บ่อยครั้งที่มีคนปรึกษา DT ว่าอยากจะซื้อจักรยานคาร์บอน แต่ก็ยังลังเล เพราะได้ยินมาว่ามันแตก ชำรุดง่ายกว่าจักรยานที่ทำจากโลหะเช่น อลูมินัมและโครโมลี ความเชื่อนี้เป็นเรื่องจริงหรือเปล่า?
คำตอบคือ ทั้งจริงและไม่จริงครับ
ก่อนที่จะดูว่าจักรยานคาร์บอนมันแข็งแรงหรือบอบบางกว่าจักรยานโลหะ เราต้องทำความเข้าใจศัพท์พื้นฐานที่ใช้ในงานวิศวกรรม และธรรมชาติของวัสดุที่ใช้ทำจักรยานกันก่อน โพสต์นี้จะลงเรื่องเทคนิคนิดนึง แต่จะพยายามอธิบายให้เข้าใจง่ายๆ ครับ
- ความแข็งแรง (Strength) คือความสามารถในการทนทานความเครียด (stress) ของวัสดุ ความแแข็งแรงในที่นี้มีหลายประเภท เช่นแข็งแรงต่อแรงดึง (Tensile Strenth), แข็งแรงต่อการอัด (Compressive Strentgh) แข็งแรงต่อการเฉือน (Shear Strength) แข็งแรงต่อการบิด (Torsional Strentgh) แข็งแรงต่อการโค้งงอ (Flexual Strength)แข็งแรงต่อการล้าตัว (Fatigue Strength) และแข็งแรงต่อการกระแทก (Impact Strength) พูดง่ายๆ ความแข็งแกร่งคือความสามารถของวัสดุที่จะทนทานต่อแรงเครียดประเภทต่างๆ โดยวัสดุจะไม่เสียรูป (deformation) ไปเสียก่อน
- ความทนทาน/ความเหนียว (Toughness) คือคุณสมบัติของวัสดุที่รับแรงกระทำภายนอกได้ โดยไม่หักขาดออกจากกัน (เช่นโลหะบุบ งอ แต่ไม่ขาดหรือแตก)
- ความแข็งตึง (Stiffness) คือคุณสมบัติของวัสดุในการต้านทานต่อการเปลี่ยนรูป (deformation) ภายใต้แรงกระทำ
- ความเสียหายวิบัติ (Catasthrophic Failure) คือความเสียหายของวัสดุแบบฉับพลัน เช่นวัสดุแตกขาดออกจากกันทันที
- ความเสียหายที่เกิดจากความล้าของวัสดุ (Fatigure Failure) คือความเสียหายจากความล้าของวัสดุ เป็นการเสียหายที่เกิดขึ้นจากการที่วัสดุหรือชิ้นส่วนนั้น ๆ เกิดความล้าตัวเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของแรงที่เปลี่ยนแปลงขนาดและกระทำกลับไปกลับมา ซ้ำกันไปเป็นเวลานาน ทำให้วัสดุในจุดที่รับความเค้น (Stress) เกิดการล้าตัวมากขึ้นเรื่อย ๆ ซึ่งจะทำให้วัสดุนั้นเกิดการแตกร้าว (Crack) กลายเป็นความเสียหายวิบัติในที่สุด
ธรรมชาติของคาร์บอนไฟเบอร์
พระเอกของเรื่องนี้ก็คือวัสดุคาร์บอนไฟเบอร์ที่นำมาใช้ทำชิ้นส่วนจักรยาน คาร์บอนไฟเบอร์ (ขอเรียกสั้นๆว่า CF) ที่เราเห็นกันเป็นรูปต่างๆ เช่นท่อจักรยาน ล้อจักรยาน จริงๆ แล้วด้านในของมันนั้นเป็นเส้นใย (fabric/fiber) ที่สานต่อกัน และประสานด้วยเรซิ่นกับกาว พอนำเข้าไปอบในโมลด์ต้นแบบแล้วมันก็จะออกมาเป็นชิ้นส่วนคาร์บอนที่มีความแข็งนั่นเอง
