Примерно всё про шоссейные колеса. Часть 1

Александр Баранчиков подготовил монументальный текст про шоссейные колеса. Разделили его на две части: в первой речь пойдет про ободы, а во второй — про втулки и спицы.

Оглавление:

Часть I. Ободья, они же óбоды

1. Сопротивление качению

2. Аэродинамика

3. Вес

4. Торможение

Велосипедные колеса в основном состоят из ободов, втулок и спиц с их ниппелями. Для установки колес на велосипед также понадобятся покрышки, эксцентрики/оси, бескамерные ниппели или камеры, кассета и, возможно, ободная лента с герметиком.

I. Ободья, они же óбоды

Наши усилия на велосипеде идут на преодоление трех основных сил: сопротивления качению, аэродинамики и гравитации (веса). Все три фактора следует учитывать при выборе обода.

1. Сопротивление качению

TL/DR: бескамерка — решает. Обод лучше без отверстий на обратной стороне (tubeless без приставки -ready, он же UST). Ободы без зацепов (hookless) на шоссе не нужны. Предпочтительная внутренняя (не путать с внешней) ширина обода — от 19 мм. Оптимально 21 мм. На дисковых тормозах можно и 23–25 мм.

Сопротивление качению совсем не зависит от параметров обода. Но очень зависит от покрышки (которая так или иначе ставится на обод). А при выборе покрышки надо учитывать ее характеристики, которые зависят и от обода. Так что будем рассматривать всё сразу.

Сопротивление качению легко измеряется и зависит от скорости и нагрузки линейно. Это позволяет сопоставлять результаты разных испытаний. Я отталкиваюсь от расширенных данных bicyclerollingresistance.com (доступны по платной подписке), а также согласующихся с ними исследований ресурсов AeroCoach, In The Know Cycling и др.

Сопротивление покрышки находится в обратной зависимости с ее проколоустойчивостью. Самые быстрые покрышки — самые колющиеся. Считаю, что не имеет значения, сколько ватт/секунд вы сэкономили за счет накатистой резины, если прокололись и теряете из-за этого минуты (а также свою группу или, по крайней мере, терпение ее участников).

При этом самые проколостойкие покрышки — по сравнению с самыми быстрыми — создают дополнительные затраты в 20–30 ватт на скорости 30 км/ч. Это очень много. Поэтому хорошо бы найти такое решение, при котором мы будем как можно реже прокалываться, но и без запаса прочности (который снижал бы скорость).

А) Бескамерка

Лучший способ на сегодня — установка покрышек бескамерно с герметиком.

Возьмем быструю «готовую» к бескамерности (tubeless-ready) или истинно бескамерную (tubeless — отличается тем, что можно ставить и без герметика) покрышку. Сама по себе она не очень проколоустойчива, но герметик это исправит. Тут есть три важных момента.

Во-первых, большинство герметиков плохо работают на шоссейных давлениях. По многим отзывам лучший (на начало 2022 года) — Orange Seal (чаще рекомендуют Endurance, но и Regular хорош). На втором месте — Stan’s Race (именно Рейс, а не обычный). Третьего места нет, выбираем из этих.

Во-вторых, герметик работает тем лучше, чем толще покрышка. Например, самая быстрая по результатам тестов Vittoria Corsa Speed G+ 2.0 (TLR) — всего 1,8 мм толщиной, а вторая* по скорости Continental Grand Prix 5000 TL — ужé 2,8 мм. Она будет герметизироваться гораздо лучше.

В-третьих, герметик надо периодически менять. Минимум — раз в сезон. Официальная рекомендация, например, по Orange Seal Regular — каждые 30–45 дней (грустный смайлик).

Пользуясь случаем, замечу, что оптимальное количество герметика — 30 г на 25-мм покрышку. Можно больше, но немного увеличивается сопротивление качению без особых преимуществ (если только герметик не слишком густой, но наши не такие). Тридцать граммов герметика добавляют около ватта сопротивления на колесо (2 вт на оба), что несущественно.

Отдельное преимущество бескамерки — возможность снизить давление. По общему правилу, чем ниже давление, тем меньше вероятность проколоться о внешний острый объект, но выше вероятность «змеиного укуса» — двойного прокола камеры об обод при наезде на тупой объект. Установленные бескамерно покрышки последнему не подвержены. Это позволяет ездить на пониженном давлении, что особенно актуально на плохом асфальте или гравии.

