Connect with us

DT Guide

DT Guide: จักรยานคาร์บอนแตกง่ายจริงหรือ?

ข้อเท็จจริงเกี่ยวกับจักรยานคาร์บอนที่คุณอาจจะยังไม่รู้

Koon

Published

on

บ่อยครั้งที่มีคนปรึกษา DT ว่าอยากจะซื้อจักรยานคาร์บอน แต่ก็ยังลังเล เพราะได้ยินมาว่ามันแตก ชำรุดง่ายกว่าจักรยานที่ทำจากโลหะเช่น อลูมินัมและโครโมลี ความเชื่อนี้เป็นเรื่องจริงหรือเปล่า?

คำตอบคือ ทั้งจริงและไม่จริงครับ

ก่อนที่จะดูว่าจักรยานคาร์บอนมันแข็งแรงหรือบอบบางกว่าจักรยานโลหะ เราต้องทำความเข้าใจศัพท์พื้นฐานที่ใช้ในงานวิศวกรรม และธรรมชาติของวัสดุที่ใช้ทำจักรยานกันก่อน โพสต์นี้จะลงเรื่องเทคนิคนิดนึง แต่จะพยายามอธิบายให้เข้าใจง่ายๆ ครับ

  1. 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
  2. ความทนทาน/ความเหนียว (Toughness) คือคุณสมบัติของวัสดุที่รับแรงกระทำภายนอกได้ โดยไม่หักขาดออกจากกัน (เช่นโลหะบุบ งอ แต่ไม่ขาดหรือแตก)
  3. ความแข็งตึง (Stiffness) คือคุณสมบัติของวัสดุในการต้านทานต่อการเปลี่ยนรูป (deformation) ภายใต้แรงกระทำ
  4. ความเสียหายวิบัติ (Catasthrophic Failure) คือความเสียหายของวัสดุแบบฉับพลัน เช่นวัสดุแตกขาดออกจากกันทันที
  5. ความเสียหายที่เกิดจากความล้าของวัสดุ (Fatigure Failure) คือความเสียหายจากความล้าของวัสดุ เป็นการเสียหายที่เกิดขึ้นจากการที่วัสดุหรือชิ้นส่วนนั้น ๆ เกิดความล้าตัวเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของแรงที่เปลี่ยนแปลงขนาดและกระทำกลับไปกลับมา ซ้ำกันไปเป็นเวลานาน ทำให้วัสดุในจุดที่รับความเค้น (Stress) เกิดการล้าตัวมากขึ้นเรื่อย ๆ ซึ่งจะทำให้วัสดุนั้นเกิดการแตกร้าว (Crack) กลายเป็นความเสียหายวิบัติในที่สุด

ธรรมชาติของคาร์บอนไฟเบอร์

carboncrash

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)

Carbon_fiber_curves

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

carboncrash2

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

The new Cervelo Rca

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?

carboncrash3

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

ถ้าเลือกใช้จักรยานคาร์บอน คุณต้องเข้าใจว่า ผู้ผลิตเขาออกแบบมาให้จักรยานมันรับแรงกระแทก กระทำได้ตามโจทย์การใช้งานครับ ลองดูการทดสอบจักรยานคาร์บอนของ Santacruz บริษัทเสือภูเขาชื่อดังข้างล่างนี้

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

ปัญหาเดียวคือ มันแพงน่ะสิ ^^”

♦♦♦

คูน คือผู้ก่อตั้งดั๊กกิ้งไทเกอร์ และอยากใช้เว็บไซต์นี้ช่วยให้คนไทยอยากขี่จักรยานกันเยอะๆ!

Advertisement
Click to comment

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *