История изобретения спицованных колес

Велосипедное колесо. Предмет настолько обыденный, что большинство из нас не задумываются о том, как оно стало таким, каким мы его наблюдаем сегодня.
В настоящее время велосипедные колеса содержат в себе несколько элементов, которые и определяют его внешний вид: покрышка из вулканизированной резины; камера внутри покрышки, она и накачивается воздухом под давлением; обод выполняемый из стали, алюминия, титана или карбона, он несет на себе камеру и покрышку; спицы, они выполняются из стали, алюминия, титана и карбона также, как и обод; втулка, она содержит в себе ось и подшипники качения, материалы всё те же.
Самые современные и технологичные колеса производятся без стали и алюминия, в них применяются титан и карбон, а подшипники из керамики. Такая конструкция обеспечивает минимальный вес маховика, отличный накат и минимальное сопротивление качению. 

Но. Всегда ли колёса были такими? Давайте разбираться вместе.

Кроме прочего, мы написали интересные статьи на темы: выбора колес для шоссейного велосипеда, руководство для новичка по шоссейной геометрии, ABS от Shimano на велосипеде.

Древность

Археологические находки дают основания думать, что колеса появились в период 3500-3350 гг до н.э. толь позднее изобретение колеса ученые объясняют невозможностью добиться необходимой точности деталей без металлического инструмента, который появился только в 4-м тысячелетии до нашей эры. 

Следующим достижением человечества стало появление колеса на спицах примерно во 2-м тысячелетии до н.э. Обод и спицы выполнялись полностью из дерева, а последние работали на сжатие.
К 500 году до н.э. технология распространилась по всей Европе и части Азии, что ознаменовало появление колесниц военного назначения у египтян, персов и кельтов. 

В первом тысячелетии до н.э. к колесу пристроили железный обод, который покрывал беговую дорожку. В таком виде и без серьезных доработок оно доехало до XIX века.

Далее, в 1817 году, происходит изобретение “денди-хорз” — двухколесного самоката, который уже походил на современный велосипед, но выполнялся полностью из дерева с колесами от телеги, а потому вся конструкция была довольно массивной и тяжелой. 

Следующим преображением стало дополнение самоката педалями на переднем колесе, здесь же и появляется впервые название “velocipede” внедренное Пьером Мишо. Первые модели велосипедов отличались зубодробительной жесткостью из-за особенностей конструкции колес, где спицы по-прежнему работали на сжатие.

Появление проволочных спиц

Дальнейший прогресс не занимал сотен и десятков лет, все происходило довольно быстро. Спицы из проволоки, работающие на растяжение, появились на велосипеде “Phantom” в 1869 году. Затем в 1871 году свет увидел велосипед “Ariel”, созданный Джеймсом Старли — родителем всей велосипедной отрасли. 

Phantom

Есть мнение, что свое название он получил благодаря незначительному весу, всего 24 килограмма, что в сравнении с предшественниками — солидное достижение.

Рама его выполнялась из железных прутьев и в центре имела шарнирное соединение для осуществления поворотов. Да, из прутьев, а не из труб.
Колеса имели проволочные V-образные спицы, которые тянулись от фланца втулки к петле на ободе, располагались радиально и натягивались одновременно, чтобы сохранить геометрию. Однако при вращении педалей отмечалось скручивание втулки относительно обода из-за несовершенства конструкции. Собственно, это и есть основной недостаток радиального расположения спиц.

Ariel

Особенностью данного велосипеда стала такая же, радиальная, спицовка колёс, как и на Phantom, но уже с некоторой доработкой. Через втулку проходила планка, к концам которой прикреплялась спица, закрепляемая к ободу под углом (по касательной), что позволяло нивелировать паразитное “скручивание” втулки относительно обода при педалировании. То есть, вращая педали, прикрепленные к передней втулке, вращалась и планка, которая “тащила” за собой обод, радиальные спицы в педалировании не участвовали. Существенным недостатком конструкции являлась возможность разрушения колеса при вращении педалей в обратном направлении.

Дальнейшее развитие колес

Позднее, в 1874 году был изобретен метод натяжения спиц, которым мы пользуемся по сей день — с помощью ниппеля. Радиальное расположение спиц оставалось в приоритете, хотя уже с успехом применялось и тангенциальное спицевание, которое, разумеется, обладает рядом преимуществ. К втулке колеса могут прилагаться крутильные нагрузки в любом направлении, и конструкция при этом всегда останется целой.

