Miért csőből készül a kerékpár váza?
2013/12/12 08:00
1024 megtekintés
A cikk már legalább egy éve nem frissült, az akkor még aktuális információk lehet, hogy mára elavultak.

A kerékpárok építői, tervezői mindig nagy hangsúlyt fektetnek arra, hogy csökkentsék a váz tömegét. A tervezéshez nagy segítséget nyújt, ha ismerjük azoknak az elemeknek a tulajdonságait, amelyekből a kerékpár készül. Miért csőből és miért nem tömör rúdból?

A tömör rúd semmivel sem nagyobb szilárdságú, mint a vele azonos keresztmetszetű cső. Igen, ez meglepő kijelentés. Ha szakítás vagy nyomás ellen kifejtett erő ugyanakkora, akkor a csövet és a rudat is egyaránt képes eltépni, szétzúzni.

Ha a rudat és a csövet meghajlítjuk, akkor a hajlító erővel szembeni ellenállás szempontjából hatalmas a különbség! A rudat sokkal könnyebb meghajlítani, mint az ugyanolyan keresztmetszetű csövet.

Galileo Galilei, akit sokan a szilárdságtan megteremtőjének is neveznek, egyik korai művében írta:

"Szeretnék néhány megjegyzést tenni még a belül üreges vagy üres szilárd testet ellenállásával kapcsolatban, amelyek a technikában és a természetben is ezerféle módon nyernek alkalmazást. Ezeknél súlynövekedés nélkül érhető el a szilárdság nagyfokú növelése, amint könnyen látható a madárcsontokon, és a nádon, amelyek könnyűségük ellenére nagy mértékben ellenállnak a hajlításnak és a törésnek. Ha a kalászt hordozó szalmaszál, amely annak egész súlyát viseli, ugyanolyan mennyiségű anyagból képzett tömör és egytömegű szemben. A valóságban is megfigyelték és a tapasztalat is igazolja, test volna, akkor sokkal kevésbbé volna szilárd hajlítással és töréssel hogy a belül üres bot és a fa- vagy fémcső erősebb, ami okvetetlenül sokkal vékonyabb. A technika alkalmazza is ezt kopják készítésénél, amelyeket belül üresre vájnak, hogy megfelelő szilárdság mellett súlycsökkenést érjenek el."

Mi az oka a különbségnek?

Vizsgáljuk meg egy gerendában hajlításkor fellépő feszültséget. A két végén (A és B) alátámasztott rúdra G nagyságú erő hat. (lásd az ábrán)

gerenda

Az erő hatására a gerenda lefelé hajlik. Mi történik közben a gerendában? A gerenda felső rétegei összehúzódnak, az alsók pedig kitágulnak, van azonban egy középső réteg, amely se nem zsugorodik, se nem tágul.

A gerenda megnyúlt részén rugalmas erők lépnek fel, amelyek ellenállnak a tágulásnak, míg az összenyomódott részen a zsugorodást "gátló" erők ébrednek. A hajlítással szembeni ellenállás a gerendát hajlító erő növekedésével arányosan növekszik, egészen addig, amíg lépi át a rugalmassági határt. Ha ez megtörténne, akkor a gerenda elhajlása állandósul, nem nyeri vissza már eredeti alakját.

A hajlítással szemben tehát a gerenda legfelső, és legalsó része a legellenállóbb, a középső részek annál kevésbé vesznek részt ebben, minél közelebb vannak a semleges réteghez. Ezért is készítenek olyan alakú gerendákat, amelyeknél a gerendát alkotó anyag nagyobb része a semleges zónától a lehető legtávolabb helyezkedjen el.

ugerenda

Ilyen gerendák a napjainkban is használt U, és I gerendák.

Természetesen a gerendák tervezői nem esnek túlzásokba. Az I gerenda középső szárát nem lehet túlságosan vékonyra alkotni, mert ez a rész akadályozza meg a két részlet egymáshoz képest történő elmozdulását.

Miért jobb a cső, mint  a rúd?

Tegyük fel, hogy két egyenlő hosszúságú, henger alakú gerenda áll a rendelkezésünkre. Az egyik gerenda tömör, míg a másik üreges cső. Mindkét gerenda keresztmetszete ugyanakkora. A hajlítással szembeni ellenállás tekintetében viszont nagyon nagy a különbség: itt nem részletezett számítások alapján az üreges cső több mint kétszer olyan szilárd, mint a tömör. Ez abban az esetben igaz, amikor az üreges cső belső átmérője megegyezik a tömör rúd átmérőjével.

carbon_frame

Ez a meglepő tapasztalat vezette a kerékpárépítőket, és egyéb műszaki szakembereket, hogy a leginkább megfelelő elemeket építsék be a fejlesztéseikbe!

További érdekes oldalak: 

Zsigó Zsolt cikke