צמיגים, נפחים ואיך אפשר להשיג מהירות בחינם

הירשמו לרשימת התפוצה של Train by Science ותקבלו במייל עדכונים בנוגע למאמרים ופרקי פודקאסט חדשים. ההרשמה כאן

---

אני בטוח שכולכם רוצים לרכב מהר יותר על האופניים. הדרכים לעשות זאת מגוונות. כמובן שכולנו מיד חושבים על שיפור בכושר, אבל זו לא הדרך היחידה. לצד שיפור האווירודינאמיות שלכם גם צמצום החיכוך המתגלגל בעזרת בחירת צמיגים נכונים וניפוחם ללחץ המתאים תעזור לכם לנסוע מהר יותר. בפרק הפודקאסט הנוכחי אני מראיין את אלון לרר שמסביר לנו על חיכוך מתגלגל ואיך אפשר לשפר אותו על מנת לנסוע מהר יותר מבלי להוסיף וואטים.

משוואת התנועה של אופניים

משוואת התנועה של האופניים כוללת מספר גורמים שמתנגדים לנו כאשר אנחנו רוכבים באופניים:

• אוויר – אווירודינאמיות 
• חיכוך מתגלגל – החיכוך שמתנגד לנו על מנת לגלגל את הגלגלים שלנו
• גרביטציה – להעלות את משקל האופניים והמשקל שלנו כנגד כוח הכבידה
• איבודי אנרגיה במערכת ההינע
• האצת האופניים

אווירודינאמיות משמעותה דחיפת האוויר שמולינו. כמו בשחייה, שצריך להזיז מים כך גם באוויר. חיכוך מתגלגל נוגע להתעוותות של הצמיגים כאשר הם נוגעים בקרקע. התעוותות שמובילה לאיבוד אנרגיה לחום. בערך 15-20% מהאנרגיה במהירויות גבוהות הולכת לחיכוך מתגלגל. משמעות הדבר היא 45-60 וואט כאשר אנחנו רוכבים ב-300 וואט. 

חיכוך מתגלגל – CRR

חיכוך מתגלגל או CRR נובע מהעיוות בצמיג. כמות האנרגיה המתבזבזת תלויה במספר גורמים: סוג הצמיג, טיב השטח וכן רוחב ולחץ הצמיגים. ארבעת הדברים הנ״ל מתאספים למקדם שנקרא CRR – Coefficient of Rolling Resistance. משמעותו היא כמה אנרגיה הצמיג הזה דורש על מנת להתגלגל בתנאים שונים.

את ה-CRR מכפילים במשקל ומהירות כך שככל שאהיה כבד יותר כך החיכוך המתגלגל שלי יהיה גדול יותר. לרוכב כבד פי 2 יהיה חיכוך מתגלגל גדול כמעט פי 2 ואותו דבר נכון למהירות. מהירות של 50 קמ״ש תדרוש פי 2 אנרגיה מ-25 קמ״ש. העלייה היא ליניארית עם המהירות בניגוד גמור לאווירודינאמיות שם אנחנו מדברים על חזקה 3 עם המהירות.

חיכוך מתגלגל מושפע מהמשקל שלנו והמהירות. מקדם החיכוך המתגלגל מושפע ממגוון גורמים כמו הצמיג, החומר ממנו הוא עשוי וכמובן סוג המשטח שאנחנו רוכבים עליו. לוולודרום שעשוי ממשטח עץ נפלא יהיה פחות חיכוך מתגלגל מכביש אספלט משובש. 

