גאומטריה של אופניים ואופנועים

גאומטריה של אופניים ואופנועים היא שם כולל למידות והממדים העיקריים של אורכים וזוויות המגדירים תצורת אופניים או אופנוע מסוימים. העיקריים שבהם הם בסיס הגלגלים, זווית ציר ההיגוי (rake או caster), היסט המזלג (offset), והמהלך (trail). לפרמטרים אלה יש השפעה רבה על אופן ההתנהגות של הרכב הדו גלגלי .

בסיס הגלגלים
בסיס הגלגלים הוא המרחק האופקי בין צירי הגלגלים הקדמי והאחורי או בין נקודות המגע שלהם בקרקע. בסיס הגלגלים מושפע מאורך חלקה האחורי של השלדה, זווית ציר ההיגוי והיסט המזלג. הוא דומה למונח בסיס גלגלים המשמש כמידה גם במכוניות וברכבות.
לבסיס הגלגלים יש השפעה רבה על היציבות האורכית של אופניים ואופנועים בשילוב עם גובה מרכז המסה של הכלי והרוכב.

זווית ציר ההיגוי
300px|ממוזער|שמאל|תרשים של זווית ציר ההיגוי (rake או caster). באדום-ציר ההיגוי. באפור-האנך מציר הגלגל. המרחק מנקודת החיתוך בין שני הצירים לקרקע (הקטע התחתון המסומן ב-X) הוא המהלך המכני
ציר ההיגוי הוא הציר סביבו מסתובב מכלול מנגנון ההיגוי הכולל את הכידון, המזלג, הגלגל הקדמי, והחיבורים ביניהם. זווית ציר ההיגוי היא הזווית הנוצרת בין מנח המזלג הקדמי מציר ההיגוי, לבין האנך היורד מציר הגלגל. זווית ציר ההיגוי תואמת בדרך כלל את זווית ראש ההיגוי .

אופניים
באופניים, זווית ציר ההיגוי נמדדת ביחס לציר הרוחב האופקי של מכלול ההיגוי ומכונה זווית הראש. לדוגמה, במקרה של זווית ראש בת 90°, זווית ציר ההיגוי תהיה אנכית. בדרך כלל זווית הראש מושפעת מגודל השלדה ויעוד השימוש של האופניים.
באופני הרים מודרניים בהם נעשה שימוש במזלג קדמי עם בוכנות שיכוך, זווית הראש היא מתונה, בדרך כלל קטנה מ-70°, ויש המגיעות עד 62° כתלות במבנה הגאומטרי של השלדה. זאת לעומת אופני כביש בהם נהוג לעצב זווית ראש הגדולה מ 70° והמגיעה עד 74°

אופנוע
250px|ממוזער|שמאל|אופנוע בעיצוב צ'ופר בעל זווית היגוי קיצונית
באופנועים, זווית ציר ההיגוי נמדדת ביחס לציר האנכי של מכלול ההיגוי ומכונה קאסטר או רייק (rake) . לכן, נטייה של 0° היא אנכית.

היסט מזלג
היסט המזלג הוא המרחק האנכי שבין ציר ההיגוי והקו המקביל לו, העובר דרך ציר הגלגל הקדמי.

אופניים
באופניים, ניתן ליצור את היסט המזלג בדרכים שונות כגון באמצעות יצירת עיקול בכוון הקדמי של המזלגות, הוספת תפס הסטה (perpendicular tab) בקצה התחתון שלהם בנקודת החיבור עם הגלגל, הסטה קדימה של נקודת חיבור המזלג בחלקו העליון לפני הכידון, או על ידי חיבור המזלגות בזווית ביחס לצינור ההיגוי.
מזלגות של אופני כביש הם בדך כלל בעלי היסט מזלג של 40–50 מ"מ .

אופנוע
באופנועים בהם מותקנים צינורות מזלג טלסקופיים, ניתן ליצור היסט מזלג על ידי שינוי בצורת משולשי ההיגוי המחברים בין המזלגות לכידון כחלק ממכלול ההיגוי, והיא נמדדת בדרך כלל במעלות החל מ-0. בדגמים מסוימים ופחות נפוצים מתבצע ההיסט באמצעות שימוש בהתקנים מסוג מחבר נגרר (trailing link) או מחבר מוביל (leading link) המותקנים בחלקו התחתון של המזלג, ומקשרים אותו עם הגלגל הקדמי, כאשר ההיסט נקבע בהתאם לאורך זרוע הקישור.

מהלך
170px|ממוזער|שמאל|תרשים המציג את ההשפעה של הקטנת זווית ציר ההיגוי, היסט המזלג או גודל הגלגל על המהלך.
המהלך (Trail) הוא המרחק האופקי בין נקודת המגע של הגלגל הקדמי בקרקע לנקודת המגע בקרקע של ציר ההיגוי. כאשר נקודת המגע של הגלגל הקדמי בקרקע נמצאת מאחורי נקודת המגע של ציר ההיגוי עם הקרקע המהלך מכונה "חיובי", וכאשר נקודת המגע של הגלגל הקדמי בקרקע נמצאת לפני נקודת המגע של ציר ההיגוי עם הקרקע המהלך מכונה "שלילי".
המהלך נחשב כבעל חשיבות גבוהה בקביעת מאפייני ההתנהגות הדינמית של אופניים או אופנוע, והוא מושפע מזווית ציר ההיגוי, היסט המזלג וגודל הגלגל. ניתן להגדיל את המהלך על ידי הגדלת הגלגל, הקטנה של זווית הראש, או הקטנת היסט המזלג. המהלך קטן ככל שזווית הראש עולה והופכת לחדה יותר, ככל שהיסט המזלג עולה, או ככל שקוטר הגלגל קטן.
המהלך משתנה בזמן ביצוע הטיה או היגוי. בכלי בעל מבנה של גאומטריה מסורתית, הוא פוחת ובסיס הגלגלים גדל בכיוון הנטייה או ההיגוי. הוא יכול להשתנות גם כאשר מופעל עומס על המתלים כמו בתגובה לבלימה. במצב זה כאשר המזלגות הטלסקופיים נדחסים כתוצאה מהעברת העומס במהלך בלימה, המהלך ובסיס הגלגלים קטנים.