Если к постоянной возне с заменой герметика вы не готовы, расклад по камерам такой:

• сопротивление латексной камеры (50–80 г) сравнимо с сопротивлением герметика (пара ватт на пару колес); у нее средняя (из камер) проколоустойчивость; но она травит воздух так быстро, что подкачивать приходится перед каждым выездом;

• облегченная (25 г) термопластиковая (TPU) камера сравнима с латексной и не травит воздух, но не подходит к ободным тормозам; у обычной (40 г) TPU-камеры немного выше сопротивление качению (~4 вт на оба колеса), но и проколоусточивость выше; ее можно использовать с ободными тормозами; пожалуй, это оптимальный вариант камер; самый популярный бренд — Tubolito;

• облегченная (40–60 г) бутиловая (т.е. из стандартного материала) камера сравнима с обычной термопластиковой, но гораздо легче прокалывается. Зато дешево. Стандартная бутиловая камера весит 110–150 г и дает до 8 вт сопротивления, что уже многовато.

* — я не учитывал Schwalbe Pro One TT TLE Addix (потому что у нее всё не очень со сцеплением — фактор, не затронутый в этой статье, но от этого не менее важный) и Vittoria Corsa Speed G+ 1.0 (TLR), старую версию самой быстрой покрышки, испытанную в ширине 23 мм (тогда как почти все остальные — 25–26 мм, что делает результаты сравнения не совсем корректными).

Б) Тип обода

Существуют следующие типы ободов:
1) под трубку (tubular),
2) под камеру (tube),
3) «готовые» к бескамерности (tubless-ready),
4) истинно бескамерные (tubeless, в народе UST).

Первые два не рассматриваем: это либо для спортсменов с несколькими сменами колес в техничке, либо виды на грани вымирания, либо Шмольке для энтузиастов. Что касается бескамерных ободов, они бывают классическими, с зацепами (hooked) и без зацепов (hookless). См. изображение (а) ниже.

Последние для использования на шоссе я бы не рекомендовал. Они не дают практически никаких преимуществ (разве что — такой обод проще изготовить легким, хотя классический может быть не хуже, если немного постараться), но имеют существенные недостатки:
• исключительно бескамерка — если вы проколетесь так, что не сработает герметик, вставить камеру и поехать дальше не получится;
• ограничен выбор покрышек и есть сложности с совместимостью конкретных моделей резины с конкретными ободами;
• нельзя качать высокое давление; даже при небольшом превышении довольно низких максимальных значений (~70 psi/5 bar) покрышку срывает с обода — хоть в покое, хоть на ходу. Опасность при катании в высокогорных регионах предлагаю оценить самостоятельно.

Истинно бескамерные ободы отличаются от «готовых» тем, что в них отсутствуют отверстия с обратной стороны обода (внутри покрышки) для доступа к ниппелям спиц. Из-за этого сложнее изначально собирать колесо, но не нужно беспокоиться впоследствии о замене ободной ленты. А как завещал про нее Ильич: «Когда ты спускаешься на 90 км/ч где-нибудь в Альпах, твоя жизнь зависит от куска […] изоленты и того, как хорошо ты ее приклеил».

В) Внутренняя ширина обода

На заре шоссейного велоспорта стандартной шириной покрышки считалась 19 мм. Потом — 21, 23. Сегодня это 25 мм — но любители, а в отдельных случаях и профессионалы, используют и 28, и 30+ мм: для большего комфорта и/или для лучших ходовых характеристик на специфичном покрытии (как, например, брусчатка на знаменитой гонке Париж — Рубе).

Существуют стандарты ETRTO по совместимости покрышек и ободов различной ширины. На 2022 год они безнадежно устарели. Как минимум, на момент их утверждения 28–30 мм даже не считались шоссейной шириной — составители держали в голове скорее городские или туринговые велосипеды, которые испытывают совсем другие векторы сил и т.д.

Производители ободов и покрышек за это время изменили материалы, конструкцию, геометрию — вообще всё. Стандартами допускается поставить 32-мм шоссейную покрышку на обод с внутренней шириной 15 мм (в этом разделе вообще не затрагивается внешняя, так что далее — просто «ширина») — что по сегодняшним меркам попросту даже небезопасно.

