Os heróis desconhecidos da bicicleta, achamos que está na hora de os raios obterem o respeito devido
Esses fios finos de arame realizam um trabalho implacavelmente difícil, sendo esticados e comprimidos repetidamente a cada rotação de nossas rodas. Eles também carregam as forças de aceleração da pedalada do cubo ao aro da roda e também transmitem as forças de frenagem. O papel deles no próprio fato de podermos andar de bicicleta é quase mágico – fios tão finos suportando cargas tão grandes. Então, achamos que já era hora de o humilde discurso levar algum crédito, onde uma carga inteira é devida.
'O gênio da roda raiada é que ela pode transferir as forças muitas vezes muito grandes criadas pelo ciclista, bicicleta e superfícies variadas da estrada para essas hastes finas, cada uma sendo sistematicamente comprimida à medida que a roda gira e as cargas são transferidas de um falou com o outro, e assim vai', diz o professor Mark Miodownik, diretor do Institute of Making da University College London, autor de Stuff Matters, apresentador de TV e ciclista entusiasta. Ele continua: 'É uma bela maneira de otimizar o peso, custo e desempenho de uma roda.'
Spokes, uma vez sob tensão, em essência, aperte o aro usando o cubo como âncora central. Em um cenário de mundo perfeito, cada raio puxa com tensão igual para distribuir a carga uniformemente por toda a roda, ao mesmo tempo em que mantém o aro verdadeiro e circular. Os raios devem suportar a roda contra flexão lateral e deformação do aro e também resistir à roda efetivamente sendo esmagada por carga vertical (compressão radial). Nenhuma tarefa pequena. Não é de admirar que, desde o advento da roda, poucas outras soluções tenham sido exploradas.
Tensão do Raio
Agora as coisas começam a ficar técnicas, e você não estará sozinho se o que se segue for um pouco confuso e contra-intuitivo. Há um desacordo vigoroso sobre se uma bicicleta de fato fica pendurada nos raios superiores (aqueles acima do cubo quando você vê a bicicleta de lado) ou se está sendo apoiada pelos inferiores, agindo como pequenos pilares.“A última visão, por mais estranha que pareça, é definitivamente o caso”, diz Jim Papadopoulos, da Faculdade de Engenharia da Northeastern University em Boston, EUA, e coautor de Bicycling Science.
Embora seja fácil acreditar que um raio de bicicleta simplesmente desmoronaria sob o peso da bicicleta e do ciclista, ele continua explicando que a tensão criada em um raio durante o processo de construção da roda (chamada 'pré-tensão') é o que permite que os raios inferiores suportem a carga sem flambar, como fariam se não houvesse pré-tensão. “Cada raio na roda descarregada tem uma tensão da ordem de 100 lb [445N]. Quando o eixo é pressionado em direção ao solo com uma força de 100 lb, o único efeito significativo nas tensões dos raios é reduzir aquelas diretamente abaixo do cubo - normalmente, um reduz para cerca de 50 lb e os raios de cada lado reduzem para cerca de 75 lb. Isso é exatamente o que se veria com raios de madeira sólidos como uma roda de carroça velha – a parte de baixo carregaria 50 libras e as de ambos os lados carregariam 25 libras. A diferença com as rodas com raios de arame é que um raio de arame não pode suportar uma carga de compressão - ele entrará em colapso. Assim, todos os raios são engenhosamente pré-tensionados. Um fio não pode suportar uma carga de compressão de 50 lb, exceto quando já carrega uma carga de tensão superior a isso.
‘Claro que uma roda de bicicleta irá desmoronar se os raios superiores ou horizontais forem removidos’, acrescenta Papadopoulos. “Mas isso ocorre essencialmente porque a estrutura alterada tem um caminho de carga muito diferente e, além disso, é incapaz de fornecer a pré-tensão necessária. Não podemos usar esse colapso para concluir que a roda típica carrega carga através dos raios superiores.' Se isso deixa sua cabeça girando, você não está sozinho. Então, vamos para a área mais direta do material falado.
Raios de Aço
Os raios são predominantemente feitos de aço, uma escolha de material que, como Miodownik nos diz, “basicamente se resume à capacidade de ter um fio confiável. O fio de aço é ótimo porque mesmo com uma área de fixação muito pequena, como onde o bocal segura o raio no aro, você pode colocar bastante tensão neles sem descascar o fio. O aço inoxidável é o material ideal, pois tem a combinação certa de alta resistência e baixo peso, além de ser acessível.'
