Polkupyörä

Polkupyörä on lihasvoimalla toimiva ajoneuvo, jonka rakenne perustuu yleensä kahteen peräkkäiseen pyörään, jotka yhdistää runko. Polkupyörää liikutetaan pyörittämällä polkimia jaloilla. Polkimista voima siirtyy ketjun välityksellä takapyörään. Voimansiirrossa on käytetty myös nivelakselia ja polkimet voidaan asentaa suoraan pyörän akselille. Kuljettaja joko istuu polkupyörän satulalla, istuimella tai seisoo polkimilla. Polkupyörää ohjataan kääntämällä ohjaustankoa sekä kallistamalla koko pyörää. On olemassa myös yksi- ja kolmipyöräisiä, sekä käsikammista liikevoimansa saavia polkupyöriä.
Polkupyörän hyötysuhde on hyvä koska kaikki käytettävä voima ohjataan renkaan pyörittämiseen ja liikekitka on pieni. Pyöräily kuluttaa matkaan nähden huomattavasti vähemmän energiaa kuin esimerkiksi juokseminen tai kävely. Kilometrin matkalla vauhdilla 16 km/h pyöräilevä kuluttaa 0,9 kilojoulea energiaa jokaista kehon kilogrammaa kohti, kun vastaavasti juoksija kuluttaa 4,0 kilojoulea. 
Vuonna 1995 polkupyöriä tuotettiin 107 miljoonaa kappaletta. Samana vuonna autoja valmistettiin noin 37 miljoonaa kappaletta. Vuonna 2001 tehdyn arvion mukaan maailmassa on 1,4 miljardia pyörää ja 340 miljoonaa autoa.

Historia

Kirjallisuudessa on ristiriitaisia tietoja siitä, mistä polkupyörä on saanut alkunsa. Varsinaisesti polkupyörän historian katsotaan alkavan 1800-luvun alussa.

Nykyaikainen polkupyörä

Polkupyörä kehitettiin melko valmiiksi välineeksi jo 1920- ja 1930-luvuilla. Tämän jälkeen varsinaisia suuria teknisiä läpimurtoja ei tapahtunut, vaan polkupyörän kehitys jäi odottamaan uusia teknisiä ja metallurgisia keksintöjä, jotka liittyivät materiaaleihin, jousitukseen, vaihteisiin ja jarruihin. 
Polkupyörän keskeiset osat, runko, pyörät ja vanteet sekä vapaanavat ja keskiöt pysyivät suhteellisen muuttumattomina aina 1970-luvulle asti.

Maastopolkupyörä

Maasto-olosuhteisiin sopiva polkupyörämalli syntyi 1970-luvun alussa, kun joukko nuoria sanfranciscolaisia huomasi, kuinka hauskaa oli ajaa moottoripyörällä alas 748 metrin korkuisen Mount Tamalpais -vuoren rinteitä, Marinin piirikunnassa Kaliforniassa. Viranomaiset eivät hyväksyneet raskaiden pyörien aiheuttamaa eroosiota ja meluhaittoja. Nuoret korvasivat moottoroidut ajoneuvot vanhoilla, raskaiksi ja kestäväksi tehdyillä paksurenkaisilla Schwinn Excelsior-pyörillä, jotka oli tehty aikoinaan lapsille moottoripyörien korvikkeiksi. Nämä pyörät saattoivat painaa jopa 27 kiloa ja usein niissä ei ollut kuin yksi vaihde ja jalkajarru, mutta sen ei koettu olevan este, sillä näillä pyörillä ajettiin ainoastaan alamäkeen ja ylös päästiin kuorma-auton kyydillä.
Lajin aktiiviset harrastajat, kuten Joe Breeze, Gary Fisher, Charlie Cunningham, Keith Bontrager ja Tom Ritchey alkoivat kehittää 1970-luvulla monipuolisemmin maastoon sopivia, vieläkin kestävämpiä pyörämalleja, joilla pystyttiin ajamaan ensimmäisiä pyöräkilpailuja Kalifornian kukkuloilla. Maastopyöräilystä tuli suosittu laji 1980-luvulla ja Atlantan olympialaisissa vuonna 1996 siitä tuli olympialaji.

