Vi sætter den store hjuldebat til ro ved at udlevere de naturvidenskabelige lærebøger
Der er et svimlende udvalg af hjul på markedet, hvoraf de fleste siger, at de gør dig hurtigere og mere effektiv. Mange gør et stort nummer af, hvor lette de er, men sjældent forklarer de, hvor på hjulet størstedelen af massen er placeret: navet eller fælgen?
Det fik os til at tænke. Hvis du havde to hjul med samme samlede vægt og design, men det ene havde mere vægt ved navet, og det andet havde mere vægt ved fælgen, hvilket ville gøre dig hurtigere i løbet af en gennemsnitlig tur? Det er tid til at få de gamle fysiklærebøger frem igen.
Lad os starte med inerti. Inertimomentet fungerer ud fra princippet om, at masse længere væk fra rotationscentret er sværere at rotere end masse tæt på rotationscentret. I cykling betyder førstnævnte selvfølgelig fælgen, sidstnævnte navet. Newtons anden lov om bevægelse, når den er relateret til roterende objekter, siger α=t/i hvor α er rotationsacceleration, t er nettodrejningsmoment og i er inertimoment. Med andre ord, jo højere inerti, jo langsommere acceleration for det samme drejningsmoment.
Marco Arkesteijn, sports- og motionsforsker ved Aberystwyth University, giver en anden måde at forstå inerti på: 'Tænk på en kunstskøjteløber, der roterer på stedet med deres arme spredt ud. De roterer omkring midten af kroppen - den del, der er stationær. Dette er deres rotationscenter. Ved at stikke deres hænder ind i deres krop vil de øge rotationshastigheden. Det, de gør, er at mindske den masse, der er længst fra rotationscentret, hvilket sænker inertien. Da energien i systemet er konstant, følger det, at deres vinkelhastighed stiger.’
Kort sagt, det ser ud til, at lavere vægt ved fælgen er lig med hurtigere accelerationer, fordi det kræver mindre energi at nå en given hastighed. Du kan se fordelen ved dette, når en puncheur som Philippe Gilbert spurter op ad en kort stigning - et scenarie, der er blevet verificeret ude på vejen. Mavics produktchef, Maxime Brunand, udførte et eksperiment, hvor han tilføjede 50 g til to sæt hjul – ved fælgen på det ene sæt, ved navet på det andet – og havde en ryttereffekt på op til 500 watt på en 10 % gradient og se hvor lang tid det tog dem at nå 20 kmt. "Hjulet med ekstra fælgvægt tog fem gange længere tid at nå 20 kmt, end når den samme fælg blev brugt på den flade," siger han. »Ved at bruge hjulene med vægt tilføjet ved navet, tog det kun fire gange så lang tid at nå den tilsvarende vandrette hastighed. I bund og grund, på bakker, bliver trægheden vigtigere.’ Det franske hold observerede også, at på den flade’var det nemmere at holde fart’ ved at bruge hjulene med ekstra vægt på fælgen.
Svinghjulseffekten
Det bringer os over på svinghjulseffekten. Kunne en tungere fælg bære momentum for en rytter, når en gang er oppe i fart, ligesom et lokomotivhjul bærer momentum for en dampmaskine? Ondrej Sosenka slog timerekorden i 2005 og dækkede 49,7 km. Den tjekkiske rytter var en af de største ryttere, der nogensinde har kørt professionelt, med en vægt på 90 kg og to meter høj. Hans rekord-brydende cykel vejede 9,8 kg inklusive et 3,2 kg baghjul - grunden er, hævdede Sosenka, at mens et tungere hjul tog længere tid at nå maksimal hastighed, var det nemmere at holde der. På bagsiden gjorde Eddy Merckx store anstrengelser for at holde hele sin cykel så let som muligt, når han kørte race på banen.
Så hvem har ret? "I nogle tilfælde kan et lidt tungere hjul ved fælgen resultere i en hurtigere tid, såsom over en flad bane," siger Paul Lew, innovationsdirektør hos Reynolds Wheels. »Det kan også gavne en cykelrytter, der bruger det meste af deres energi på pedalen nedad. Det tungere hjul kan hjælpe med at udfylde den manglende kraft i den bageste og opadgående del af kadencen ved at føre hjulets momentum igennem til det nedadgående slag.’
Så er det værd at Sir Brad fylder sin fælg med bly, når han forsøgte med timerekorden i juni? Og hvad med normale ryttere ude på vejen? "Selvom det er rigtigt, at et lidt tungere hjul kan resultere i en hurtigere tid over en fuldstændig flad bane, er dette undtagelsen, ikke reglen," siger Lew. På de fleste landevejsture vil den ekstra vægt vise sig at være en hindring snarere end en fordel: "I sidste ende kommer det momentum, der genereres af et hjul, der bruges til at skabe en svinghjulseffekt for at øge hastigheden, på en pris for cyklisten. Cyklisten vil opnå mindre udbytte og udbytte end omkostningerne ved indsatsen. Omkostningerne vil ikke opveje gevinsten.'
Hvad med mindre hjul?
Det ser ud til, at svinghjulseffekten af tunge fælge kun giver udbytte under meget specifikke omstændigheder, hvorimod reduktion af vægten af fælge kan have reelle fordele, når man klatrer eller accelererer. Og fordi inertien stiger jo længere væk massen er fra navet, er der så et argument for, at vi alle bruger mindre 650c hjul i stedet for de sædvanlige 700c? Det var en tendens, man så i triatlon i begyndelsen til midten af 1990'erne, og forskning har vist 8 % vægtbesparelse ved at bruge sådan et hjul.
‘Jeg tror, at enhver fordel ophæves af flere faktorer, herunder komfort,’ siger Arkesteijn. ‘Brummen fra vejen er mere intens på grund af den mindre radius.’ Et 650c hjul skal også rotere mere end de 700c (510 omdrejninger pr. kilometer sammenlignet med 475 ca.), hvilket betyder mere friktion. "En større rytter vil føle den summen endnu mere intens på grund af deres ekstra vægt," fortsætter Arkesteijn. Hvad intet af dette tager højde for, er selvfølgelig aerodynamik. En tungere fælg kan give fordele, hvis den vægt bruges til at skabe en bedre form til at skære gennem luften. "Hvis du er en stor enhed og kan holde din fart op ad en bakke, er en tungere fælg mindre af en ulempe for dig, fordi du vil nyde en større aerodynamisk effekt," siger Jonathan Day fra Strada Handbuilt Wheels.'Men hvis du er en tynd 62 kg og du udmærker dig ved at klatre, vil du have noget let ved fælgen for at maksimere din hastighed op ad bakken.'
I sidste ende har de fleste mennesker ikke en række hjul at vælge imellem, der passer til enhver type køretur og vejforhold. Så undtagen under meget specifikke omstændigheder og perfekte forhold er lettere fælge generelt bedre til at maksimere din hastighed og nydelse. Og på trods af de lunge-rivrende smerter og strømme af sved, er det det, cykling handler om.