Проанализировав рекомендации разных производителей, исследования, тесты, я рекомендовал бы следующие комбинации (но всегда сверяйтесь с рекомендациями производителя своих покрышек):
• 23-мм покрышки на ободе 19 мм или хотя бы 17 мм — для максимальной скорости;
• 25-мм покрышки на ободе 21 мм или хотя бы 19 мм — как самый универсальный вариант;
• 28-мм покрышки на ободе 23 мм** или хотя бы 21 мм — для большего комфорта;
• на дисковых тормозах — покрышки шириной 30+ мм для максимального комфорта (в ущерб скорости и управляемости на асфальте).

Не указываю ширину обода для резины 30+ мм, поскольку найти ободы с шириной более 25 мм непросто. Поэтому покрышки такой ширины будут компромиссом в части аэродинамики (об этом ниже) и работы интерфейса покрышка-обод в скоростных поворотах.

Тут надо оговориться, что номинальный размер покрышки почти всегда будет меньше ее реальной ширины, которая увеличивается по мере роста ширины обода. Даже на ободе относительно небольшой ширины 17,8 мм, который исторически используется для тестов на сайте bicyclerollingresistance.com, подавляющее большинство покрышек сидят шире номинального размера (и вообще ни одна клинчерная покрышка не сидит ýже номинала).

Конструкция покрышек для улицы предполагает наличие более толстой (и в какой-то степени защищенной от проколов) центральной части и более тонких, незащищенных боковин. При этом ширина защищенной части может разниться. Например, у уже упомянутой самой быстрой бескамерки Vittoria Speed G+ 2.0 на защищенный протектор приходится всего 35,7 % от общего обхвата покрышки. Остальное — боковины толщиной всего 0,85 мм.

Это означает, что если вы натянете эту покрышку шириной 25 мм на обод шириной 21 мм (что вообще-то является самым оптимальным сочетанием), боковины будут постоянно соприкасаться с асфальтом, существенно увеличивая и без того высокую вероятность незалепляемого герметиком прокола на этой резине. У той же Conti GP 5000 TL этот показатель уже 40,9 %, и такой проблемы нет.

** — такое сочетание может уже не влезть в ободные тормоза (особенно обычные, не direct-mount) или влезть с минимальными зазорами, от которых будут постоянные проблемы: трение резины о клещи тормозов при появлении незначительных восьмерок на колесе, забивание малейшей грязью и др.

2. Аэродинамика

Аэродинамичность обода многими считается самой важной его характеристикой. (Очевидно, гораздо важнее всё же способность функционировать, не разваливаясь и обеспечивая эффективное торможение — о чём будет ниже.) Это связано с тем, что влияние аэродинамики растет со скоростью прогрессивно, а верхняя часть колеса всегда движется в целых два раза быстрее самогó велосипеда относительно воздушных масс.

При этом с аэродинамикой всё очень непросто. Реальные аэродинамические силы сложно моделировать и измерять, поскольку они нелинейно зависят от скорости и при этом постоянно меняют углы и интенсивность воздействия на разные части велосипеда: из-за изменчивости ветра, воздействия других объектов. В контексте колес это движущиеся ноги велосипедиста, а раз мы на шоссе — проезжающие мимо автомобили, другие велосипедисты в группе и проч.

Большинство аэродинамических исследований вызывают вопросы об их практической применимости к езде отдельно взятого велосипедиста в конкретной местности. Полученные данные не масштабируются и практически не сопоставимы с другими исследованиями. Это усугубляется тем, что большинство тестов проводятся производителями, которые могут подстраивать методику так, чтобы их продукты представали в лучшем свете.

Кажется, самое полное и репрезентативное независимое (будем надеяться) исследование опубликовано небезызвестным инженером-правдорубом Хамбини. В нем протестирована выборка из аж 50 моделей колес разных уровня и актуальности — от популярного и относительно недорогого карбона от китайских фабрик до топовых колес Enve, Zipp и Hed. Описана весьма прогрессивная методика, по поводу которой, однако, не утихают споры.

