История велосипеда
От беговела до карбонового шоссера
В этой статье я провожу небольшой экскурс в развитие и становления велосипеда. Безусловно, прошелся я по верхам становления шоссейных велосипедов от деревянного беговела до карбонового шоссера. Совершенного понятно, что каждый узел велосипеда имел огромную историю своего развития, достойное целой книги.
Мы увидим как нелинейно шли технологии. Казалось бы совсем привычные и очевидные для нас вещи изобретены были буквально позавчера, а что-то довольно сложное создалось уже более века назад.
Изобретение велосипеда
Беговая машина
Началось все в 1817 году, когда Карл Драйс изобрел беговую машину (другие названия dandy-horse или дрезина), которая по большинству признаков является прародителем велосипеда. Что было общего с велосипедом: рулевое переднее колесо; диаметр колес, выбранный Драйсом, стал стандартом для велосипедов на десятилетия вперед; машина оснащалась тормозом, который прижимался к заднему колесу, Драйс придумал и складную подставку для парковки.
Самое главное, что при тех же затраченных усилиях данное устройство превосходило скорость пешеходов приблизительно в два раза.
Устройство Карла Драйса до сих пор востребовано: теперь маленькие дети, которые совсем недавно научились ходить, катаются на «беговой машине», или как сейчас её называют — беговелом.
Пенни-фартинг
От машины Драйса, где нужно было отталкиваться ногами, мы переходим к следующему культовому этапу эволюции велосипеда — «пенни-фартингу» (penny-farthing). Это тип велосипеда, доминировал в 1870-х и 1880-х годах.
Название появилось позже, отсылая к двум монетам разных размеров: большому британскому пенни и маленькому фартингу (¼ пенса). Переднее колесо было огромным, а заднее — крошечным.
В отличие от дрезины, у пенни-фартинга были педали. Но они крепились непосредственно к оси переднего колеса. Это было прямое следствие технического ограничения того времени: еще не изобрели надежную цепную передачу. Главная проблема инженеров XIX века: чтобы ехать быстрее, нужно было делать большее колесо. За один оборот педалей большое колесо проезжало гораздо большее расстояние, чем маленькое.
Чем больше диаметр переднего колеса, тем выше максимальная скорость. Гонщики того времени могли разгоняться до 30-40 км/ч.
Металлические шины и отсутствие амортизации делали езду очень тряской. Большое колесо доходило до 1,5 метров в диаметре, лучше перекатывалось через выбоины и булыжники мостовых, выступая в роли аналога подвески.
Пенни-фартинг был транспортом для смелых и ловких, и не зря его называют предком современного экстремального велоспорта. Велосипедист сидел почти прямо над осью переднего колеса. Это давало отличный обзор, но делало конструкцию крайне нестабильной.
Тормоза были слабыми (обычно колодка прижималась к покрышке). Эффективно тормозить можно было только, упираясь ногами в руль или… прыгая с велосипеда.
Проблема «кульбита»: Главная опасность — при резком торможении или наезде на препятствие велосипед мог опрокинуться вперед, перекидывая велосипедиста через руль. Это называлось «сделать кульбит» (taking a header).
Последствия падения: Ноги райдера застревали под рулем, и он падал с большой высоты (иногда более 1.5 метров) головой вниз.
Из-за этого пенни-фартинги считались «мужскими» велосипедами. Женщинам, с их длинными юбками, забраться на такую высоту и безопасно слезть было практически невозможно. Существовали трехколесные версии для дам и пожилых джентльменов.
Безопасный велосипед
С момента изобртения «беговой машины» понадобилось всего-навсего 68 лет, чтобы изобрести устройство, которое в нашем современном понимании подходит под слово «велосипед».
Джон Кемп Старли (John Kemp Starley) — человек, который действительно изменил мир, создав прообраз современного велосипеда. Именно его часто называют «отцом велосипедной индустрии» или «изобретателем современного велосипеда» . Если велосипед Драйса был первым шагом, а пенни-фартинг — смелым, но опасным экспериментом, то Старли подарил нам ту самую безопасную и элегантную машину, на которой мы ездим до сих пор. В 1885 году Джон Старли выпускает «Rover safety bicycle».
Велосипед имел два колеса одинакового диаметра . Это кардинально снизило риск падения велосипедиста через руль. Старли перенес педали под водителя и соединил их с задним колесом с помощью цепи . Это позволило использовать передаточное число для эффективного разгона без колеса гигантских размеров.