แต่เนื้อแท้ของมันก็คือเส้นใยครับ เหมือนเสื้อผ้านั่นแหละ
เส้นใยที่ว่านี้ช่วยเพิ่มความแข็งแรงให้กับ CF อ่านแล้วอาจจะงง เปรียบเทียบง่ายๆ ครับ ถ้าคุณลองฉีกเสื้อยืดให้ขาดเป็นสองชิ้นโดยดึงจากปลายเสื้อทั้งสองด้าน มันฉีกได้ง่ายมั้ย? ตอบได้เลยว่ายากมาก นั่นก็เพราะว่าเส้นใยผ้าที่ถักทอสานกันช่วยเพิ่มความแข็งแรง (Strentgh) ให้กับตัวเสื้อ แต่ถ้าคุณฉีกเสื้อโดยเริ่มจากขอบ (เหมือนฉีกกระดาษ) ผ้าก็จะขาดง่ายกว่าดึงออกจากกันตรงๆ เหมือนวิธีแรก และจะยิ่งฉีกง่ายเข้าไปใหญ่ถ้าเสื้อมีรูขาดอยู่แล้ว เส้นใยคาร์บอนไฟเบอร์ก็มีคุณสมบัติแบบเดียวกัน
ด้วยคุณสมบัติที่เป็นวัสดุเส้นใยถักทอกัน CF จึงมีความแข็งแรงยิ่งกว่าอลูมินัมและโครโมลี
แต่ CF ไม่ใช่วัสดุที่ “เหนียว” (tough) เป็นเหตุผลว่าทำไมโลหะถึง “บุบ” แต่คาร์บอน “แตก” เมื่อโดนแรงกระแทกนั่นเอง
ตัวอย่างง่ายๆ เป็นปัญหาที่เจอได้บ่อยมาก เทียบการขันน๊อตแฮนด์คาร์บอนกับแฮนด์อลู: ทั้งอลูและคาร์บอนเป็นวัสดุที่ไม่ชอบแรงอัด (Compressive Strength) ถ้าคุณขันน็อตสเต็มบีบแฮนด์คาร์บอนแรงเกิน แฮนด์จะแตกร้าว ใช้ไม่ได้ ต้องเปลี่ยนทิ้ง นั่นก็เพราะคาร์บอนมีความแข็งแรง แต่ไม่มีความเหนียว กลับกันถ้าคุณขันน็อตยึดแฮนด์อลูแรงเกิน แฮนด์ก็จะบุบ แต่ไม่แตก อลูแข็งแรงน้อยกว่าคาร์บอน แต่มันมีค่าความเหนียวมากกว่าทำให้มันยังคงรูปและใช้งานต่อได้ (แต่อันตรายหรือเปล่าไม่รู้)
เวลาคนเห็นรูปอุบัติเหตจักรยานคาร์บอนที่แตกเป็นชิ้นๆ แล้วก็กลัวกันไปว่าจักรยานคาร์บอนไม่ปลอดภัย ชีวิตจริงมันไม่ได้เป็นแบบนั้น ข้อเท็จจริงทางวิศวกรรมก็คือ ถ้าจักรยานคุณเจอแรงกระแทกมากพอจะทำให้เฟรมคาร์บอนแตก (ความเสียหายขั้นวิบัติ) แรงเดียวกันนั้นก็มากพอจะทำลายจักรยานโลหะจนขี่ไม่ได้เช่นกัน
ถ้าเทียบเรื่อง Fatigue (ความล้า) แล้ว CF นั้นแข็งแรงยิ่งกว่าโลหะหลายเท่า CF ไม่ล้าเหมือนโลหะเพราะมันมีความเหนียวของวัสดุต่ำ ถ้าจักรยานโลหะคุณมีรอยบุบหรือร้าว มันก็จะมีขนาดใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ จนขาดได้ถ้ายังใช้งานต่อไปโดยไม่ระวัง ซึ่งจุดนี้ — ที่คุณสามารถปั่นจักรยานโลหะที่บุบต่อได้เรื่อยๆ ไม่เหมือนจักรยานคาร์บอนที่แตกแล้วไม่กล้าขี่กัน — เป็นเหตุผลที่ทำให้คนกลัวจักรยานคาร์บอนเสียหาย
ตัวอย่าง
สมมติเฟรมอลูคุณโดนกระแทกด้วยแรงประมาณ 1000 นิวตันต่อตารางมิมิลเมตร (N/mm²) (ตัวเลขสมมติ) เฟรมคุณอาจจะบุบ รอยร้าวมันใหญ่ขึ้นจนคุณเห็น แล้วเปลี่ยนเฟรมในที่สุด