Polkupyörän rakenne

Yksinkertaisimmillaan polkupyörä koostuu rungosta ja siihen liitetyistä kahdesta kapeasta renkaasta. Runkoon kiinnitetyt eturatas ja poljinkammet on liitetty takarattaaseen ketjulla, joka toimii välikappaleena siirtäessä ajajan jalkojen voiman takapyörälle ja edelleen liike-energiaksi. Takapyörässä on vapaanapa, joka sallii pyörän pyörimisen vaikka poljinkoneisto olisikin liikkumattomana. Etupyörä, kiinnitettynä etuhaarukkaan ja sitä kautta ohjainkannattimeen/tankoon muodostaa pyörän "keulaosan", jonka avulla pyörän kulkusuuntaa voidaan muuttaa. Enemmän hallittavuutta ajoon saa vaihteiston ja jarrujen avulla.

Runko

Runko yhdistää polkupyörän osat toisiinsa. Sen kestävyys, paino, jäykkyys ja geometriset ominaisuudet – puhutaan joskus runkoarkkitehtuurista – vaikuttavat pyörän ajettavuuteen. 
Tavallisimmat pyörän rungon ja etuhaarukan materiaalit ovat teräs tai alumiini, mutta runkoja valmistetaan myös hiilikuidusta, titaanista tai jopa magnesiumista. Jotkut ovat valmistaneet polkupyörän runkoja myös puusta, bambusta tai lujitemuovista. Terästä voidaan seostaa useilla aineilla, yleisimpinä ovat kromi, molybdeeni ja mangaani. Alumiinia seostetaan muun muassa sinkillä, kuparilla, magnesiumilla ja skandiumilla.
Runko valmistetaan joko juottamalla putket yhteen joko suoraan tai muhvien avulla tai hitsaamalla rungon kappaleet toisiinsa. Yleisin menetelmä nykyään on TIG-hitsaus. Hiilikuiturungot voidaan valmistaa useilla tekniikoilla, joko liimaamalla putket välikappaleiden (hiilikuitua, titaania tai alumiinia) avulla yhteen tai muottiin laminoimalla. Melko yleistä kilpakäyttöön tarkoitetuissa polkupyörissä on materiaalien yhdistely, jolloin osa rungosta voi olla jotain metallia, osa hiilikuitua.
Oikea runkokoko on ratkaiseva pyöräilymukavuuden kannalta. Oikea koko riippuu kuljettajan pituudesta, sekä polkupyörätyypistä. Oikean koon voi selvittää muun muassa seisomalla hajareisin pyörän päällä. Näin selviää, paljonko jalkatilaa jää vaakaputken ja nivustaipeen väliin (naistenpyörissä vaakaputki täytyy kuvitella). Koon voi selvittää asiantuntevassa pyöräliikkeessä ja sen voi varmistaa koeajolla. 
Polkupyörän satulan oikea korkeus määräytyy siten, että polkimen ollessa keskiasennossa (suoraan eteenpäin) ja päkiän ollessa polkimella, polven etuosa on samalla pystylinjalla polkimen keskikohdan kanssa.

Pyörät

Pyörät koostuvat vanteesta, navasta, niitä yhdistävistä puolista (pinnat) sekä sisä- ja ulkorenkaasta (avorengas). Joissakin kilpapyörissä sisä- ja ulkorengas on yhdistetty (tuubirengas) ja puolien tilalla voi olla kiekko.
Polkupyörässä käytetään pinnoituskuvioltaan erilaisia renkaita sen mukaan millainen maasto on kyseessä. Maastorengas leveänä ja nappulakuvioisena sopii parhaiten huonokuntoisille ajoreiteille ja metsäpoluille. Maastorenkaissa käytetään suhteellisen pientä rengaspainetta, yleisesti 2–4 bar. Maastopyörissä on yleistynyt myös sisärenkaaton UST Tubeless -järjestelmä, jossa ulkorengas tiivistyy suoraan vanteelle ilman sisärengasta.
Maantie- ja citypyörissä käytetty sileä ja kapea asfalttirengas tarjoaa pienimmän vierintävastuksen tasaisilla tiepinnoilla. Näissä käytetty rengaspaine on yleisesti 6–10 bar. 
Yleisrengas on kahden viimeksi mainitun välinen kompromissi, jota käytetään hybridipyörissä ja joissain retkipyörissä.
Talviajoa varten valmistetaan nastoitettuja renkaita, jotka lisäävät oleellisesti ajoturvallisuutta jäisellä ajoalustalla. Äärimmäistä talvipitoa haluavat rakentavat itse ruuvirenkaita
, joissa renkaan rungon läpi sisältä ulos porataan pelti- tai koneruuveja niin, että niiden kärjet tulevat esiin kulutuspinnasta. Vierintävastus näillä on huomattavan suuri, ne soveltuvat parhaiten lähinnä esim. alamäkikäyttöön hiihtokeskuksissa.