הגורמים המשפיעים על ה-CRR

• הקונסטרוקציה של הצמיג עצמו – התנגדות גלגול זה איבוד אנרגיה מהעיוות של הצמיג. ככל שהצמיג יותר אלסטי ועובד כמו קפיץ הוא מאבד פחות אנרגיה. ככל שהוא יותר רך הוא מאבד פחות אנרגיה. ככל שהצמיג יותר קשיח, בד״כ במקרה של הצמיגים העמידים יותר לפנצ׳רים, הם פחות יעילים, עובדים פחות כמו קפיץ ופחות מחזירים את האנרגיה. הסיבה שאני מאבד אנרגיה כשצמיג יותר או פחות קשיח היא שכשהצמיג פוגש את הקרקע הוא מתעוות. אפשר לראות את העיוות הזה בגלגלים של מכונית בה החלק העליון של הצמיג לא נראה כמו התחתון, החלק התחתון נראה שטוח. העיוות הזה דורש אנרגיה שהולכת על מנת לעוות את הצמיג. ככל שהצמיג יותר אלסטי הוא דורש פחות אנרגיה. צמיג אלסטי עובד יותר כמו קפיץ אידיאלי, מחזיר את כל האנרגיה שנדרשת לעוות אותו לתוך הגלגל. צמיג קשיח יותר דורש אנרגיה על מנת לעוות את הצמיג שמתבזבזת לחום. צמיג קשיח דומה לדבק, מבזבזים אנרגיה לטובת העיוות, כאילו יש דבק על הצמיג. צמיג רך יהיה מהיר יותר וקשה יהיה איטי. 
• המשטח עליו אנחנו רוכבים – בוולודרום יש פחות CRR מאשר בכביש לבן או כביש 4 על 4. לדוגמה, בכביש החוף עליו התקיימה אליפות ישראל בנג״ש ב-2018 אנחנו מצפים לראות CRR נמוך יותר ולכן מהירויות גבוהות יותר מאשר בכביש עליו יתקיים הנג״ש בשנת 2019 שהוא כביש הרבה פחות טוב. 
• הלחץ בצמיגים – הלחץ הדרוש בצמיגים מושפע גם הוא מהמשטח עליו אנחנו רוכבים. הלחץ הוא נושא מורכב יחסית ובמשטח אידיאלי, למשל בוולודרום, ככל שנעלה בלחץ אז ה-CRR יורד. בגלל זה בוולודרום רוכבים בלחצים מאד גבוהים. בכביש משובש לעומת זאת, ככל שנעלה בלחץ ה-CRR יורד עד לנקודה מסויימת. ברגע שאנחנו עוברים את הנקודה הזו ה-CRR עולה ועולה בצורה מאד משמעותית. יש לחץ אידיאלי שמתאים לכביש מסויים, מעבר ללחץ הזה ה-CRR עולה ואנחנו צריכים להכניס הרבה יותר אנרגיה על מנת להתגבר על החיכוך המתגלגל. צמיג בלחץ 20 יסע פחות מהר מצמיג בלחץ 30 אבל צמיג בלחץ 130 יסע יותר לאט מצמיג שמנופח 90. יש נקודה שהיא האופטימאלית מבחינת החיכוך המתגלגל. החיכוך המתגלגל עולה מהר יותר בצד של הצמיגים המנופחים מאד, ולכן עדיף לטעות כלפי מטה מאשר כלפי מעלה. 

רוחב צמיגים

באופן תיאורטי, ככל שצמיג יותר רחב הוא מתעוות פחות. ככל שצמיג רחב יותר כך ה-CRR נמוך יותר אך היתרון השולי של זה הולך ופוחת. אז למה לא לרכב עם צמיגים של טרקטור? הסיבה לכך היא האווירודינאמיות. צמיג רחב מאד יהיה מאד לא אווירודינאמי ולכן יסע לאט יותר בסופו של דבר. (נזכיר האווירודינאמיות משמעותית יותר מהחיכוך המתגלגל)

הצמיג עובד יחד עם החישוק וביחד הם מייצרים סוג של כנף ולכן חשוב מאד להתאים את הצמיג לרוחב החישוק. חשוב לזכור שיש להתאים את לחץ הצמיג לנפח הצמיג ולזכור שנפח הצמיג מושפע בעיקר מרוחב החישוק, יותר מאשר מרוחב הצמיג. לצמיג של 23 על חישוק רחב יהיה נפח גדול יותר מאשר צמיג של 25 על חישוק צר. הרוחב של החישוק יותר משפיע על הנפח, ולכן על לחץ הצמיג, מאשר רוחב הצמיג עצמו. 