ขณะเดียวกัน จักรยานคาร์บอนอาจจะไม่เป็นอะไรเลยที่แรงกระแทก 1000 N/mm² แต่อาจจะแตกหักทันทีที่แรง 2000 N/mm²
ถามว่าเฟรมตัวไหน “บอบบาง” กว่ากัน? มองเผินๆ คุณอาจจะคิดว่าเฟรมคาร์บอน เพราะมันแตก พัง ขี่ต่อไม่ได้ แต่ถ้าเฟรมอลูเจอแรง 2000 N/mm² เหมือนกันก็การันตีได้เลยว่าเฟรมพังจนขี่ต่อไม่ได้เช่นกันครับ
จักรยานคาร์บอนไม่เหมือนกันเสมอไป
สิ่งที่ต้องเข้าใจก็คือ จักรยานคาร์บอนจากแต่ละยี่ห้อนั้นมีคุณสมบัติต่างกันพอสมควร ในที่นี่หมายถึงทั้งเรื่องความสติฟและความแข็งแรง
เพราะอะไร?
เพราะว่าคุณสมบัติของคาร์บอนขึ้นอยู่กับการเรียงตัวของเส้นใยครับ กระบวนการการเรียงตัวเส้นใยหรือที่เราเรียกว่า layup และสูตรน้ำยาเรซิ่นที่ใช้เป็นตัวประสาน ทั้งสองอย่างนี้เป็นสูตรลับของแต่ละบริษัท เพราะมันคือทุกสิ่งทุกอย่างของจักรยานคันนั้นๆ เฟรมจะสติฟ จะย้วย จะแข็ง ด้าน ตื้อ มันขึ้นอยู่กับทิศทางการ layup และเรซิ่นที่ใช้ล้วนๆ เช่นบริเวณกระโหลกจักรยาน (Bottom Bracket) เราอยากให้มันสติฟมากๆ เพื่อรับแรงกดบันไดได้ดี ไม่ให้ตัว เขาก็จะวางทิศทางคาร์บอนให้เป็นแนวนอนขนานกับกระโหลก แต่ในท่อนั่ง (Seat tube) ที่เราอยากให้มันให้ตัวได้เล็กน้อยเพื่อช่วยกระจายแรงกระแทก (รถจะได้นิ่ม) ทิศทางการ layup ก็จะเป็นแนวเฉียง
บริษัทที่บรรลุเรื่องการวาง layup ย่อมทำจักรยานออกมาได้ดีกว่าคู่แข่ง เทคนิคพวกนี้ก็จะเป็นความลับของบริษัทครับ เขาอาจจะบอกแค่ว่าใช้เนื้อคาร์บอนอะไรบ้าง เช่น Toray T700, T800, T1000 แต่ “รุ่น” ของคาร์บอนนี้ไม่ได้บอกเลยว่าจักรยานจะขี่ดีตามโจทย์การใช้งานของมันหรือเปล่า
เนื้อคาร์บอนมีผลต่อความเปราะ
เราคงได้ยินคำว่า “High Modlus Carbon” (Hi-Mod) กันบ่อยๆ แต่มันคืออะไร? High Mod อธิบายคร่าวๆ คือเส้นใยคาร์บอนที่มีความสติฟสูงมาก เพราะเส้นใยมีขนาดเล็กและแน่นกว่าเนื้อคาร์บอนทั่วไปที่ขนาดพื้นที่เดียวกัน
ข้อดีคือมันทำให้วิศวกรผลิตชิ้นส่วนคาร์บอนน้ำหนักเบาได้โดยใช้เนื้อคาร์บอนน้อยลง แต่ยังได้ความสติฟเท่าเดิม เป็นเหตุผลที่ว่าทำไมเฟรม Hi-Mod ถึงมีน้ำหนักเบา เพราะเฟรมพวกนี้ใช้เนื้อคาร์บอน High modulus ในปริมาณที่มากกว่าเฟรมทั่วๆ ไป เช่นยกตัวอย่างแบรนด์ดัง เฟรม Specialized ในไลน์ S-Works จะใช้เนื้อคาร์บอน High Modulus ปริมาณมากกว่าเฟรมตัวเดียวกันที่ไม่ใช่รุ่น S-Works หรือ Cervelo RCA ก็ใช้เนื้อ High Modulus มากกว่าเฟรม R5, R3 และ R2 น้ำหนักก็เบากว่าถึงจะมีหน้าตาเหมือนกัน และเป็นเฟรมไซส์เดียวกัน
แต่!!!