Любопытно, что в исследовании утверждается: велосипедист вряд ли ощутит разницу между разными колесами в 10 ватт сопротивления, но уже 15 ватт начинают чувствоваться. При этом на скорости 30 км/ч преимущество самого быстрого колеса из исследованных над самым медленным составило 19 ватт. Исследовались колеса в широком диапазоне от неглубоких 30-миллиметровых образца 2013 г. до современных глубоких 90-миллиметровых.

То есть, на обычных для любителя скоростях разница между большинством карбоновых колес будет менее заметной, чем между покрышками разного класса… В том же исследовании есть и данные на скорости 50 км/ч, где разрыв в сопротивлении колес достигает 74 ватт. Основная масса исследований проводится на подобных скоростях — и выводы получаются более кардинальными. Очевидно, такой скоростной сценарий актуален далеко не для всех.

В качестве лирического отступления замечу, что аэродинамичность рамы имеет еще меньшее значение. Что действительно важно: позиция ездока на велосипеде, продиктованная гибкостью первого и геометрией последнего (чем ниже и ýже руль — тем аэродинамичнее), крой, посадка и материалы одежды (джерси и бибов — они же веломайка и велотрусы). И да, гораздо больший аэродинамический эффект в соотношении к стоимости — по сравнению с колесами и рамой — можно получить от правильных шлема и бахил/носков.

Приведу результаты исследования с различными положениями рук на руле опытного велосипедиста с хорошо настроенной посадкой. На скорости в 30 км/ч переход с пистолетов (пультов) на низы (дропы) снижает сопротивление на 5–10 вт; позиция на согнутых под 90° руках дает преимущество в 10–15 вт. Установка насадки (аэробаров) позволяет сэкономить 15–20 вт, но добавляет 5 вт сопротивления в обычной позиции (очевидно, из-за завихрений вокруг самого лежака). Подстройкой позиции можно выиграть больше, чем за счет лучших колес.

Так или иначе, существует три основные характеристики обода, которые существенно влияют на его аэродинамичность.

А) Глубина обода

Более глубокое колесо будет с высокой вероятностью более аэродинамичным — даже если оно проигрывает более мелкому по другим двум характеристикам. Минусов у очень глубоких колес три с половиной: вес (о нём еще поговорим отдельно), стоимость (тут всё понятно) и езда при боковом ветре.

На последний фактор влияет бóльшая парусность колес с более глубоким профилем. Резкие порывы бокового ветра могут поворачивать переднее колесо, что делает езду на таких колесах — в зависимости от навыков велосипедиста, скорости, силы ветра — от несколько нервной до довольно опасной. В любом случае, обладателям глубоких колес не стоит на скорости убирать руки с руля.

Заднее колесо гораздо менее чувствительно к боковому ветру (поскольку не поворачивается). Но и делать его более глубоким смысла немного, поскольку оно в целом влияет на аэродинамику значительно меньше переднего. Тем не менее, встречаются вилсеты с большей глубиной заднего колеса относительно переднего, что дает небольшой прирост аэродинамичности при не столь нервном поведении в ветренную погоду.

Оптимальным диапазоном глубины ободов для группового шоссейного велосипеда считается 40–60 мм. Менее глубокие колеса имеют смысл для езды в довольно крутую гору (7–10 % и более). Более глубокие нацелены на триатлонистов и раздельщиков (участников гонок с раздельным стартом).

Вышеупомянутая половина недостатка глубоких колес как раз связана с их внешним видом. Кто-то считает очень глубокие колеса красивыми, но их вид на велосипеде для групповой езды — в противовес триатлонному/разделочному — является неканоничным и противоречит представлению многих о прекрасном.

Б) Сечение обода

Лучше всего, чтобы обод был тороидальной формы; в сечении напоминал бы овал — 0 — с отрезанным верхом/низом. То есть расширялся бы от покрышки, а потом плавно закруглялся в месте прикрепления спиц. Заострённые (V-образные и яйцевидные) ободы и те, у которых самая широкая часть находится на границе с покрышкой (в том числе закругленные, U-образные) — устарели с точки зрения аэродинамики.

Левые и правые спицы заднего колеса расположены несимметрично. Поскольку справа от задней втулки находится кассета, там не остается достаточно места, чтобы вынести фланец втулки правее. В результате — в случае довольно мелкого обода — правые спицы входят в него под неоптимально большим углом. Ассиметричные ободы призваны решать эту проблему. Это почти неактуально для глубоких ободов, поскольку угол входа спиц в них меньше в силу банальной геометрии.