Конструкция рамы из стальных трубок обеспечила жесткость и прочность при небольшом весе . Такая геометрия используется в производстве велосипедов до сих пор.
Велосипедист сидел гораздо ниже и дальше от переднего колеса, чем на пенни-фартинге. Ноги легко доставали до земли, что позволяло быстро остановиться и не бояться «кульбита». Велосипед также оснащался тормозами и поворотной передней вилкой.
Шины
Шотландский ветеринар Джон Бойд Данлоп (John Boyd Dunlop) в 1887 году решил проблему своего десятилетнего сына, который жаловался на тряску при езде на велосипеде с цельнолитыми резиновыми шинами по булыжным мостовым. Данлоп решил эту проблему просто и элегантно: он взял резиновый шланг для поливки сада, отмерил его по длине окружности колес велосипеда и склеил его концы между собой, чтобы получилось кольцо. Затем он обмотал эту конструкцию для прочности парусиной и прикрепил к ободу колеса, накачав воздух обычным насосом для футбольных мячей . Так появилась первая пневматическая шина, создавшая воздушную прослойку между колесом и дорогой. Чуть позже, а именно 23 июля 1888 года Данлоп получил патент на свое изобретение.
В 1889 году была основана компания Pneumatic Tyre and Booth’s Cycle Agency (позже стала называться Dunlop Pneumatic Tyre Co., ныне Dunlop Tires)
Коммерческий успех пришел быстро благодаря велоспорту. В 1889 году велосипедист Уильям Хьюм, выступавший на шинах Данлопа, неожиданно для всех выиграл все заезды, в которых участвовал, хотя считался лишь середняком. Это произвело настоящий фурор.
Через некоторое время выяснилось, что идея пневматической шины не была новой. Еще в 1845 году другой шотландец, Роберт Уильям Томсон, запатентовал «воздушное колесо» (Aerial Wheel) для конных экипажей . Его изобретение просто опередило свое время: технология производства резины была несовершенна, а спрос на комфорт со стороны владельцев карет отсутствовал. Патент Томсона был забыт, но формально именно он был первым.
Из-за этого патента Томсона первоначальный патент Данлопа был аннулирован. Тем не менее, Данлоп и его компаньоны смогли запатентовать ряд улучшений, и их бизнес продолжил процветать.
Переключатель скоростей
Идеи переключателя
Французский издатель и велотурист Поль де Виви (Paul de Vivie, псевдоним Vélocio) считается одним из первых, кто задумался о необходимости изменения передаточного числа на велосипеде.
Во время прохождения на велосипеде перевала Кол-де-ла-Републик (Col de la République) близ Сент-Этьена, де Виви столкнулся с тем, что передача, позволяющая быстро ехать по равнине, делала подъем в гору мучительно медленным. Это натолкнуло его на мысль о необходимости изменения передаточного числа.
Он стал экспериментировать с конструкциями, позволяющими цепи переходить с одной звезды на другую, чтобы облегчить подъемы в горы. Первые его системы были весьма примитивными. Он пробовал использовать две цепных передачи, между которыми цепь нужно перекидывать вручную. Чуть позже он создаст систему с двумя цепями по обе стороны, что даст четыре скорости .
Переключатель на ходу
Идея пришла в 1889 году, а полноценная реализация удалась спустя 17 лет, лишь в 1906 году де Виви представил велосипед «Chemineau» (Бродяга), оснащенный системой переключения передач на ходу. Это считается первой серийной моделью с переключателем. Механизм позволял перебрасывать цепь с одной звезды на другую без остановки.
Изобретение де Виви встретило яростное сопротивление, особенно со стороны консервативных спортивных функционеров, а именно организации UCI, которая уже существовала на тот момент.
Организатор «Тур де Франс» Анри Дегранж называл переключатели скоростей «приспособлением для инвалидов и женщин» и считал, что настоящий мужчина должен побеждать силой мышц, а не «хитростью механики». Из-за этого переключатели были запрещены в «Тур де Франс» вплоть до 1937 года.
Поль де Виви погиб в возрасте 77 лет, попав под трамвай в Сент-Этьене в 1930 году. Он не разбогател на своем изобретении (запатентовать его как следует он то ли забыл, то ли не захотел ). Его имя навсегда вписано в историю как имя человека, который сделал велосипед по-настоящему универсальным транспортом для любого путешествия.