מהלך מכני
מהלך מכני (Mechanical trail) הוא המרחק האנכי בין ציר ההיגוי לנקודת המגע בין הגלגל הקדמי לקרקע.
אף על פי שהמידע המדעי בנושא היגוי אופניים הוא בלתי מושלם, קיימת הבנה כוללת טובה של המורכבויות הדינמיות המתקיימות בתהליך והתלויות זו בזו. המהלך המכני הוא אחד המשתנים החשובים ביותר בקביעת מאפייני השימוש באופניים. מהלך בגודל אפס עשוי להעניק יתרונות בהיבט של ביטול השפעת מיקום מרכז הלחץ של כוחות רוח צד וביטול אפקט הכשל של הגלגל (Wheel flop).
מהלך מכני גדול יותר משפיע לחיוב על יציבות האופניים בציר האורך שלהם ומקל על רכיבה "ללא ידיים". לעומת זאת, כאשר המהלך המכני קטן יותר נדרשת מיומנות גבוהה יותר של הרוכב לצורך השליטה בתנועה.
רוכבים מיומנים וערניים עשויים לשלוט טוב יותר בנתיב כאשר המהלך המכני קטן יותר, בעוד שמהלך גדול יותר ידוע כמסייע לרכיבה קלה יותר "ללא ידיים" ולכן יציבים יותר מבחינה סובייקטיבית גם עבור רוכבים בלתי מיומנים.

כשל גלגל
כשל הגלגל או נפילת גלגל (Wheel flop), הוא מצב היגוי שבו אופניים או אופנוע נוטים באופן חריף יותר מהנדרש עקב סיבוב יתר של הגלגל הקדמי כאשר מופעל כוח הטיה על הכידון. כשל גלגל נגרם כתוצאה מהנמכת החלק הקדמי של אופניים או אופנוע כאשר הכידון חורג ממצב "ישר קדימה".
מכיוון שכשל הגלגל גורם להורדת החלק הקדמי של אופניים או אופנוע, כוח המשיכה גורם לסיבוב מהיר של הכידון בכוון ההטייה ללא השפעה של הרוכב על תנועת הכידון. במצב כזה, על הרוכב להפעיל מומנט בכוון הנגדי על הכידון כדי להחזיר אותו למצב ישר קדימה ולהחזיר את החלק הקדמי של האופניים או האופנוע לגובהו המקורי. האינרציה הסיבובית של הגלגל הקדמי מפחיתה את עוצמת אפקט כשל הגלגל מכיוון שהיא גורמת לצורך ביצירת מומנט נגדי שיביא להאצת שינוי הכיוון של הגלגל הקדמי.
הגדלת המהלך או הקטנת זווית הראש יגבירו את אפקט כשל הגלגל באופניים או באופנוע, דבר שידרוש את הגדלת המומנט הנדרש להפעיל על הכידון כדי להחזיר אותו למצב ישר קדימה ויגביר את נטיית הכלי לסטות בפתאומיות בתנועה בקו העיקול. בנוסף, הגדלת המשקל המועמס על הגלגל הקדמי בהשפעת הגדלת מסת הכלי, הרוכב, המטען או על ידי שינוי יחס המשקל כדי להסיט את מרכז המסה קדימה, תגביר את חומרת אפקט כשל הגלגל. לעומת זאת הגדלת האינרציה הסיבובית של הגלגל הקדמי על ידי הגדלת מהירות הכלי ומהירות הסיבוב של הגלגל מסייעת בניטרולו.

התאמות
מזלגות של אופניים ואופנועים ניתנים לשינוי או להחלפה, במטרה לשנות את הגאומטריה שלהם.

שינוי אורך המזלג
הארכת המזלג, למשל באופניים באמצעות החלפת מזלג קשיח במזלג עם בוכנות שיכוך, מרימה את חלקן הקדמי ומקטינה את זווית הראש. לעומת זאת באופנוע, הארכת המזלג תשפיע בצורה הפוכה על זווית ההיגוי, מכיוון שהזווית נמדדת בכיוון ההפוך.

שינוי היסט המזלג
הגדלת היסט המזלג מקטינה את המהלך. אם היא מבוצעת על מזלג קיים באמצעות כיפוף מבלי להאריך את הצינורות, גורמת לקיצור המזלג.

ראו גם
 דינמיקה של אופניים ואופנועים

קישורים חיצוניים
 https://www.bikeradar.com/features/the-ultimate-guide-to-bike-geometry-and-handling
 https://web.archive.org/web/20131214153905/http://www.ridermagazine.com/motorcycle-features/understanding-motorcycle-rake-and-trail.htm/
 https://calfeedesign.com/geometry-of-bike-handling/
 https://dclxvi.org/chunk/tech/trail/
 http://wotid.com/tls/content/view/24/53/

קטגוריה:כלי רכב דו-גלגליים