כאשר אנחנו מדברים על נפח אנחנו מתכוונים לכמות האוויר שנכנסת לתוך הצמיג. בעצם, צמיג שישב על חישוק צר, הנפח שלו יהיה יותר נמוך ולכן שם אנחנו נרצה לנפח אותו יותר. ככל שיש פחות נפח זה דורש יותר לחץ. יותר מזה, אם מדברים על אווירודינאמיות, מאד חשוב להתאים את רוחב הצמיג לרוחב החישוק. גלגל צר דורש צמיג צר ועל גלגל רחב יותר אפשר לשים צמיג רחב יותר. היום רואים חישוקים ממש רחבים שמתאימים לצמיגים של 25-26 מ״מ. בעבר לעומת זאת היו צמיגים מאד צרים של 17 מ״מ שהתאימו לצמיגים של 20-21. בחישוק צר כדאי לשים צמיג צר. כאשר הכבישים סבירים אפשר לנפח את הצמיגים לנפח גבוה והם יעבדו בסדר, אבל הבעיה מתחילה בכבישים משובשים. לעולם אל תשימו צמיגים של 25 או 28 על חישוקים צרים. 

כמה גלגלים מייצרים היום שהם צרים? עדיין יש לא מעט גלגלים צרים. הרבה גלגלי אלומיניום, מהזולים יותר בוודאי, הם צרים. עליהם לא כדאי לשים צמיגים רחבים. יש חוק אצבע שאומר שהרוחב האמיתי, הרוחב המדוד של הצמיג, צריך להיות טיפה פחות מרוחב החישוק. רוחב החישוק צריך להיות כ-105% מרוחב הצמיג. יחד עם זאת, למרות ששתי חברות יכולות לייצר צמיג 23, הרוחב האפקטיבי יכול להיות שונה. 

כבישים משובשים

בכבישים משובשים חשוב מאד להוריד את הלחץ בצמיגים. יש לחץ אופטימאלי שמעליו הצמיג מתחיל לקפוץ ודורש יותר אנרגיה. חשוב להתאים את הלחץ שלנו לכביש. בכביש משובש, תלוי בנפח הצמיג ובמשקל הרוכב, זה לא מופרך להיות בלחץ של 80 ואפילו פחות. דרך להגיע ללחץ האופטימאלי זה להוריד לחץ מהצמיגים בקפיצות של 5 PSI עד שהצמיג מתחיל לברוח לנו ולברוח בפניות. ואז להוסיף 5 PSI על מנת להגיע ללחץ האופטימאלי.

במירוץ בפאריז רובה לדוגמה רוכבים עם צמיגים מאד רחבים של 28 ואפילו 30. שם, בגלל שהשטח כל כך קשה, האווירודינאמיות משחקת פחות תפקיד והם הולכים לכמה שיותר רחב ונמוך. הם רוכבים בסביבות ה-70 psi. 

האם עדיף לשים צמיג רחב מקדימה או מאחורה? 

מקדימה האווירודינאמיות שלנו הרבה יותר חשובה מאשר בצמיג האחורי. מאחורה יש לנו קצת יותר משקל ולכן החיכוך המתגלגל יותר חשוב מאחורה. עדיף לשים צמיג צר מקדימה וקצת יותר רחב מאחורה. אלון שם 23 בשני הגלגלים. 