O aço inoxidável tem sido o metal de escolha para os raios desde o final do século 19 por causa de sua alta resistência à tração, que permite que os raios permaneçam relativamente finos e leves enquanto lidam com as forças aplicadas sobre eles. “Os raios de aço suave teriam que ser duas vezes mais pesados e grossos”, diz Chris Hornzee-Jones, diretor da Aerotrope de engenheiros estruturais. Ele projetou a inovadora mountain bike de fibra de carbono Lotus e trabalhou em uma das maiores rodas de raios de tensão já feitas – a estrutura de 60m de diâmetro suspensa sob o teto do Millennium Dome, usada como plataforma para artistas aéreos. “Ao adicionar cromo e molibdênio ao ferro e carbono do aço macio, a liga de aço inoxidável resultante é muito mais resistente à fadiga.’
Fadiga é o inimigo de um raio. Se você acha que seus quadríceps estão sendo repetidamente pressionados pela repetição de suas pedaladas, então tenha pena de seus raios, sendo golpeados a cada revolução das rodas. Cada raio da roda fica sob carga compressiva apenas pela fração de segundo em que está diretamente abaixo do cubo e, nesse momento, é comprimido antes que a pressão saia e possa retornar ao seu comprimento normal. É um ciclo implacável que pode ser a ruína de uma roda mal construída, literalmente.
'Uma roda é como uma esteira cansativa para raios, que se torna ainda mais difícil para eles por ter um fio adicionado em uma extremidade e [na maioria dos casos] uma curva e/ou cabeça na outra, ' diz Hornzee-Jones. “O fio é um concentrador de tensão e a transferência de carga ocorre principalmente através dos primeiros fios. Além disso, o bocal é relativamente rígido e, como tenta ficar perpendicular ao aro, raramente se alinha perfeitamente com o ângulo em que o raio chega, o que pode ser a causa de estresse concentrado adicional. Na outra extremidade, a curva em J se flexiona minuciosamente e, após centenas de milhares de rotações normais da roda, quaisquer pequenas falhas superficiais, com apenas mícrons de profundidade e completamente imperceptíveis ao olho humano, podem começar a se abrir. É um processo lento no início, mas eventualmente levará a uma quebra de raio.'
Raios de alumínio
Aço não é o único material usado para raios, no entanto. Mavic e Campagnolo (assim como a empresa irmã de Campagnolo, Fulcrum) há muito tempo defendem os raios de alumínio. O alumínio tem um terço da densidade do aço, mas cerca de um terço da rigidez também, então os raios precisam ser mais espessos, o que significa que são potencialmente menos aerodinâmicos, exigem bocais de maior diâmetro e, posteriormente, furos maiores nos aros, o que pode reduzir a resistência e a rigidez do aro. Os raios de alumínio também tendem a usar um design de tração direta, pois uma curva em J em alumínio provavelmente falharia sob estresse.
Outra limitação é que o alumínio não segura um fio tão facilmente. A solução da Mavic é enfiar os mamilos diretamente no aro, em vez de no raio. Campagnolo sugere que escolha raios de alumínio que pesam o mesmo que as versões de aço, mas, em comparação, melhoram a sensação de condução de suas rodas, no entanto, esta é uma questão amplamente subjetiva na qual os raios desempenham apenas um papel, com pneus, aros e cubos também importantes, muito menos o resto da moto.
Dadas as várias tensões que os raios suportam, a fibra de carbono pode não parecer uma escolha provável, mas a Mavic, juntamente com várias outras marcas de rodas de alta qualidade, como Lightweight e Reynolds, para citar duas, encontraram maneiras para aproveitar sua resistência à tração nos raios, com óbvias economias de peso em disputa. O R-Sys SLR da Mavic, por exemplo, usa tubos de carbono ocos para fornecer rigidez sob tensão e resistência à compressão.“O alongamento do raio é muito menor do que o aço ou liga porque o carbono é mais rígido”, diz Michel Lethenet, da Mavic. “Sendo tubos, eles resistem à compressão, o que ajuda a manter a rigidez da roda, embora sejam necessárias algumas peças de metal, que são coladas em cada extremidade para fazer as fixações no aro e no cubo.” Um método alternativo é empregado no Cosmic Carbone da Mavic. Ultimate, em que os raios de carbono com lâmina vão de um lado da roda para o outro, conectando-se ao flange do cubo e cruzando outros raios no caminho.
Verdade do spin
Há algumas outras peças de sabedoria sobre bicicletas recebidas relacionadas aos raios que Peter Marchment, cientista de materiais e diretor da Hunt Bike Wheels, está feliz em dissipar. “Uma roda que usa um aro mais profundo com raios mais curtos é muitas vezes vista como “mais forte”, mas isso geralmente se deve à rigidez adicional inerente ao aro”, diz ele.“Além disso, muitas pessoas acreditam que uma tensão mais alta nos raios significa que você obtém uma roda mais rígida, mas esse não é o caso. A rigidez da roda é afetada por muitas coisas além da tensão, incluindo número de raios, ângulo de contraventamento e profundidade do aro.
