كيف تعمل وسادات فرامل الدراجات: العلم وراء قوة التوقف

هل تساءلت يومًا كيف يمكن لوسادات الفرامل الصغيرة الموجودة على دراجتك أن تتسبب في توقف الراكب ودراجته بسرعة؟

يعرف معظم الناس وظيفة وسادات الفرامل - فهي توقف دراجتك. لكن قليلين يفهمون كيفية عملها. وراء كل توقف سلس ونزول مُحكم، يكمن مزيج من الفيزياء والهندسة وعلم المواد الذكي!

دعونا نلقي نظرة على العلم وراء وسادات الفرامل وما الذي يجعل بعضها يعمل بشكل أفضل من غيرها.

1. الأساسيات: تحويل الحركة إلى حرارة

أتذكرون درس العلوم حين تعلمنا أن الطاقة لا تُستحدث ولا تُفنى، بل تتحول من شكل إلى آخر؟ هذا ما يحدث أثناء عملية الكبح!

عندما تتحرك دراجتك، فإنها تمتلك طاقة حركية - طاقة الحركة.

يمكن حساب الطاقة الحركية من خلال:

0.5 × كتلة النظام × مربع السرعة.

لذلك نرى أن الطاقة الحركية الكلية تعتمد على متغيرين:

1) كتلة الراكب والدراجة

2) السرعة (مدى سرعتك).

كلما زادت كتلة النظام و/أو سرعته، زادت طاقته. ومع ذلك، للسرعة تأثير كبير على الطاقة الكلية، لأن الطاقة الحركية تتناسب طرديًا مع مربع السرعة.

كلما تضاعفت سرعتك، زادت طاقتك الحركية الإجمالية أربعة أضعاف! لهذا السبب، يُعدّ الكبح القوي والموثوق أمرًا بالغ الأهمية في مسارات الانحدار الطويلة على الدراجة!

بالنسبة لفرامل الأقراص الهيدروليكية والتي أصبحت شائعة جدًا هذه الأيام في معظم الدراجات، عندما تسحب ذراع الفرامل، فإن هذا يدفع سائل الفرامل إلى:

1. الفرجار الذي يدفع الفرامل ضد الدوار
2. يؤدي الاحتكاك بين الوسادة والدوار إلى تحويل الطاقة الحركية إلى طاقة حرارية، وربما حتى طاقة صوتية أيضًا (صرير الفرامل) 😖
3. يقوم الدوار والهواء المحيط به بتبديد الحرارة.

إنها عملية تحويل دقيقة: الحركة (الطاقة الحركية) > الاحتكاك > الحرارة (الطاقة الحرارية) > توقف الدراجة.

قلة الاحتكاك = فرملة ضعيفة.

الحرارة الزائدة = بهتان الفرامل، وتلميع وسادات الفرامل وحتى تشوه الدوار!

ولهذا السبب يركز تصميم وسادات الفرامل على التحكم في الاحتكاك والحرارة، وليس مجرد إنشائها.

2. الاحتكاك: أساس قوة الكبح

توقف وسادات الفرامل دراجتك من خلال نوعين من الاحتكاك:

الاحتكاك اللاصق

عندما تضغط وسادة الفرامل على الدوار أثناء حركة الدوارات، ينقل الاحتكاك والحرارة طبقة من مادة وسادة الفرامل إلى الدوارات . تُسمى هذه الطبقة طبقة النقل - تخيل أسطح الطرق عندما تتعرض السيارة لحادث احتراق أو انحراف.

هذه الطبقة الناقلة هي سبب أهمية تثبيت دوارات دراجتك بشكل صحيح ! كل راكب دراجة بفرامل قرصية يشهد على ضعف قوة توقفها حتى يتم تثبيتها جيدًا.

عند الكبح، ترتبط طبقة النقل هذه مؤقتًا بالفرامل ، مما يؤدي إلى إبطاء دراجتك وتكون أقل تدميراً بكثير مقارنة بالنوع الآخر من الاحتكاك الذي سنغطيه: الاحتكاك الكاشط.

الاحتكاك الكاشط

يحدث هذا عندما يصطدم سطح الوسادة برفق بالدوار . في كل مرة، تُزال طبقة صغيرة من المادة، محولةً الطاقة إلى حرارة. يؤدي هذا إلى تآكل أسرع للوسادة وتلف للدوار، ولكن هذه هي التكلفة الحتمية لإيقاف دراجتك! لا بد أن تذهب الطاقة إلى مكان ما...

3. الحرارة: العدو الخفي

أثناء الكبح الشديد، يمكن أن تصل درجات الحرارة عند واجهة الدوار مع الوسادة إلى ما يصل إلى 250 درجة مئوية !

مثال:
يحمل راكب دراجة وزنه 75 كجم + دراجة وزنها 9 كجم تسير بسرعة 40 كم/ساعة حوالي 5185 جول من الطاقة الحركية. في حالة كبح من سرعة 40 كم/ساعة إلى التوقف التام بأقصى قوة ممكنة، سترتفع درجة حرارة دواري الفرامل بمقدار 47 درجة مئوية تقريبًا. يُحسب ذلك باستخدام معادلة انتقال الحرارة الأساسية.

