หลักการทำงานล้อขอบสูง

เรื่องล้อขอบสูงน่าจะเป็นเรื่องที่มีคนสนใจมากที่สุดสำหรับนักปั่น ทั้งมือเก่าและมือใหม่ บทความเรื่องความสูงของขอบล้อ ถูกแชร์และเผยแพร่ไปกว้างมาก มีคนอ่านเกินครึ่งแสนคน ดังนั้น HUB จึงขออธิบายเรื่องล้อขอบสูงกันอย่างละเอียดอีกครั้งนะครับ ตั้งแต่ต้นจนจบกันเลย หวังว่าจะไขข้อข้องใจ และคาใจกันได้ไม่มากก็น้อย

ก่อนอื่นผมขออธิบายข้อโต้เถียงหนึ่งกรณีนะครับ ล้อขอบสูงนั้นคือล้อที่เรียกว่าอยู่ในกลุ่ม aerodynamic wheels แปลง่ายๆก็คือ”ล้อแอโร่” หลักการทำงานก่อกำเนิดมาจากเรื่องแอโร่ไดนามิคส์เป็นหลัก คนละเรื่องกับ”ล้อถ่วง” หรือกลุ่มล้อที่ใช้ทฤษฏีน้ำหนักขอบล้อถูกถ่วงออกแบบให้มีน้ำหนักไม่เท่ากันในวงล้อ ซึ่งเป็นแนวคิดที่นิยมเมื่อ 20 ปีก่อน

การออกแบบล้อขอบสูงที่ดีปัจจุบันนี้*ไม่มี*แนวคิดเรื่องการถ่วงน้ำหนักวงล้อให้”เหวี่ยง”แต่อย่างใดครับ ล้อแอโร่ที่ดีต้องมีน้ำหนักวิ่งคงที่สม่ำเสมอ การที่ล้อเกิดอาการ”ไหล”หรือรักษาความเร็วเกิดจากปัจจัยด้านแอโร่ไดนามิคส์เป็นหลัก ส่วนน้ำหนักนั้นส่งผลเป็นรองครับ

เอาล่ะครับปรับความเข้าใจตรงนี้นะครับแล้วไปกันต่อ เพราะหากยังใช้วิธีคิดของอาการเหวี่ยงและเชื่อว่าล้อที่ดีและเหวี่ยงต้องมีอาการน้ำหนักเหวี่ยงไปมา จะคุยกันต่อยากมากครับ (ล้อแบบนั้นมีนะครับ แต่เป็นความเชื่อยุคเก่าหน่อย)

รูปทรงของขอบล้อแบ่งออกเป็น 3 ชนิดหลักๆได้แก่
-รูปทรง V
เป็นรูปทรงแรกๆของทฤษฏีการออกแบบขอบล้อ พัฒนาตัวเองมาจากรูปทรงของขอบล้อ 3 ก้านในอดีตที่เน้นรูปทรงแบน บางตัดลมและรีดให้อากาศไหลเรียบๆไม่เกิดแรงฉุดด้านหลังหรือ drag มาก มีข้อเสียคือความไม่มั่นคงและผลกระทบต่อลมที่ทิศทางเฉียง รวมถึงการลดถอยของอัตราได้เปรียบเมื่อลมมาทิศทางเฉียงๆด้วย

-รูปทรง U
เป็นรูปทรงที่พัฒนาในสมัยหลังๆ และเป็นแนวโน้มการพัฒนาของล้อแอโร่ไดนามิคส์ต่อไป นิยมเรียกกันติดปากว่า “ล้อขอบอ้วน” มีข้อดีคือสามารถรีดกระแสอากาศได้ดีในทุกสภาพทิศทาง มั่นคงกว่าเมื่อมีลมด้านข้าง ที่สำคัญคือรองรับยางได้ใหญ่ขึ้น ซึ่งก็เป็นทิศทางแนวโน้มของความนิยมในอนาคตอันใกล้เช่นกัน
-รูปทรงผสม
คือการที่ผสมผสานรูปทรงทั้ง U และ V เข้าด้วยกัน หรือมีรูปทรงที่แปลก รูปทรงเหล่านี้เกิดจากการทดลองออกแบบและกระแสอากาศที่เกิดขึ้นจากนักออกแบบ หลักการก็คือการรวมข้อดีและข้อเสียของล้อทั้งสองแบบข้างต้นเข้าด้วยกัน แต่ก็มีข้อเสียที่ตามมาก็คือแม้ว่าตัวขอบจะทำงานได้ดีมากๆในหลายสภาวะแวดล้อมแต่ก็อาจจะแทบไม่ได้เปรียบในบางสภาวะ รวมถึงเรื่องการสร้างโครงสร้างที่ก่อให้เกิดความ stiff ของตัวขอบ

มาถึงจุดนี้เราต้องทำความเข้าใจกันก่อนนะครับว่า ล้อแอโร่ฯหรือล้อขอบสูงจริงๆแล้วการตัดลมเข้าไปเป็นเพียงเรื่องเบื้องต้น แต่นักออกแบบพบว่า แท้จริงแล้วแรงที่ต้านการเคลื่อนที่ส่วนใหญ่คือแรงฉุดจากกระแสอากาศด้านหลัง หรือเรียกกกันว่า “drag” ล้อที่ไม่แอโร่เอาเสียเลย อาจสร้างแรงต้านคิดได้เท่ากับลากน้ำหนัก 2 กก. จากทั้งขอบและซี่ล้อก็ได้ ดังนั้นรูปทรงขอบแต่ละแบบจึงส่งผลดีต่างกันออกไป

