ล้อเบาขึ้นเขาไวจริงหรือ?

ชั่วโมงนี้มีล้อจักรยานเสือหมอบให้เลือกเต็มไปหมด ตั้งแต่ราคาไม่กี่พันจนคู่ละเกือบสองแสนบาท ผู้ผลิตหลายรายอ้างว่าล้อของเขานั้นเบาและช่วยให้ปั่นดีปั่นเร็ว เทคโนโลยีคาร์บอนไฟเบอร์และอลูมินัม — สองวัสดุหลักที่ใช้ผลิตล้อก็พัฒนาไปไกลมาก จนเดี๋ยวนี้เรามีล้ออลูมินัมน้ำหนักไม่ถึง 1300 กรัมให้เลือกใช้ หรือจะเป็นล้อคาร์บอนขอบสูงแบบ clincher ที่หนักไม่ถึง 1400 กรัมต่อคู่ ก็มีไม่น้อยครับ

 

ฟิสิกส์ของล้อจักรยาน

ผู้ผลิตล้ออาจจะบอกน้ำหนักมาแบบทั้งเซ็ต แต่น้อยแบรนด์ที่จะบอกว่าน้ำหนักของล้อส่วนใหญ่ มาจากไหน ดุมเบาหรือขอบล้อเบากว่ากัน? ทำไมเราต้องรู้ว่าน้ำหนักส่วนใหญ่ของล้ออยู่ที่ไหน? เพราะมันมีผลต่อคาแรคเตอร์การปั่นของล้อ และประสิทธิภาพโดยตรง

เรื่องของล้อจักรยานว่ากันแล้วมันก็เป็นวิทยาศาสตร์ฟิสิกส์ล้วนๆ คำถามที่ว่าขอบล้อหนักหรือดุมหนักดีกว่ากันนี่ถกเถียงกันมานาน วันนี้เราลองใช้วิทยาศาสตร์ทำความเข้าใจดู และจะเสริมด้วยคำแนะนำจากผู้ผลิตล้อชั้นนำอย่าง Mavic และ Zipp เพื่อตอบคำถามที่ว่า น้ำหนักล้อมีผลกับประสิทธิภาพการปั่นแค่ไหน?

อันดับแรกเรามาดูกันก่อนว่า น้ำหนักของล้อที่ดุมและวงล้อ มีผลต่อการปั่นมากน้อยยังไง?

ถ้าเราจะเปรียบเทียบผลของน้ำหนักดุม (hub) กับวงล้อ (rim) ต่อการปั่น มันก็คือคำถามที่ว่า แรงเฉื่อย (Inerrtia) หรือ ความพยายามเคลื่อนที่ไปข้างหน้าของวัตถุ (momentum) มีผลต่อการปั่นมากกว่ากัน?

ลองโจทย์การทดลองขึ้นมาง่ายๆ เพื่อให้เห็นภาพ สมมติคุณมีล้อสองคู่ที่ดีไซน์เหมือนกัน น้ำหนักรวมเท่ากัน แต่

• ล้อ A ดุม (hub) หนักกว่าล้อ B
• ล้อ B วงล้อ (rim) หนักกว่าล้อ A

ตามหลักฟิสิกส์ ล้อ B จะมีแรงเฉื่อย (Intertia) มากกว่า: ยิ่งในระบบมีมวลอยู่ห่างจุดศูนย์กลางการหมุน (Center of rotation) เท่าไร ก็ยิ่งใช้อัตราเร่งให้วัตถุเคลื่อนที่มากขึ้นเท่านั้น

ยกตัวอย่างในชีวิตจริงเพื่อให้เข้าใจง่ายขึ้น ลอกนึกถึงนักสเก็ตน้ำแข็งที่เขากำลังจะหมุนตัว (ดูวิดีโอข้างล่างนี้ประกอบ) เวลาที่นักสเก็ตจะหมุนตัว เขาใช้แรงบิดจากลำตัวซึ่งอยู่กับที่และไม่เคลื่อนไหว (center of rotation) และเริ่มหมุนตัวด้วยการกางแขนออก

แต่เพื่อให้การหมุนตัวเร็วขึ้น นักสเก็ตจะหุบแขนเข้า ทำไมหุบแขนเข้าหาตัวแล้วถึงหมุนตัวได้เร็วขึ้น?

เมื่อนักสเก็ตหุบแขนเข้าหาตัว เขาดึงเอาน้ำหนักที่อยู่ห่างจุดศูนย์กลางการหมุนเข้ามาให้ใกล้ขึ้น ทำให้แรงเฉื่อยลดลง เมื่อแรงเฉื่อยลดลง มวล (น้ำหนักตัวนักสเก็ต) คงที่ ความเร็วในการหมุนก็เพิ่มขึ้นโดยธรรมชาติ

หรือแปลออกมาเป็นสมการได้ตามนี้ครับ

L = rmv

• L = Angular momentum
• r = ระยะห่างระหว่างมวลและจุดศูนย์กลางการหมุน
• m = มวล (ในที่นี้คือน้ำหนักตัวนักสเก็ต)
• v= velocity หรือความเร็ว

เมื่อ L คงที่ (ตามกฏนิวตันข้อที่ 2), แต่ r ลดลง (แขนที่กางออกหุบเข้ามาหาลำตัว), และ m คงที่ (น้ำหนักตัวไม่เปลี่ยนแปลง) เพราะฉะนั้น V หรือความเร็วการหมุนก็ต้องเพิ่มขึ้น!