Shimano Index System (SIS)
Чтобы понять влияние технологии SIS, нужно представить, как переключали скорости раньше. В системах выбора передач у манетки (рычажок переключения) не было фиксированных положений. Для того чтобы переключить передачу, велосипедист двигал рычажок на плавное расстояние «на глазок» и по звуку. Велогонщикам приходилось буквально «ловить» нужную передачу, отвлекаясь от дороги. Этот процесс требовал большого опыта. Переключение скорости было медленным, неточным, и цепь часто сбрасывало, особенно в самый неподходящий момент (например, когда хотелось сохранить накат велосипеда для экономии сил перед затяжным подъемом в гору).
Компания Shimano в 1984 году представила миру технологию SIS. Суть её была гениально проста и эффективна: в манетку встроили специальный индексный механизм с фиксаторами натяжения тросика, который управлял смещением натяжителя цепи относительно звезд кассеты. Каждое нажатие или сдвиг рычага сопровождалось четким щелчком («кликом»). Один щелчок гарантированно перемещал цепь ровно на одну звездочку на кассете.
Точность переключения технологией SIS позволила инженерам Shimano увеличивать количество звезд на кассете. Технология обеспечила те жесткие допуски, которые необходимы для работы 9, 10, 11 и даже 12-скоростных трансмиссий.
Контактные педали
Туклипсы
Еще до изобретения Джоном Старли безопасного велосипеда, появилась идея прикреплять ногу гонщика к педали. В 1868 году французский инженер Клеман Адер (Clément Ader) изобрел кожаные ремешки и металлические упоры на педалях, которые получили название — туклипсы. Теперь велосипедисты могли не только давить на педаль, но и другой ногой «тянуть» её наверх, тем самым делая педалирование куда более эффективным. С точки зрения эффективности это был прорыв, а вот безопасность ставила это изобретение под сомнение. Быстро вытащить ногу из ремней было невозможным, что приводило к серьезным травмам при падении. А я напомню, что это еще было во времена переднеприводного велосипеда с огромным колесом пенни-фартинг.
В дальнейшем туклипсы сработаются с «безопасным велосипедом» и будут использоваться велогонщиками еще ближайшие лет 100.
Первые контактные педали
Тем не менее идея была подхвачена и в 1895 году Чарльз Хэнсон (Charles Hanson) запатентовал первую конструкцию, которая уже была ближе к современным «контактам». Его система предполагала фиксацию специальной обуви путем поворота ноги на небольшой угол . В том же году появились экзотические варианты, например, педали с присосками, магнитные педали. Но такие смелые идеи так и не получили своего дальнейшего развития.
Cinelli M71
В 1971 году итальянский велогонщик Чино Чинелли (Cino Cinelli) и его велобренд Cinelli представляют модель контактных педалей M71.
К подошве велотуфель саморезами крепился пластиковый шип. Он вставлялся в паз на педали и фиксировался специальным рычажком, который нужно было закрыть и открывать вручную. Механизм был надежным, но в случае падения гонщик не мог быстро освободить ногу — требовалось вручную открыть рычажок. Из-за этого педали M71 получили мрачное прозвище «педали смерти».
Не смотря на такую репутацию, эти контактные педали произвели прорыв в велоспорте. В отличие от туклипсов, на которых нога люфтила во все стороны, контактные педали Cinelli надежно и жестко держали велотуфлю, обеспечивая еще более эффективное педалирование.
Может, сделаем как у лыжников?
Инженеры французского велобренда LOOK адаптировали принцип работы лыжного крепления для велосипеда в 1984 году. Они создали систему, в которой пружинный механизм на педали надежно удерживал шип на подошве, но при этом позволял легко отстегнуть ногу простым поворотом пятки наружу. Это было гениально и безопасно.
Первой моделью адаптированной лыжной технологии в велоспорте стали педали PP65. Переломным стал 1985 год, когда легендарный Бернар Ино (Bernard Hinault) выиграл Тур де Франс, именно в этих педалях в составе команды La Vie Claire.
Победа Ино стала мощнейшим катализатором в продвижении технологии и ее дальнейшего улучшения. Весь велосипедный мир увидел преимущества новой системы: эффективность педалирования и, что критически важно, безопасность. Сам Ино отмечал, что во время одного из падений во время гонки, возможность быстро выстегнуться из педалей LOOK спасла его от серьезных травм, в отличие от гонщиков на туклипсах. Система LOOK Delta стала первым массовым стандартом.
Эволюция материалов рам
Стальные рамы
До 1980-х годов велосипеды изготавливались из стали, если не брать во внимание первый беговел — тот был из дерева.