יש קשר בין הצמיג לגלגל. היום הגלגלים הכי מתקדמים נבנים לטובת צמיג ספציפי. הגלגל והצמיג עובדים כיחידה אחת, מייצרים את החישוק כך שיתאים לצורה של הצמיג. פלו מייצרים את הגלגלים שלהם סביב ה-GP4K לדוגמה ואפשר לראות דוגמאות דומות בחברות אחרות. אפשר כמובן להחליף לצמיגים אחרים, אבל הגלגלים נבנו באופן ספציפי עבור צמיג מסויים. 

כמה לנפח?

כמה לנפח תלוי במשקל הרוכב, ברוחב הצמיג שמושפע גם מרוחב החישוק, וגם במשטח שאנחנו רוכבים בו. זה לא תמיד פשוט למצוא את האופטימאלי, אם אנחנו קופצים על הכביש זה אולי מרגיש מהיר אבל זה לא דבר טוב. מרצדס שנוסע ב-200 קמ״ש לא מרגיש כל כך מהיר, לעומת מכונית טרנטה שתיסע 90 וזה מרגיש נורא מהיר. הסיבה לכך היא כמות הקפיצות באוטו הטרנטה. כבני אדם לא נועדנו לנוע במהירויות כל כך גבוהות וקשה לנו להבדיל בין מהירויות גבוהות. אנחנו נעזרים ברטט על מנת להעריך את המהירות וזו לא הצורה הנכונה, אפילו שזה מרגיש מהיר יותר, זה לא מהיר יותר. קשה להרגיש שיפור שנובע מצמיגים או מאווירודינאמיות. יש טבלאות שונות שמראות לפי רוחב הצמיג ומשקל הרוחב כמה לנפח. בכבישים טובים זה מחזיק די טוב ובכבישים פחות טובים כדאי להוריד לחץ עד שמתחילים להרגיש לא בטוח ומוסיפים 5 PSI. 

אצלנו בקבוצה יש סשן לפני המירוץ עם אלון שבו הוא שואל מה המשקל שלך, ומה המשטח מחר וכו׳ ועל בסיס זה אנחנו מנפחים את הגלגלים. 

שאלות מקהילת הסיבולת של טריין ביי סיינס בפייסבוק

שאלה: מה עדיף קלינצ׳ר טיובלס טיוביולאר?

תשובה: ברמה הבסיסית אין הבדל גדול בין 3 סוגי הצמיגים. אפשר למצוא צמיגים מצויינים בשלושת הקטגוריות וגם צמיגים מחורבנים בשלושת הקטגוריות. הרבה יותר חשוב לבחור צמיג טוב מאשר סוג של צמיג. יש יתרונות וחסרונות לכל אחד והדברים האלה הרבה יותר מעשיים ממהירות. טיוביולאר צריך להדביק ולחכות. בטיובלס יש חשש לחתך שדורש להחליף את הצמיג שזה יקר. בקלינצ׳ר בד״כ הגלגל קצת יותר כבד. בניגוד לדעה הרווחת  שטיוביולאר הכי מהיר, זה לא באמת המצב. עם אותו צמיג אפשר להגיע פחות או יותר לאותה מהירות ויעילות בכל שלושת האופציות. למרות שאפשר לנפח טיוביולאר ללחצים מאד גבוהים, לא כדאי לעשות את זה כאשר רוכבים בכביש. טיוביולאר כדאי לנפח כמו שמנפחים סוגי צמיגים אחרים. 

שאלה: מה ההבדל בין פנימיות שונות? לאטקס ובוטיל

תשובה: פנימיות לאטקס העשויות מחומר אחר מאשר פנימיות בוטיל, הן הרבה יותר יעילות. זה כמו ההבדל בין צמיג רך לצמיג קשיח. פנימית לאטקס רכה יותר וחוזרת למקום עם פחות עיוותים. זה הבדל של 3-5 וואט לסט פנימיות. אלון תמיד מתחרה על פנימיות לטקס. הן דורשות קצת יותר מיומנות ומתפנצ׳רות בקלות מ-pinch flat, צריך לשים את הסרט חישוק בצורה נכונה. אם עושים את הכל נכון הן לא פחות עמידות מפנימיות בוטיל רגילות. פנימיות לאטקס מאבדות לחץ מהר יותר מאשר בוטיל, הן פחות שומרות לחץ. כמו כן, אסור להשתמש ב-CO2 עם פנימיות לאטקס כי המולקולות של CO2 קטנות יותר. 