ถ้าจับหลักการข้างบนมาโยงกับล้อจักรยานก็จะสรุปได้ว่า วงล้อที่เบาจะช่วยให้เราเร่งออกตัวได้ดีกว่าล้อที่วงล้อ (rim) หนัก เพราะมันใช้พลังงานในการหมุนน้อยกว่า

Mavic ผู้ผลิตล้อรายใหญ่จากฝรั่งเศสเคยทำการทดลองง่ายๆ เพื่อทดสอบสมมติฐานนี้ครับ

• ใช้ล้อสองแบบรุ่นเดียวกันในการทดลอง
• ล้อคู่ A ติดน้ำหนักถ่วง 50 กรัมที่วงล้อ (rim)
• ล้อคู่ B ติดน้ำหนักถ่วง 50 กรัมที่ดุม (hub)
• ให้ผู้ทดสอบปั่นขึ้นเนินความชันเฉลี่ย 10% ด้วยกำลัง 500 วัตต์คงที่ แล้วจับเวลาว่าล้อคู่ไหนจะใช้เวลามากกว่าในการขึ้นไปคงความเร็ว 20 กิโลเมตรต่อชั่วโมง
• ผลสรุปคือ ล้อคู่ A ที่ถ่วงน้ำหนักที่ขอบล้อต้องใช้เวลา 5 เท่าในการเร่งความเร็วให้ถึง 20 kph เทียบกับล้อคู่เดียวกันบนทางราบ
• ล้อคู่ B ที่ถ่วงน้ำหนักที่ดุม ใช้เวลามากกว่าล้อธรรมดา 4 เท่าในการเร่งความเร็วให้ถึง 20 kph เทียบกับล้อคู่เดียวกันบนทางราบ
• Mavic สรุปว่าล้อที่ขอบล้อเบาจะได้เปรียบเวลาขึ้นเขาอย่างเห็นได้ชัด อย่างไรก็ดี ล้อที่น้ำหนักบริเวณขอบล้อมากกว่านั้นคงความเร็วได้ดีกว่าบนทางราบ

ล้อหนักๆ ปั่นทางราบดีกว่าจริงหรือ? — The Flywheel Effect

จากข้อสังเกตของ Mavic ถ้าเส้นทางที่เราปั่นเป็นทางราบ 100% เราเลือกใช้ล้อหนักๆ จะทำให้ออกแรงน้อยกว่าหรือเปล่า เพราะวงล้อที่หนักก็ควรจะมีแรงเหวี่ยงมากกว่าล้อเบาๆ งั้นสิ? มันคือเรื่องของ Flywheel Effect

อองเดรจ์ โซเซงก้า เจ้าของสถิติ Hour Record ในปี 2005 เชื่อในหลักการนี้ครับ เขาใช้ล้อหลังน้ำหนัก 3.2 กิโลกรัมในการทำลายสถิติของคริส บอร์ดแมน ทำได้ระยะทางรวม 49.7 กิโลเมตรในเวลาหนึ่งชั่วโมง และเป็นสถิติที่อยู่ยืนยาวร่วมสิบปี จนเยนส์ โว้ก ทำลายได้ในเดือนกันยายนปี 2014

โซเซงก้าบอกสื่อว่าถึงแม้ล้อหนักจะใช้เวลาในการเร่งให้ไปถึงความเร็วสูงสุด (acceleration time) นานกว่าล้อเบาๆ และใช้แรงเยอะกว่าในการเร่ง แต่ถ้าขึ้นถึงความเร็วคงที่ที่ต้องการแล้ว จะใช้แรงในการคงความเร็วนั้นน้อยกว่า

ในมุมกลับเอ็ดดี้ เมิร์กซ์ ที่ทำลายสถิติ Hour Record ในปี 1972 กลับพยายามทำจักรยานของเขาให้เบาที่สุด เพราะเมิร์กซ์เชื่อว่ารถและล้อยิ่งเบา ยิ่งใช้แรงน้อย รถของเขาทั้งคันหนักเพียง 5.5 กิโลกรัมเท่านั้น

คำถามคือ ใครถูกใครผิด? คงตอบได้ยาก เพราะทั้งคู่ทำลายสถิติ Hour Record สำเร็จ แต่ DT เคยคุยกับวิศวกรของ Zipp ในงาน Eurobike ปี 2014 เพื่อถามคำถามนี้โดยเฉพาะ (สงสัยมานานครับ) Zipp บอกว่า ทีมงานเคยทดลองสมมติฐานนี้เหมือนกันและพบว่า ล้อที่ขอบหนักจะได้ความเร็วสูงกว่าล้อขอบเบา “บางครั้ง” เท่านั้น และต้องเป็นการปั่นทางราบ 100% โดยเฉพาะ และจะเหมาะกับนักปั่นที่เน้นออกแรงกดมากกว่าแรงดึง เพราะวงล้อหนักๆ จะช่วยเติมพลังในจังหวะดึงลูกบันไดขึ้น อย่าลืมว่าในการทำลาย Hour Record นักปั่นอยู่ในสภาพเส้นทางที่คงที่ 100% เพราะปั่นในเวโลโดรม ไม่มีปัจจัยอื่นมากวนมากนัก

