. Kommer vi i ljuset av detta att se hjultillverkare arbeta närmare med däcktillverkare i framtiden?
I Bontragers fall är de redan en och samma. Ray Hanstein, Bontragers produktchef för hjul, säger: "Våra hjul- och däckingenjörer anses vara samma. Hjul och däck är så sammanflätade att du inte kan utveckla det ena till dess potential utan att ha en intim förståelse för det andra. De här killarna arbetar i samma rum, åker tillsammans, äter lunch tillsammans.’ Det är en liknande historia på Mavic och Zipp, som tillverkar sina egna däck såväl som hjul, så att de kan skapa exakt parade produkter. Den stora frågan som återstår att besvara är: har vi nått toppen? Smart säger: "Att designa fälgar är en ganska utmaning, men spännande. Under de senaste fem åren har ramdesignerna förändrats en del, och det är saker som att tillåta bredare däck som har gett oss friheten att utforska ännu bredare fälgar. Som med det mesta finns det en poäng med att minska avkastningen, men jag tror inte att vi har nått toppen än.’
I slutändan är bredare däck och motsvarande breda hjulprofiler vägen branschen är på väg, och det rätta valet för förare om du vill ha maximala vinster i den typ av förhållanden som vi alla upplever dagligen, med förutsägbar hantering till start. Vetenskapen stöder det, så det kan vara dags att förkasta den snäva utsikten och gå brett.