שאלה: גלגל קל או גלגל אווירודינאמי?

תשובה: כמעט תמיד אווירודינאמיות. בשיפועים מאד תלולים כמו במעלה העקרבים או חלק מהסטייג׳ים בוואלטה חשוב להאבק על כל גרם, המהירויות מאד נמוכות. אבל בעליות פחות משופעות כמו בבית גוברין אווירודינאמיות יותר חשובה. באליפות ישראל בחץ הצפון זה 50-50 אבל באופן כללי עדיף גלגל קצת יותר כבד וואוירודינאמי. 

שאלה: איזון גלגלים – כאשר יש בצד אחד ונטיל בגלגל שיש לו משקל קטן ובצד השני אין משקל שיאזן אותו – האם זה חשוב?

תשובה: איזון גלגלים עוזר קצת אבל לא הרבה. יש מוצר של חברת סילקה ששמים בצד השני מול הונטיל וזה מאזן את המשקל של הגלגל. ברגע שהגלגל כבר מתגלגל, התועלת של זה מאד נמוכה. 

שאלה: כמה לנפח בשטח?

תשובה: השטח זה עולם בפני עצמו. כאן מסתכלים בעיקר על אחיזה שזו סוגייה פחות משמעותית בכביש. מסתכלים הרבה פחות על אווירודינאמיות, לא בגלל שזה פחות חשוב אלא בגלל שהאחיזה כל כך חשובה בשטח. במסלול טכני חשוב לשים כמה שפחוץ לחץ. ממש עד שכמעט מסכנים את הגלגל. כך תהיה לנו יותר אחיזה וניסע מהר יותר. לעומת זאת בכבישים לבנים כדאי לשים יותר לחץ בתלות ברוחב ולהגיע ל-30-40 פדן וזה יהיה יותר מהיר. אם יש מסלול גם עם קטעים לבנים וגם טכניים אולי כדאי להוסיף כמה PSI בודדים אבל לא יותר מזה. 

שאלה: תכלס כמה הבדל יש בין גלגל טוב לא טוב ומעולה?

תשובה: יש כמה דברים פה. אחד הנושא של האווירודינאמיות והשני של חיכוך מתגלגל. בנושא של החיכוך מתגלגל יש יתרון מאד מובהק לגלג רחב יותר. יש גלגלים רחבים שהם לא יקרים וזה כדאי. מעבר לזה, העניין של אווירודינמיות, ההבדל בין גלגל ממש לא טוב לגלגל מצויין זה מאד משמעותי ברמה של 10 וואט או יותר. יש גלגלים שאנשים מתייחסים אליהם כטובים כמו למשל הפולקרום 0 או השאמאל שהם מבחינת אווירודינאמיות לא יותר טובים מגלגל רע. לעומת זאת יש גלגלים שהם זולים יחסית כמו הפלו 45 שהוא גלגל מדהים וכמעט ברמה של הגלגלים הכי טובים של זיפ ושל אנבה וכו׳. מאד תלוי למה קוראים גלגל טוב. הרבה פעמים לרוכבים יש נטייה לקנות גלגלים בגלל החברה של הגלגל, ואפילו החברות הכי מפורסמות לא בהכרח מייצרות גלגלים מדהימים. הרבה פעמים עדיף למכור את הגלגלים האלה ולקנות גלגל זול יותר ומהיר יותר. 

שאלה: חומרים של גלגלים – כמה זה משמעותי?