Keskiöratas

Keskiöratas valittää polkimien voiman ketjun välityksellä takarattaaseen. Se on tavallisesti pyöreä, mutta on kokeiltu myös ovaalinmuotoisia rattaita, koska se ohittaa nopeammin niin sanotun "kuolleen kulman".

Ohjauslaitteet

Jos polkupyörän ohjaustangon ja etuhaarukan yhdistävä ohjainkannatin on säädettävissä, sen tulee olla varustettu pysyvällä merkinnällä vähimmäissyvyydestä, johon ohjainkannatin on asetettava etuhaarukan laakeriputkeen. Vähimmäissyvyysmerkinnän tulee olla putken alapäästä mitattuna etäisyydellä, joka on 2,5 kertaa ohjainkannatinputken ulkohalkaisija.

Vaihteisto

Vaihteiston tehtävänä polkupyörässä on muuttaa rattaiden välitystä maaston ja tien pituuskaltevuuden sekä ajajan kunnon ja tarpeiden mukaisesti. Mitä vaikeammasta maastosta on kyse sitä enemmän vaihteiden suuresta lukumäärästä on hyötyä. 
Polkupyörän vaihteisto koostuu itse vaihdelaitteesta ja vaihteen valitsijasta sekä näitä yhdistävästä vaijerista. Vaihdelaite on joko pyörän navan sisään rakennettu napavaihde tai nykyisin yleisemmin ketjuvaihde, jossa rattaiden viereen asennetulla vaihteensiirtäjällä liikutetaan ketjua erikokoisten taka- tai keskiörattaiden välillä. 
Useimmissa tavallisissa kaupunki- tai työmatkapyöräilyyn tarkoitetuissa polkupyörissä on napavaihde, jossa on kolmesta kahdeksaan erilaista välitystä. Ketjuvaihteisissa pyörissä on yhdestä kolmeen erikokoista keskiöratasta ja viidestä kymmeneen takaratasta. Eri välitykset (vaihteet) saadaan näiden yhdistelminä. Retki- ja kilpailukäyttöön tarkoitetuissa pyörissä vaihteita voi olla 5–30. Maastopyörissä ja hybrideissä on nykyisin usein 24 tai 27 vaihdetta, joskus myös 21. Käytännössä varsinaisia eri välityksiä on huomattavasti vähemmän, koska eri rattaiden yhdistelmät voivat tuottaa useita lähes samoja välityksiä. Käyttökelpoisia välityksiä vähentää myös se, että vaihteiden toiminnan ja kulumisen takia ei ole järkevää käyttää kaikkia ratasyhdistelmiä; esimerkiksi yhdistelmä pienin ratas edessä ja pienin ratas takana vaatii ketjun olevan sen verran vinossa että sekä rattaat että ketju kuluvat nopeammin.
Intensiivisessä käytössä, kuten pitkillä päivittäisillä työmatkoilla, pyörän ketjuvaihteiden kuluminen tarkoittaa, että yksittäisiä rattaita, rataspakkoja sekä ketjuja on vaihdettava mahdollisesti useampiakin kertoja vuodessa. Lisäksi ketjuvaihteet tarvitsevat ajoittain säätöä. Vaihteettomassa pyörässä ja napavaihdepyörässä ketjut ja rattaat kuluvat hitaammin koska ovat pölyltä suojassa, jatkuvasti voideltuna sekä ketju on tavallisesti leveämpi, ja usein uudet osat maksavat vähemmän, joskin avovaihteisten vaihteistojen osien hinnat ovat pudonneet viime vuosina. Ongelmana esimerkiksi takarataspakan irrottamiseen tarvittavat erikoistyökalut. Toisinaan harrastelijat muuntavat kevytrunkoisia pyöriä yksivaihteisiksi "sinkuloiksi".