รูปทรงขอบสมัยใหม่ ที่ทำขอบให้อ้วนและออกมาเป็นทรง U มากขึ้น อากาศจะไหลผ่านขอบไปอย่างคงที่ ต่อเนื่องจากยางได้ดีกว่าขอบแบบตัว V ที่เกิดช่องว่างของกระแสอากาศจากยางและขอบล้อ ซึ่งส่งผลให้ขอบอ้วนมีความได้เปรียบรวมกันแล้วส่งผลดีกว่าขอบแบบ V ในทิศทางตรง และยิ่งลมมาจากมุมเฉียงมากเท่าไหร่ ขอบแบบ U ก็จะได้เปรียบมากกว่าขอบแบบ V ขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งเหตุนี้เองที่ทำให้ขอบล้อใหม่ๆอ้วนและรีดลมได้ดีขึ้น โดยเฉพาะลมด้านข้างที่ส่งผลน้อยลงมาก

อย่างไรก็ดี ขอบล้อทรง V ก็ยังมีจุดเด่นที่เมื่อมันใส่กับหน้ายางที่ขนาดเล็ก และอยู่ในสภาวะที่ลมไม่ได้ส่งผลมากนัก ล้อจะได้เปรียบด้านอากาศสูงมาก และเหตุนี้เองที่ทำให้ล้อรถลู่ หรือล้อ 3 ก้านยังคงใช้ขอบที่มีหน้าตัดทรง V อยู่ รวมถึงล้อกลุ่ม mid-profile (หรือขอบสูงไม่เกิน 40 มม.)ของล้อเสือหมอบถนนก็นิยมใช้ขอบทรง V เพราะไม่สูงมากจนก่อให้เกิดความด้อยเปรียบเมื่อลมมาด้านข้าง

การทดลองประเมินความได้เปรียบในอุโมงค์ลม
การทดลองนำล้อ 3 ชุดมาทดลองวัดความได้เปรียบทางอากาศพลศาสตร์ในอุโมงค์ลม พบว่าล้อที่มีความสูงต่างกัน น้ำหนักต่างกัน สามารถส่งผลได้เปรียบแตกต่างกันเมื่อเทียบกับล้อปกติดังนี้

ล้อ 40 มม. ส่งผลได้เปรียบ 31.8 วินาที ที่ระยะทาง 40 กม.
ล้อ 60 มม. ส่งผลได้เปรียบ 70.1 วินาที ที่ระยะทาง 40 กม.
ล้อ Disc ส่งผลได้เปรียบ 101.5 วินาที ที่ระยะทาง 40 กม.

Lifting Force หรือแรงยกที่เกิดจากอากาศ
ในกรณีของล้อเราจะเรียกว่า “side force” …ลองหลับตามนึกถึงปีกเครื่องบินนะครับ เมื่ออากาศผ่านปีกเครื่องบินไป แรงดันที่อากาศเกิดขึ้นบนและใต้ปีกจะก่อให้เกิดความกดอากาศที่ต่างกัน อากาศด้านบนมีแรงดันน้อยกว่าด้านล่าง ซึ่งก่อให้เกิดแรงยกตัว สำหรับปัจจัยของแรงดังกล่าวมาจาก รูปทรงของปี, องศาของปีกและทิศทางลม, ความเร็วของอากาศที่ผ่านไป

สำหรับล้อจักรยาน หากตัวขอบทำหน้าที่เป็น”ปีก” สร้างแรงยกไปด้านข้างเมื่อมีลมกระทำจากมุมเอียง ก็จะส่งผลให้ความมั่นคงของการควบคุมรถเสียไปอย่างมาก นอกจากแรงกระแทกของอากาศที่เข้ามากระทำ ยังเกิดแรงกดอากาศที่ไม่เท่ากันทั้งสองข้าง ซึ่งเป็นข้อเสียเปรียบของล้อรูปทรง V แบบโบราณ

ด้วยเหตุนี้ จึงเกิดกลุ่มล้อ mid-profile ที่ส่งผลความได้เปรียบรวมใกล้เคียงกับล้อ high-profile ด้วยการออกแบบทรงขอบ และกลายเป็นตัวเลือกที่นิยมสำหรับนักแข่งไปในระยะหลัง อย่างไรก็ดี หากล้อมีขอบที่เหมือนกัน ขอบที่สูงกว่าก็ย่อมได้เปรียบกว่าในด้านอากาศพลศาสตร์

…ทว่าในความเป็นจริง เราคงไม่ลำบากหากทุกอย่างมันง่ายเช่นนั้น เพราะตัวเลือกกลับมีหลากหลายมากมาย ทั้งรูปทรงของขอบที่แตกต่างกัน ความสูงที่ต่างกัน รวมไปถึง น้ำหนักที่ไม่เท่ากัน

เราจะเลือกชุดล้อขอบสูง ขอบเตี้ย แบบไหน เท่าไหร่จึงจะดีกับตัวเรา? ลองทบทวนกันนะครับ