Δ T =س/( م × ج) ، أين:

• $Q$ هي الطاقة الحرارية (الطاقة الحركية لـ 5185J)،
• $م$ هي كتلة الدوار (يُفترض أنها 110 جرام)، و
• $ج$ هي السعة الحرارية النوعية لمادة الدوار (بافتراض الفولاذ المقاوم للصدأ).

نفترض أيضًا أن قوة الكبح يتم توزيعها في النهاية بين دوارين متطابقين، ولا يوجد انتقال للحرارة بين نظام الهواء والدوار.

لنفترض أننا فرملنا بسرعة ٥٠ كم/ساعة بنفس الظروف السابقة، فسترتفع درجة حرارة الدوارات الفردية بمقدار ٨٨ درجة مئوية ! تذكر، هذا لا يشمل درجة الحرارة المحيطة.

يمكننا أن نرى مقدار الضرب الذي يجب أن تتحمله الدوارات ووسادات الفرامل، خاصة أثناء النزول الطويل والسريع أو الأنظمة الثقيلة مثل الدراجات الإلكترونية.

بطبيعة الحال، يجب أن تُدير الوسادات والدوار هذه الحرارة بكفاءة. وإلا، تبدأ المشاكل:

• بهتان الفرامل: عند ارتفاع درجة حرارتها، تفقد مادة وسادة الفرامل احتكاكها، مما يؤدي إلى انخفاض مفاجئ في قوة الكبح. لهذا السبب، تُضيف شركات تصنيع وسادات الفرامل، مثل شيمانو، زعانف تبريد إلى دعامة وسادة الفرامل.
• التزجيج: يحدث هذا عندما تذوب الوسادة قليلاً وتتصلب وتصبح ناعمة - مما يقلل من القبضة.
• انحناء الدوار: يؤدي التمدد الحراري غير المتساوي إلى انحناء الدوار، مما يتسبب في حدوث نبض أو احتكاك.

إذا سبق لك أن رأيت دوارات فولاذية تتحول إلى اللون الأصفر/البني/الأرجواني/الأزرق، فهذه علامة على أن الفولاذ بدأ في التأكسد، مما يشير إلى درجات حرارة تزيد عن 200 درجة مئوية.

4. موازنة كل شيء: الحرارة، الجر، التحكم

عمليًا، يُحدد كلٌّ من الاحتكاك وإدارة الحرارة أداء نظام فرامل الدراجة. ولكن كما هو الحال في السيارات، لا تستطيع فرامل الدراجات توليد قوة غير محدودة أو تحمّل درجات حرارة عالية إلى الأبد.

حتى أفضل وسادات وأقراص الفرامل لها حدود. الضغط عليها بقوة زائدة قد يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارتها أو تلمعها أو بهتانها. لكن هناك حدًا آخر أيضًا: قوة الجر .

مهما كانت قوة فرامل سيارتك، فإنها تتوقف بفعالية بقدر تماسك إطاراتك على الطريق أو الممر . إذا تجاوزت قوة الكبح قوة الجر، ستنزلق الإطارات أو تفقد تماسكها، مما يقلل التحكم ويزيد من مسافة التوقف.

لهذا السبب، لا يقتصر نظام الفرامل الجيد على قوة التوقف الهائلة، بل يعتمد أيضًا على التوازن بين:

• توليد احتكاك كافٍ للتوقف بسرعة وأمان
• إدارة الحرارة حتى تظل الفرامل ثابتة، و
• مطابقة تلك القوة مع قدرة الإطار على الحفاظ على التماسك.

من منظور تصميمي، تُركّز فرامل الدراجات الحديثة على هذا التوازن. الهدف هو توفير أقصى أداء كبح دون المساس بالتحكم أو الثبات ، مهما كانت الظروف - إسفلت جاف، حصى سائب، أو مسارات منحدرة مبللة.

5. مواد وسادات الفرامل

نظرًا للتنوع الكبير في المواقف التي قد يجد الشخص نفسه ودراجته فيها، فقد ابتكر المصنعون مجموعة مختارة من وسادات الفرامل المصممة بمركبات مختلفة، كل نوع أكثر ملاءمة لخاصية ركوب معينة من الآخر.

يمكن صياغة مركبات وسادات الفرامل باستخدام مجموعة كبيرة ومتنوعة للغاية من المركبات، وهذا هو السبب في أن كل مصنع لوسادات الفرامل يحرس وصفته الفريدة!

لقراءة المزيد عن المركبات المختلفة المستخدمة بشكل عام، انقر هنا!

6. الأفكار النهائية

الكبح لا يقتصر على القوة فحسب، بل يشمل أيضًا التحكم والثبات والثقة . وراء كل توقف سلس يكمن توازن بين الفيزياء وتصميم المواد.

تحافظ وسادات الفرامل على هذا التوازن في كل مرة تقود فيها. لذا، عند استبدالها، اختر وسادات مصممة علميًا. لأنك تحتاج إلى فرامل موثوقة عندما يتعلق الأمر بقوة التوقف.

اكتشف وسادات الفرامل TracEdge - المصنوعة من قبل المهندسين التايوانيين ذوي الخبرة المشاركين في تصميم وتصنيع وسادات الفرامل لقطاعات السيارات والقاطرات والزراعة!

مع ❤️،
تيم