Jousitus

Useimmissa maastopyörissä on jousitus etuhaarukassa. Myös hybridipyörissä, joka on maasto- ja kaupunkipyörän risteytys, saatetaan käyttää lyhytjoustoista etuhaarukkaa.

Muita pakollisia ja hyödyllisiä varusteita

Suomen laissa määrätään, että polkupyörässä tulee olla äänimerkinantolaitteena soittokello. Muita pakollisia polkupyörän varusteita ovat Suomessa etuvalo sekä etu-, sivu-, poljin- ja takaheijastimet. Eteenpäin valkoista tai valkeankeltaista valoa näyttävä ajovalo vaaditaan, mikäli polkupyörällä liikutaan tieliikennelain 36 §:n 2 momentin mukaisissa olosuhteissa eli pimeän tai hämärän aikana tai sään tai muun syyn huonontaman näkyvyyden vallitessa. Punainen takavalo on vapaaehtoinen lisävaruste. Vilkkuvan valon käyttö polkupyörässä ei ole kiellettyä, mutta sen lisäksi pyörässä pitäisi olla kiinteä valo, joka ei vilku.
Ajovalot, valkoinen etuheijastin ja punaisen takaheijastin tulee sijoittaa polkupyörään niin, että ne ovat 0,30–1,20 metrin korkeudella tien pinnasta. Poljin- ja sivuheijastimien värin pitää olla ruskeankeltainen. Sivuheijastimina hyväksytään myös heijastavat, E88-vaatimuksen mukaiset renkaat. Enintään 10 kiloa painavissa, vähintään 12-vaihteisissa urheilu- tai kilpapyörissä ei valoisaan aikaan ajettaessa kuitenkaan tarvitse olla muita varusteia kuin takaheijastin.
Usein hyödyllisiä lisävarusteita ovat tavaratelineet sekä laukut, lokasuojat, matkamittari ja lukkopolkimet. Näistä ajovalot, heijastimet, lokasuojat ja jonkinlainen tavarateline ovat yleensä mukana arkikäyttöön tarkoitetuissa pyörämalleissa. Ilman lokasuojia tien pinnassa sateella oleva vesi ja hiekkateillä märkä kura linkoutuvat pyöräilijän päälle.

Citypyörä

Citypyörä (myös kaupunkipyörä) on kaupunkiajoon tarkoitettu polkupyörämalli. Se sopii lyhyille kauppa- ja työmatkoille.

Retkipyörä

Retkipyörä on pitkille matkoille ja retkille suunniteltu polkupyörätyyppi, johon on mahdollista lastata suuriakin tavarakuormia.
Tämän nimikkeen alla on hyvin monenlaisia polkupyöriä. Niitä voivat olla lähes kilpapyörän malliset laitteet, joihin voi lastata päivän tai parin retkelle tai sisämajoitukseen riittävät varusteet ja ajaa vauhdikkaasti pitkiäkin päivämatkoja. Toisessa ääripäässä on suoratankoisia, paksurenkaisia laitteita, joihin voi pakata tavaraa useita kymmeniä kiloja. Pyöräretkeilyyn sopii mikä tahansa pyörä, jolla on mukava ajaa ja johon saa mukaan tarpeelliset tavarat. Myös hybridit ja maastopyörät ovat suosittuja pyöräretkivälineitä.

Fitnesspyörä

Jos hybridi on maantiepyörän ja maastopyörän välimuoto, fitnesspyörä on jotain hybridin ja maantiepyörän väliltä. Ne ovat yleensä kapearenkaisia, kevyitä pyöriä, joita ei ole suunniteltu kuormattuna ajoon. Käytännössä fitnesspyörä onkin usein kuten suoratankoinen maantiekilpapyörä. Fitnesspyörä sopii hyvin maantielenkkeilyyn henkilölle, joka vierastaa maantiepyörien käyrää ohjaustankoa. Fitnesspyörä soveltuu myös parempikuntoisille hiekkateille.