К концу XIX началу XX века радиальный способ спицовки был заброшен окончательно и обороты стали набирать J-образные спицы с резьбой и ниппелем на конце, который закреплялся в ободе. Спицовка стала тангенциальная (с крестами, какая видна на любом (почти) современном велосипеде) и полностью вытеснила радиальную. Покрышки использовались двух типов: трубки, закрепляемые на ободе, встречались в спорте; покрышки с кордом для легкого доступа к камере, использовались в остальных сферах жизни.

Кстати, у нас есть статья о видах покрышек, там мы раскрываем тему шире и объясняем строение трубок и прочих разновидностей резины для велосипеда.

Обода, в начале XX века производились из стальной штампованной ленты, а люксовые и гоночные велосипеды можно было встретить на алюминиевых ободьях.
К началу 1970-х годов алюминиевые ободья стали обычным делом в спорте, однако применялась, зачастую, довольно слабая одностенная технология. На таком колесе легко заработать восьмерку.

Деревянные ободья

Многие десятилетия гоночные велосипеды ездили на деревянных ободьях в паре с трубками. Во-первых, такому ободу легко придавать форму при посадке трубки. Во-вторых, низкая плотность дерева, а как следствие и низкий удельный вес, обеспечивали возможность увеличить площадь поперечного сечения элемента без увеличения веса обода. Такая особенность древесины позволяла натягивать спицы с большим усилием, а значит и спиц можно было использовать гораздо меньше.

Опять же, применялись такие колеса только в качестве гоночных, так как для повседневного использования древесина не подходит, боится влаги. В 1930-е древесина стала активно вытесняться алюминием, однако найти колеса с деревянным ободом можно и сегодня. Говорят, что впечатления от поездки на дереве незабываемые.

Алюминиевые ободья

Тур де Франс 1934 года. Компания Mavic предоставила одному из гонщиков свою революционную разработку, которая стала прообразом “пистонированного обода”. 

Суть инновации заключалась в использовании двойных стенок или коробчатого сечения профиля. Отверстия, в которых должны были располагаться ниппеля были оборудованы тонкими стальными трубками — пистонами. Они располагались между стенками обода и позволяли распределить усилие натяжения спицы сразу на две поверхности вместо одной.
Такое решение обеспечивало сильное натяжение спиц, низкий вес и высокую прочность всего колеса.
Применение таких новшеств в гонке было под запретом, потому обода замаскировали под деревянные и отправили гонщика на трассу.
Беспрецедентно жесткие колеса дали велосипедисту невероятное преимущество. Он выиграл гонку со средней скоростью 31 км/ч и объехал своего ближайшего соперника на 27 минут. Такие результаты на Тур де Франс были получены впервые.

Дальнейшее развитие технологии включало размещение деревянного сердечника в коробчатом сечении обода (конкуренты Mavic-a так поступали), далее отказ от сердечников и изменение геометрии, затем последовало переосмысление конструкции пистонов и уже 1966 году такие обода приобрели свой вид, суть которого не изменилась до наших дней.

Современность

Стоит сказать, что пистонированные обода не являются панацеей и изыскания производителей в этой нелегкой науке позволяют находить решения без использования усиливающих инородных элементов. Алюминий свою актуальность не теряет даже не смотря на стремительное развитие карбоновых продуктов, ведь стоимость последних значительно выше. Да, карбоновые колеса легче и обладают рядом других преимуществ, но и алюминий позволяет за разумные деньги получить достойную жесткость и сравнительно небольшой вес (и даже три стенки).  

Радиальная спицовка встречается на передних колесах шоссейников по сей день, смотрится эффектно. Задние спицуются всегда с крестами, так как там уже есть нагрузка от кручения педалей. Наличие дисковых тормозов — только тангенциальная спицовка, так как все усилия (разгон и торможение) проходят через втулки к ободьям и обратно. 

Современные спицы бывают тоже самыми разными: круглые — классика жанра; аэродинамические — чаще плоские или овальные; баттированные — с изменяемой толщиной по всей длине. Все эти ухищрения позволяют использовать минимум материалов и получать желаемые результаты. Средняя спица на разрыв выдерживает 225 кгс, однако в реальности она на это усилие никогда не работает, чтобы минимизировать усталостные разрушения.

Как видите, история спицованного колеса довольно проста и, можно сказать, что глобально концепция внешнего вида с момента его изобретения практически не изменилась. Да, технологии шагнули далеко вперед, однако некоторые из них остаются вполне рабочими и часто-употребляемыми даже спустя 100 лет.