В) Внешняя ширина обода

Все имеющиеся исследования приходят к выводу, что внешняя ширина обода должна быть не меньше реальной ширины покрышки (помним, что она больше номинальной). По выводам некоторых исследователей предпочтительно, чтобы обод был на 5–10 % шире покрышки, тогда как другие утверждают, что лучше иметь обод и покрышку одинаковой ширины. Даже последние согласны, что чуть более широкий обод предпочтительнее немного более узкого.

Реальная ширина покрышки, как правило, становится известна уже после ее установки на конкретный обод и накачки до целевого давления. В любом случае покрышка на ободе с оптимальной внутренней шириной будет сидеть значительно шире номинального размера. С учетом этого я утверждаю, что внешняя ширина обода должна составлять не менее 110 % от номинальной ширины покрышки.

Важно оговориться, что речь идет про внешнюю ширину обода на его границе с покрышкой. При этом максимальная ширина современного обода аэродинамичной формы будет больше за счет его тороидальной формы. На изображении (а) выше — обод с внешней шириной 28 мм и максимальной шириной 30 мм. Этот обод является оптимальным для покрышек номинального размера 25 мм (в том числе и по внутренней ширине).

С точки зрения аэродинамики более узкая покрышка всегда выигрывает у более широкой. Поэтому самым аэродинамичным вариантом — хоть и в ущерб комфорту — будет 23-мм покрышка на ободе с внутренней шириной 19 мм и внешней 26 мм. Правда, выбор 23-мм бескамерных покрышек весьма ограничен, а хорошая 25-мм покрышка, вероятно, всё равно отыграет незначительные потери в аэродинамике за счет лучшего наката.

3. Вес

Когда уже вовсю существовал шоссейный велоспорт, но у человечества еще не было такого количества и качества знаний об аэродинамике, вес был практически единственным критерием для оценки компонентов. В последние годы все поняли, что аэродинамика важнее, и стали сравнивать преимущества от ее улучшения с таковыми от снижения веса.

В результате всё чаще звучат утверждения, что вес чуть ли не ничего не значит: со ссылками на результаты тестов, оценивающих влияние аэродинамики и веса на постоянно поддерживаемую скорость (в таком сценарии вес и правда играет незначительную роль — даже на умеренных подъемах в гору).

В реальности вес, разумеется, имеет значение. И из всех мест велосипеда именно вес ободов (и покрышек) имеет самое большое значение. (Хотя, как и на гибкость/посадку в случае с аэродинамикой, имеет смысл в первую очередь обращать внимание на собственный вес. Сбросить пару килограммов с талии для большинства любителей будет полезнее, чем пару сотен граммов с колес.)

Во-первых, колесо — это маховик, который нам приходится раскручивать при каждом разгоне велосипеда. Этого не видно в тестах, проводимых на постоянной скорости. Но это очень сильно влияет на ощущения от велосипеда. Велосипед, который легко разгонять, ощущается быстрым. От езды на нем получаешь больше удовольствия.

Во-вторых, хотя у большинства шоссейных велосипедов и отсутствуют амортизаторы, вся конструкция велосипеда (вилка и руль с выносом, перья рамы и подседельный штырь) амортизирует неровности, выступая упругим элементом между велосипедистом и колесами. Таким образом, вес колес является неподрессоренной массой — и, следовательно, влияет на плавность хода. То есть, опять же, ощущения от езды.

Есть ли недостатки у легких колес? Поскольку мы говорим о современных глубоких карбоновых ободах, беспокоиться об их жесткости обычно не приходится. Проблемы с жесткостью глубоких колес чаще возникают на уровне интерфейса втулка-спицы (о чём будет сказано ниже). Что же касается ободов, обратной стороной веса выступает их стоимость и/или прочность.

Обычно в ободах используется карбон T700, а в более легких — еще и более жесткий T800, чтобы компенсировать меньшее количество материала. (Карбон T1000 считается даже слишком жестким для велоободов.) Это увеличивает стоимость колеса, а также потенциально делает его более хрупким. Обычно для таких колес заявляется меньший максимальный вес.