Cyclocross-pyörä

Cyclocross-pyörä on erityisesti cyclocross-kisoja varten tehty pyörä. Pyörä muistuttaa maantiepyörää. Suurimmat erot ovat rungon geometriassa, sillä cyclocross-pyörässä on enemmän maavaraa ja ajoasento on hieman pystympi. Lisäksi rungon vaakaputki voi olla vaakasuunnassa litistetty, jotta pyörää olisi mukavampi kantaa olkapäällä, eikä varsinkaan kisakäyttöön suunnitelluissa cyclocross-pyörissä useinkaan ole kiinnikkeitä juomapullotelineitä varten. Cyclocross-pyörän haarukat ovat maantiepyörää väljemmät suurempia renkaita ja niiden mukanaan nostamaa maa-ainesta varten. Renkaat ovat yleensä nappulakuvioiset. 
Suomessa jotkut pitävät cyclocross-pyöriä hyvinä talvipyörinä, sillä niihin sopivat nastarenkaat ja lokasuojat, toisin kuin maantiepyöriin. Leveiden renkaiden takia cyclocross-pyörästä voi myös rakentaa retkipyörän paremmin kuin maantiepyörästä, mutta ainakin puhtaat kisacrossarit voivat olla ajo-ominaisuuksiltaan melko äkkinäisiä.

Ratapyörä

Ratapyörällä ajetaan soikeaa, kallistettua rataa, velodromia. Ratapyörän välitys on kiinteä, eikä siinä ole jarruja tai vaihteita. Ratapyörässä ei ole vapaaratasta, joten pyörien pyöriessä myös polkimet aina pyörivät.

Tandempyörä

Tandempyörä on kahdelle ajajalle suunniteltu polkupyörä. Tandemin erottaa tavallisesta pyörästä pitempi runko, jossa satula, polkimet ja ohjaustanko ovat erikseen kullekin ajajalle. Tandempyörän muunnelmia ovat kahden ajettavan lisäksi usealle, jopa kuudelle polkijalle tarkoitetut menopelit.

Yksipyöräinen

Yksipyöräisessä on nimensä mukaisesti vain yksi pyörä, jonka päällä istutaan hieman 1800-luvun ordinary-pyörän tapaisesti. Yksipyöräistä käytettiin usein sirkustempuissa, mutta viimeisen kymmenen vuoden aikana on kehitelty useita uusia yksipyöräilyn muotoja, eikä suurimmalla osalla yksipyöräilijöistä ole nykyisin mitään tekemistä sirkuksen kanssa.

Kolmipyöräiset

Pienille lapsille on kolmipyöräisiä polkupyöriä, joissa takana on kaksi akselilla yhdistettyä pyörää. Polkimet ovat joko etupyörässä tai satulan alapuolella, jolloin liike välitetään taka-akselille ketjuilla. Kolmipyöräisiä käyttävät myös monet sellaiset, joilla on ongelmia tasapainon kanssa, kuten vanhukset ja kehitysvammaiset.

Polkupyöräilyn suosio

Polkupyörä on maailman käytetyin tekninen liikenneväline. Sen etuja ovat edullisuus, terveellisyys, saasteettomuus sekä ketteryys etenkin ahtaiden kaupunkiympäristöjen liikenneruuhkissa. Erityisen suosittua pyöräily on Benelux-maiden, Saksan, Ranskan, Italian ja Espanjan suurkaupungeissa. Myös Pohjoismaissa, erityisesti Tanskassa ja Suomessa polkupyörä on suosittu liikenne- ja liikuntaväline.

Polkupyörä ja kehitys

Afrikassa polkupyörä merkitsee monessa tapauksessa pääsyä työhön, kouluun tai sosiaalipalvelujen ja puhtaan veden äärelle. Monesti ne paikkaavat vielä kehnosti järjestettyä julkista liikennettä. Afrikkalaisille pyörä on usein suuri sijoitus, johon jotkut käyttävät mikroluottoa. Lisätuloja pyörän hankkineet saavat esimerkiksi kuljettamalla matkustajia. Länsimaista polkupyöriä on lähetetty Afrikkaan  lahjoituksena. Sambiassa Zambikes-järjestö on kehittänyt "zambulansseja" hoitamaan pyörillä tehtäviä sairaankuljetuksia.
Sadoilla kotitalouksilla Ugandassa, Tansaniassa ja Sri Lankassa tehtyjen tutkimusten mukaan polkupyörä voi nostaa köyhän perheen tuloja jopa 35 prosenttia.