Сталь позволила создать ромбовидную раму, которая обеспечила эффективную передачу усилий и стала стандартом на десятилетия. По мере развития металлургической промышленности стали ценится хромомолибденовые (Cro-Mo) сплавы, которые прочны, хорошо гасят вибрацию, надежны и легко ремонтируются путем электросварки. Самый большой недостаток — большой вес и подверженность коррозии.
Алюминиевые рамы
В 1975 году Кляйн и Кэннондейл (Klein и Cannondale) показали, что сварные алюминиевые рамы могут быть легкими и надежными. К 1983 году Кэннондейл запустил массовое производство. Современные технологии (гидроформинг, баттинг) позволяют создавать рамы сложной формы с улучшенными свойствами . Главный минус — излишняя жесткость, из-за которой все неровности дороги передаются на велосипедиста . Именно поэтому алюминиевые рамы часто оснащают карбоновыми перьями, вилками для комфорта, а так же подседельным штырем, для гашения неровностей дороги.
Существует несколько алюминиевых сплавов и их маркировок, которые применяются в изготовлении рам и прочих деталей велосипеда.
- Сплав 6061-T6 имеет предел прочности на разрыв около 290 МПа, используется повсеместно: от горных и шоссейных велосипедов до городских моделей.
- Сплав 7005 (1915) — сплав алюминия с цинком. Он немного прочнее и жестче, чем 6061 (предел прочности на разрыв ~350 МПа). К сожалению он хуже поддается сварке и сложнее в обработке, что ограничивает возможности создания сложных форм рам. В настоящее время используется сильно редко.
- Сплав 6069 / Scandium (Скандий) — это более современная и продвинутая группа сплавов. Добавление скандия сильно изменяет структуру материала, делая его примерно на 40-50% прочнее традиционных 6061 и 7005 . Благодаря высокой прочности, стенки труб можно делать тоньше, что позволяет снизить вес рамы на 10-15% без потери жесткости.
Карбоновые рамы
Spacelander
Для начала обратимся в 1946 год. Еще не изобрели углеродных волокон, но первые предпосылки делать велосипед не из металла, появились именно тогда.
Британский промышленный дизайнер Бенджамин Боуден (Benjamin Bowden) представил прототип велосипеда, первоначально названный «Classic», на выставке Britain Can Make It в 1946 году.
Серийная модель получила название Spacelander и была запущена в 1960 году в США компанией Bomard Industries. В серийной версии использовалась рама из формованного стекловолокна и более традиционный цепной привод.
С коммерческой точки зрения — это был провальный проект. Велосипед не нашел свою аудиторию и был очень тяжелый, не смотря на использование композитных материалов. Однако, именно тогда и зародилась идея использования новых материалов в изготовлении велорам.
Сотрудничество Colnago и Ferrari
В 1987 году итальянский бренд Colnago в сотрудничестве с инженерами Ferrari создали прототип Colnago Concept — велосипед с карбоновыми трубами и трехспицевыми колесами.
Особенность изготовления рамы заключалась в технологии склеивания карбоновых труб. Colnago Concept оказался слишком тяжелый для серийного производства, но заложил инженерную основу для всех будущих моделей Colnago.
OCLV — тот самый карбон, который мы знаем
В 1991 году на свет появляется технология производства углеродного волокна (карбона), разработанная американской компанией Trek Bicycle, под аббревиатурой OCLV (Optimum Compaction Low Void — Оптимальное уплотнение с низким содержанием пустот). Optimum Compaction (Оптимальное уплотнение) — слои карбона укладываются по строго рассчитанным схемам и сжимаются под воздействием тепла и давления для достижения идеального соотношения волокна и смолы. Low Void (Минимальное количество пустот): эта часть техпроцесса позволяет свести к минимуму микроскопические пустоты между слоями, которые могли бы снизить прочность и долговечность материала.
Выпуск модели Trek 5500 в 1992 году — первого серийного шоссейного велосипеда с рамой из OCLV-карбона, которая на тот момент была самой легкой в мире (около 1,1 кг).
Заключение
Пока я готовил эту статью, перебирая материалы, фотографии и изучая факты, то невероятно сам удивился этой истории развития велосипеда. Для меня стало огромным открытием, что переключатель передач изобрели в самом начале XX века и, концептуально, этот механизм более не менялся. Не меньшее удивление вызвала история развития контактных педалей, которая буквально замерла на 100 лет с изобретения туклипсов, то контактов от Look. Было невероятно интересно изучать этот материал и превращать в этот пост.
Подписывайтесь на Telegram-канал, чтоб не пропустить свежие записи и присоединиться к сообществу Велософии.