ปัญหาของเนื้อ High Modulus ก็คือมีความเปราะบางกว่าเนื้อคาร์บอนทั่วไป เพราะถ้าเนื้อเฟรมส่วนใหญ่ทำจากใยผ้าคาร์บอน High modulus มันก็จะสติฟมาก ให้ตัวได้น้อย ถ้าเจอแรงกระแทกแล้ววัสดุไม่ให้ตัวเลย ก็จะแตกง่ายนั่นเอง กลับกันเฟรมคาร์บอนราคาถูกที่ใช้ไฟเบอร์ธรรมดาจะให้ตัวได้มากกว่า ทำให้ทนกว่า (แน่นอนว่าน้ำหนักก็มากกว่าและอาจจะไม่สติฟเท่าเฟรม high mod)
ทั้งนี้ จักรยานที่บอกว่าใช้เนื้อ High Mod ไม่ได้แปลว่าเขาใช้เนื้อนี้ทั้งคันครับ เขาใช้ผสมกัน เพราะฉะนั้นจักรยานคาร์บอนถูกๆ หรือจักรยาน OEM โรงงานโนเนม ก็อาจจะโม้ว่าใช้เนื้อ High Mod เช่น Toray T1000 ได้เหมือนกัน แต่จริงๆ อาจจะใช้แค่เสี้ยวเดียว… ไม่มีใครผลิตจักรยานจากเนื้อคาร์บอน High Mod 100% เพราะนอกจากจะแพงแล้ว จักรยานที่ได้มาจะปั่นได้ห่วยบรม ทั้งแข็ง ทั้งบอบบาง การทำรถเบา สติฟที่ดีอยู่ที่การเลือกใช้ประเภทเนื้อคาร์บอนได้ถูกจุด จริงว่าจักรยานตัวท๊อปอาจจะใช้เนื้อ High mod มากกว่ารุ่นถูก แต่เขาก็ผสมเนื้อคาร์บอนเกรดธรรมดาด้วย
เพราะฉะนั้นเฟรมคาร์บอนตัวท๊อปที่เบามากอาจจะไม่ใช่ทางเลือกที่ดีเสมอไป ถ้าคุณอยากจะใช้จักรยานสมบุกสมบัน ได้อย่างก็เสียอย่าง
แล้วเราต้องกังวลว่าเฟรมคาร์บอนจะแตกมั้ย?