อย่างไรก็ดี Zipp บอกต่อว่า ล้อที่ขอบหนักมักจะให้ประสิทธิภาพได้แย่กว่าล้อน้ำหนักเบาเกือบทุกกรณีเพราะแรงที่เราต้องออกเร่งสู้กับแรงเฉื่อยของล้อหนักๆ นั้นสุดท้ายแล้วก็กินแรงปั่นของเราโดยรวม นักปั่นส่วนใหญ่ไม่ได้ปั่นเส้นทางที่เป็นทางราบตลอดเวลา และเราไม่ได้ออกแรงเพื่อเอาชนะแรงเฉื่อยเพียงอย่างเดียว แต่ยังต้องสู่กับแรงต้านลม (aerodynamic drag) และแรงเสียดทานผิวถนน (rolling resistance) ด้วย

เช่นนั้นแล้ว ล้อที่น้ำหนักเบา จะขอบเบาหรือดุมเบาย่อมช่วยประหยัดแรงในการปั่นโดยรวมได้ดีกว่านั่นเอง ถ้าลมต้านแรงก็เหมือนคุณกำเเบรคลดความเร็วลง ถ้าจะเร่งออกตัวเพื่อไล่ตามคู่แข่งก็ต้องใช้แรงมากขึ้นหากคุณใช้ล้อหนัก ยิ่งในการแข่งขันที่คุณอาจจะต้องเบรคชะลอความเร็วบ่อยๆ เวลาปั่นกลุ่ม หรือเวลาต้องเร่งออกตามคู่แข่งระหว่างขึ้นเนิน ซึ่งมักจะเป็นจุดตัวตัว ล้อที่ขอบเบาก็จะช่วยออมแรงตรงนี้ได้ดี

สรุป

จากหลักฟิสิกส์ข้างต้น เราสรุปได้ว่าคุณจะใช้แรงมากกว่าในการเร่งวัตถุที่น้ำหนักส่วนใหญ่อยู่ห่างนอกจุดศูนย์กลางการหมุน (ขอบล้อ) เทียบกับวัตถุเดียวกันที่น้ำหนักส่วนใหญ่อยู่ใกล้ศูนย์กลางการหมุน (ดุม) ในการปั่นขึ้นเขาที่คุณอาจจะต้องออกแรงเร่งหลายครั้ง ล้อเบาช่วยประหยัดแรงได้ไม่น้อย

ถ้าเราดูจากการทดลองของ Mavic เห็นได้ชัดว่าเราต้องใช้แรงปั่นในการออกตัวสู้แรงเฉื่อยระหว่างขึ้นเนินมากกว่าบนทางราบหลายเท่า (มีแรงดึงดูดเข้ามาเป็นอุปสรรคด้วย) และน้ำหนักล้อที่ขอบเบาก็ประหยัดแรงกว่าล้อที่ขอบหนัก  เพราะฉะนั้นว่ากันวัตต์ต่อวัตต์ ตามวิทยาศาสตร์แล้วล้อที่น้ำหนักเบาช่วยให้ขึ้นเขาได้ดีขึ้น เร็วขึ้น ยิ่งขอบเบายิ่งใช้แรงน้อย

คำถามที่เรายังไม่ได้ตอบกันคือ แรงที่เราใช้เร่งตอนเริ่มต้นออกตัวนั้น มันเยอะขนาดจะทำให้เราเสียแรง/ เวลาเป็นนัยสำคัญที่ทำให้แพ้ชนะการแข่งได้เลยหรือเปล่า? เรื่องนี้คงตอบได้ยาก เพราะมีหลายปัจจัยมาเกี่ยวข้องทั้งเส้นทาง กลยุทธ์การแข่ง ความฟิตของนักปั่น และต่างๆ นาๆ ครับ อย่างน้อยๆ วิทยาศาสตร์ให้ผลออกมาแบบนี้ก็เป็นตัวช่วยทางใจอย่างหนึ่ง ซึ่งมีผลต่อความมั่นใจในการปั่นครับ

แต่ในการเลือกซื้อล้อ น้ำหนักไม่ใช่ปัจจัยเดียวที่ต้องดู แน่นอนว่าอุปกรณ์จักรยานยิ่งเบายิ่งมีราคาแพงครับ ยังมีเรื่องคุณภาพดุม การขึ้นซี่ลวด โปรไฟล์ขอบล้อ ประเภทยางที่ใช้ คุณภาพการเบรค เข้ามาเกี่ยวข้องด้วย ซึ่งพวกนี้ก็มีผลต่อประสิทธิภาพล้อทั้งหมด จะเลือกซื้อล้ออะไรก็คงต้องดูปัจจัยหลายๆ อย่างประกอบกันนะฮะ