Na verdade, um raio se alongará na mesma proporção quando carregado, independentemente da pré-tensão aplicada, o que significa que aumentar a tensão do raio não torna a roda mais rígida. é crucial. Em tensões extremamente altas, o aro e os raios são mais propensos a serem danificados porque estão efetivamente sendo pré-carregados com uma força alta. Mas as tensões baixas dos raios também são um problema porque é mais provável que o bocal se solte [desenrole] quando são desestressados por impactos ou vibrações da estrada, fazendo com que a roda se solte.'
Qualquer que seja a tensão e o padrão, há uma vasta gama de raios para escolher, sem mencionar muitas variações na qualidade do fio do qual são feitos. A Sapim, um dos principais fabricantes de raios, produz 300 milhões de raios por ano e faz compras para manter a qualidade e se manter competitivo em toda a sua linha de produtos. 'Sessenta a 70 por cento do preço de um raio de bitola simples pode estar no material, por isso é importante acertar, mas o mais importante para todos os nossos raios é o desempenho do fio', diz o gerente de vendas da Sapim, Klaus Grüter. 'Estamos procurando um fio que seja brilhante e brilhante e que tenha uma resistência à tração de 1.000 a 1.050N/mm2 com bons dados de fadiga e, principalmente, excelente resistência à corrosão.'
Grüter nos diz que as amostras são testadas em laboratório para resistência à tração, flexão e torção. Uma vez aceito, o fio dos carretéis é endireitado pela máquina e cortado. O fio de bitola simples também pode ser transformado em raios de ponta (onde a parte central é mais estreita) puxando o fio através de uma matriz. Uma vez encaixado, a cabeça do raio e o J-bend são forjados e o fio na outra extremidade é enrolado (não cortado). Os raios acabados são inspecionados tanto por sistemas de visão de máquina quanto por olho e mão humanos. Uma máquina é capaz de fazer 20.000 raios de ponta por dia, o que explica por que os diferentes custos de mão de obra têm pouco impacto no preço de um raio acabado e por que os fabricantes em todo o mundo podem vender a preços semelhantes.
Mas por que bater um raio de qualquer maneira? Jonathan Day, da Strada Wheels, explica: “Os raios com pontas são melhores para lidar com o torque do que o medidor simples. Eles são mais largos no plano da roda, que é a direção da força de torção, então há mais material para resistir a ela. Além disso, eles flexionam um pouco mais no plano perpendicular, então eles são melhores para distribuir a carga de compressão pela roda.'
Padrão de raios
O padrão tradicional de raios de uma roda de bicicleta compreendia 32 (ou às vezes 36) raios, cruzados três vezes. O padrão entrelaçado dos raios em uma roda tradicionalmente entrelaçada, longe de ser apenas um arranjo caleidoscópico, é na verdade uma parte funcional do design da roda.
Em termos de rigidez lateral, os pontos de intersecção dos raios permitem que cada um se apoie no outro ao ser colocado sob tensão, bem como apoie-o ao ser comprimido. O papel mais importante do padrão de amarração de três cruzes está em uma roda traseira, onde os raios devem transmitir a força de pedalada do cubo. Neste caso, os raios são carregados com cargas de torção muito maiores graças à força de torção do trem de força. Os raios do lado do cassete, deixando o cubo tangencialmente, transferem uma força de rotação (torque) do cubo para o aro. Os raios radiais (que seguem um caminho do centro do cubo diretamente para o aro, sem cruzar outro) são muito menos capazes de lidar com esse tipo de carga e teriam maior probabilidade de falhar.
Quando o torque não é um problema, como em uma roda dianteira com freios de aro, o uso de raios radiais faz sentido. Isso economiza peso, pois os raios podem ser mais curtos e menos são necessários para criar uma roda lateralmente rígida. Parece bom também. Os freios a disco causam uma carga de torção significativa, no entanto, tornando o raio radial praticamente impossível. “Acertar o padrão de amarração é fundamental porque os raios compartilham a carga de compressão apertando contra os vizinhos que cruzam, então os raios devem ser amarrados para serem líderes ou reboques”, diz Day. ‘Você tem que se certificar de que um raio principal leve a tensão primeiro no lado da unidade. Em uma roda de 32 raios, você deseja que 16 raios principais compartilhem a carga. Se você errar o laço, acabará com apenas oito fazendo o trabalho.'
Incrivelmente, os padrões de raios continuam sendo um dos aspectos menos desafiados do projeto de rodas, apesar de alguns avanços maciços em materiais e tecnologia de fabricação nas últimas décadas. É uma metodologia verdadeiramente testada e comprovada e, como diz o ditado, se não estiver quebrado…