ตอนนี้เทคโนโลยีคาร์บอนไฟเบอร์และวัสดุคอมโพสิทมาไกลมากแล้ว คาร์บอนไฟเบอร์แข็งแรงพอจะใช้ทำปีกเครื่องบินและกระสวยอวกาศ…คุณอาจจะเคยได้ยินเรื่องอุบัติเหตเฟรมคาร์บอนแตก เพราะเรื่องงี่เง่า อย่างทำคีมตกใส่ท่อนอน แค่นั้นก็เฟรมร้าว (omg!) หรือแตกเพียงเพราะล้มเบาๆ… แต่ชีวิตจริงคาร์บอนมันทนมาก จะยังไงก็ตาม ถ้ามีอุบัติเหตที่ร้ายแรงพอจะทำให้เฟรมคาร์บอนแตกหักออกจากกัน (ความเสียหายขั้นวิบัติ) มันก็ร้ายแรงพอที่จะทำลายเฟรมโลหะได้เช่นกัน
ลองสังเกตเฟรมอลูมินัมที่น้ำหนักเบามากๆ (พวกอลูตัวท๊อป) ถ้าลองลูบๆ คลำๆ ดีดๆ หรือส่องลงไปในรูที่เสียบหลักอาน คุณจะเห็นว่ามันเป็นอลูที่มีขนาดผนัง (wall thickness) บางมาก จะลดน้ำหนักได้มันก็ต้องลดปริมาณเนื้ออลูมินัมที่ใช้ถูกไหม? ความบางของท่อนอกจากจะทำให้เฟรมไม่แข็งแรง บุบง่ายแล้ว ยังมีค่า yield strength ต่ำซึ่งก็คือจุดที่ชิ้นโลหะไม่สามารถกลับคืนสภาพเดิมได้
ผมเคยทำคีมตกใส่ท่อเฟรมอลูชื่อดังแบรนด์หนึ่ง คีมไม่ได้มีน้ำหนักมากเลย เป็นคีมเล็กๆ แต่เฟรมบุบครับ ถ้าบุบเล็กน้อยก็อาจจะไม่เป็นไร แต่ถ้าบุบเยอะ เช่นเพราะชน สุดท้ายความล้าตัว (fatigue) ก็จะทำให้เฟรมฉีกขาดในที่สุด
ถ้าเฟรมคาร์บอนร้าวหรือเสียหายในส่วนที่ไม่ได้รับน้ำหนักมาก (เช่นกระโหลก ตะเกียบ ท่อคอ) คุณสามารถส่งซ่อมได้ในราคาที่ไม่แพงมาก ว่ากันตรงๆ แล้วสมัยนี้ซ่อมเฟรมคาร์บอนง่ายกว่าเฟรมโลหะเสียอีก ในบ้านเราก็มีผู้เชี่ยวชาญรับซ่อมหลายที่ครับ
คุณจะเห็นว่าเขา การทดสอบทั่วไปของเขาที่ทดสอบความแข็งแรงของเฟรมผ่านแรงกด แรงดึง หรือแม้แต่แรงกระแทกที่มากพอจะทำลายเฟรมอลูมินัมได้ เฟรมคาร์บอนยังรับได้สบาย แม้แต่การจับเฟรมหวดกับเหลี่ยมคอนกรีตเฟรมคาร์บอนยังไม่เป็นอะไรเลย O_O
สรุป
มาร์คัส สตอร์ก (Storck Bicycle) และบ็อบ พาร์ลี (Parlee Bicycle) สองพ่อมดแห่งวงการจักรยานคาร์บอน เคยบอกไว้ว่า คาร์บอนไฟเบอร์คือที่สุดของเทคโนโลยีวัสดุที่จะใช้ทำจักรยานในยุคนี้ เพราะคุณสามารถ customise คุณสมบัติของจักรยานได้ไม่รู้จบ อยากให้เบาแค่ไหน แข็งแรงเท่าไร สติฟมากน้อย อยากให้นิ่มสบาย หรือกระด้างพอสนุกก็ทำได้ทั้งหมด ทั้งยังมีน้ำหนักเบาและมีความสติฟมากกว่าโลหะที่น้ำหนักเท่ากัน และสำคัญที่สุดคือจะทำออกมาในรูปไหนก็ได้ ไม่ต้องเป็นท่อกลมเหมือนโลหะ ความยืดหยุ่นตรงนี้เป็นเหตุผลที่ว่าทำไมจักรยานคาร์บอนถึงกลายเป็นมาตรฐานวงการจักรยานประสิทธิภาพสูงตอนนี้ครับ
♦♦♦
เปิดโลกความรู้เลยครับ…กำลับสงสัยเรื่องนี้เลยเซิร์ทเจอบทความนี้
ขอบคุณความรู้ครับ