Вес карбоновых ободов при увеличении их глубины меняется нелинейно. Масса средненького 40-мм обода — 450 г, а 60-мм — 500 г. Разница в 50 граммов (чуть больше 10 %) стóит более чем 30-процентного прироста глубины.

Совсем неглубокие карбоновые ободы — экзотика, и весят они не так мало, как можно было бы надеяться. Найти более-менее легкие колеса с профилем 80 мм уже проблематично, а колес глубже 90 мм и вовсе почти не встречается (если не считать сплошные диски для трека/триатлона).

Некоторые производители колес встраивают в обод противовес с обратной стороны от отверстия под ниппель. Я никогда не замечал необходимости в балансировке велосипедных колес и не встречал никаких исследований на эту тему. Зато знаю, что даже у дорогих покрышек бывают неравномерности толщины компаунда, которые приводят к разбросу веса одной и той же модели в одинаковой ширине, порою, в десятки граммов. Это наводит на мысль, что балансировка колес является скорее маркетинговым преимуществом.

4. Торможение

На дисковых тормозах ободы не оказывают влияния на торможение. На ободных, очевидно, наоборот.

Считается, что карбоновые ободы тормозят хуже алюминиевых, особенно в дождь. Характерный опыт — полное отсутствие торможения по мокрому в течение пары секунд (за которые человек успевает как следует испугаться), а потом резкое появление тормозной силы, сравнимой с торможением по сухому.

Это связано с образованием водяной пленки между колодками и тормозной дорожкой, с которым призваны бороться насечки на последней. Ободы с насечками издают довольно громкий звук при торможении (что может быть даже плюсом при езде в группе), а также могут приводить к ускоренному износу колодок.

По опыту многих, карбоновые тормозные дорожки оказываются ничуть не хуже алюминиевых — по крайней мере по сухому — при использовании подходящих тормозных колодок. Лучше всего использовать те колодки, которые предлагает производитель ободов. Практически универсальным вариантом являются колодки Swiss Stop — желтые (Yellow King) или с желтыми надписями по черному (Black Prince). У первых лучше интенсивность торможения, у вторых — модуляция.

Нельзя не отметить, что предубеждения против ободных тормозов в общем и с карбоновыми ободами в частности могут быть вызваны тем фактом, что на рынке присутствует много клещевых тормозов, не обладающих достаточной жесткостью и/или рычагом. Не буду приводить негативные примеры, ограничившись лишь замечанием, что тормоза Shimano серий 105, Ultegra и Dura-Ace показывают себя лучшими в тестах и точно не станут узким местом в тормозной системе.

Современные ободы большой ширины могут не помещаться в клещевые тормоза, по крайней мере, с достаточными зазорами (малые зазоры не рекомендуются, поскольку даже идеально ровное колесо может задевать колодки в поворотах и при педалировании стоя). Для таких случаев те же Свисс Стоп выпускают колодки меньшей толщины.

Существует ряд стереотипов, что карбоновые колеса при интенсивном торможении перегреваются и расслаиваются и т.п. Такое действительно бывало в прошлом, но сегодня можно об этом не беспокоиться — тормозные дорожки всех приличных ободов давно делаются из карбона на специальном (высокотемпературном) составе смолы и с подходящим плетением и укладкой волокон, чтобы ничего такого не могло произойти при нормальной эксплуатации.

Почему-то не все ободы предусматривают небольшие отверстия по бокам, которые называют то дренажными, то для сброса давления. Насчет последнего не знаю, но если заехать на глубоком ободе в еще более глубокую лужу, через ниппели спиц внутрь может затечь столько воды, что без дренажа она не испарится, наверно, никогда (приходится разбортировать, вынимать бескамерный ниппель и выливать). Ну или сразу выбирать обод с дырочками.

Аналогичная проблема, кстати, присутствует и при камерной установке покрышек. Дождевая вода затекает через ниппель камеры в пространство, не заполненное ею в ободе/покрышке. Отсутствие необходимости разбортировать колеса после каждого проезда по глубоким лужам, чтобы вылить воду, — еще один плюс бескамерки.

На этом заканчивается первая часть статьи. Продолжение читайте по ссылке.

***

В статье использованы изображения из следующих источников:
(a), (b), (c), (d) — lightbicycle.com