תשובה: לחומר עצמו אין הרבה משמעות. מה שחשוב זה המשקל, הצורה והרוחב. אפשר ליצור גלגלים יחסית קלים ובטח אווירודינאמיים מאלומיניום. היתרון של קרבון שהוא יותר קל, יותר קל להגיע לצורה הרצויה ולכן בטח בגלגלים עמוקים יותר נפוץ יותר למצוא גלגלי קרבון. ולכן באופן כללי גלגלים מקרבון הם יותר אווירודינאמיים. אבל זה תוצאה מזה שהם רחבים ועמוקים יותר מאשר החומר עצמו.

שאלה: מה ההבדל בין צמיגי גייטורסקין לג׳יפי 5000 בוואטים?

תשובה: זה הבדל לא קטן. זה יכול להגיע בקלות להבדל של 30-35 וואט לשני גלגלים על רוכב במהירויות של קצת מעל 40 קמ״ש במשקלים של 65-70 ק״ג.  כלומר במקום 300 הרוכב נוסע 265 – 270. אלון מתייחס לאנשים שמזנקים עם גייטורסקין כאילו הם מזנקים עם פנצ׳ר. 

שאלה: עם איזה צמיג כדאי לי להתחרות?

תשובה: זה קצת שנוי במחלוקת. האם עדיף צמיג מהיר ועמיד או ללכת על הצמיג הכי מהיר גם אם הוא פחות עמיד. אלון מעדיף את הצמיגים הכי מהירים שהוא מוצא. היום זה הויטוריה קורסה ספיד. הוא עשה שתי עונות של תחרויות עליו והיו לו מעט מאד פנצ׳רים. בד״כ מסלולים של תחרויות מנוקים לפני והוא מנסה לא להיכנס לבורות אבל יש שמעדיפים את הג׳יפי 5000 שהוא קצת יותר עמיד ואווירודינאמי לעומת משהו כמו הויטוריה קורסה ספיד. אם רק מסתכלים על הוואטים אז הקורסה ספיד יותר מהיר. זזה הבדל של 3-5 וואט.

על מנת לחשב את ההבדל בוואטים בין צמיגים שונים משתמשים בנוסחה שלוקחת את ה-CRR של הצמיג שאפשר למצוא במקומות שונים באינטרנט כמו ב-bicycling rolling resistance או באתר של tom anhalt. על בסיס לחץ הצמיגים מוצאים את ה-CRR ומכפילים במשקל שלנו (כולל הציוד), בגרביטציה (9.81) ובמהירות במטרים לשנייה. כלומר ב-40 קמ״ש מדובר ב-11.1 מטר לשנייה. CRR כפול מהירות במטר לשנייה כפול המשקל בק״ג של הרוכב והציוד כפול המהירות. CRR X V (M/S) * g * M

לדוגמה, אני שוקל 80 ק״ג עם הציוד והכל כפול 11.1 שזה המהירות כפול הגריבטציה (9.81) כפול ה-CRR של הצמיגים 0.00332 כלומר 28 וואט בכבישים חלקים (0.032*9.81*11.1*80). יש 28 וואט שאני צריך להתנגד להם , זה החיכוך המתגלגל. וזה עדיף מאשר מצב של 60 וואט בה בהם אני צריך להתנגד לכמות הזו של הוואטים. 

אלון רוצה לציין שאפשר לחשוב על ה-CRR בצורה דומה לשיפוע שגם משפיע בצורה ליניארית. צמיג שיש לו 0.003 ב-לֹ זה דומה ללרכב בשיפוע של 0.3 אחוז יותר כל הזמן. במירוץ של 100 ק״מ אם אני רוכב על גייטורסקין זה כאילו אני רוכב 300 מטר יותר מאשר מישהו שרוכב על צמיגים של 5000. 

תודה רבה לאלון שהשתתף בפרק הפודקאסט! לשאלות נוספות אתם מוזמנים לפנות אליי ב-dror@trainbyscience.com