Univerza v Ljubljani Pedagoška fakulteta

Trend razvoja kolesarskih koles

Tajda Ribič

Seminarska naloga pri predmetu Didaktika tehnike s seminarjem I

Mentor: doc. dr. Janez Jamšek

Ljubljana, 2013

Povzetek Seminarska naloga je namenjena predmetnim učiteljem Tehnike ter študentom naravoslono tehniških smeri, da se seznanijo z najnovejšimi trendi v razvoju cestnih koles. Primerna je za učence, ki jih še posebej zanima to področje in učitelje, ki izvajajo kolesarski izpit na razredni stopnji, saj so v seminarski nalogi opisani tudi sestavni deli kolesa in njihova uporabnost. V današnjem času se vedno več ljudi ukvarja s kolesarstvom. V zadnjem času je v porastu cestno kolesarstvo, s tem pa narašča tudi trend razvoja cestnih koles (ang. Road bike). Dandanes se precej ukvarjamo z izboljšavami ogrodja kolesa, z namenom zmanjšanja mase in povečanja trdnosti materiala. Namen seminarske naloge je, da seznani bralce s kratko zgodovino kolesa, s sestavnimi deli in najnovejšimi trendi v razvoju cestnih koles. Cilji seminarske naloge so, da bralec spozna najnovejše materiale s katerimi izdelujejo kolesarske okvirje.

Kazalo 1 Uvod........................................................................................................................................ 4 2 Navezava na učni načrt......................................................................................................... 4 3 Pregled obstoječega gradiva................................................................................................. 4 4 Kolo......................................................................................................................................... 4 

4.1 Zgodovina kolesa ............................................................................................................. 4 4.2 Sestavni deli kolesa in njihovo delovanje ........................................................................ 5 

5 Okvir cestnega kolesa............................................................................................................ 8 5.1 Aluminij ........................................................................................................................... 8 5.2 Ogljikova vlakna .............................................................................................................. 9 5.3 Ogljikove nanocevke...................................................................................................... 10 

6 Sklep ..................................................................................................................................... 12 7 Viri ........................................................................................................................................ 13 8 Priloge................................................................................................................................... 14 

8.1 UČNI LIST – Trendi razvoja kolesa (a)......................................................................... 14 8.2 UČNI LIST – Trendi razvoja kolesa (b - rešeno)........................................................... 15 

Deleted: 3

Deleted: 3

Deleted: 3

Deleted: 3

Deleted: 3

Deleted: 3

Deleted: 3

Deleted: 3

Deleted: 3

Deleted: 3

Deleted: 3

Deleted: 3

Deleted: 3

Deleted: 3

Deleted: 3

1 Uvod S kolesom se srečamo že zelo zgodaj v otroštvu, večina otrok v šoli opravi tudi kolesarski izpit. Vse bolj popularno pa je tudi cestno kolesarstvo. Včasih so se z dirkalnim kolesarstvom v veliki večini ukvarjali le moški in je to veljalo že skoraj stereotipno. Zdaj pa na cestnih kolesih vidimo tudi vse več žensk, ki so se v zadnjih letih prav tako podale v ta šport. Zaradi porasta kolesarstva se spreminjajo tudi trendi v razvoju cestnega kolesa. Večini najpomembnejših kolesarskih inovacij lahko rojstvo pripišemo od osemdesetih let dalje in vse kaže, da se po velikih inovacijah na področju prestavljanja, zaviranja, vzmetenja in seveda materialov razvoj še ne bo tako hitro ustavil. Toda v svojem bistvu so za razvoj tega na prvi pogled preprostega prevoznega sredstva, ki je še vse kaj več kot to, zaslužni zgolj trije mejniki. Prvi je bil izum samega kolesa kot del ''bicikla'', ki sega nekaj tisočletij v zgodovino. Drugi tak mejnik je bil tudi verižni prenos na zadnje kolo in pa kot tretji plašči z zračnico, katere je k izumu kolesa prispeval John Dunlop. Smernice razvoja cestnega (dirkalnega) kolesa zadnjih let gredo v to smer, da želimo izdelati lahko, aerodinamično kolo, ki bi bilo zatorej še hitrejše. Razvoj ogljikovih nanocevk in načini obdelave so znatno pripomogli k manjši teži in večji togosti. Prihodnost cestnih koles je torej svetla in polna novih idej kako izboljšati že tako odlično kolo. 2 Navezava na učni načrt Temo seminarske naloge o trendih razvoja kolesarskih koles lahko obravnavamo že v 6. razredu osnovne šole, kjer je operativni cilj v učnem načrtu obnovitev ključnega znanja o opremi kolesa. V učnem načrtu je napisano, da morajo učenci v 8. razredu osnovne šole med ostalimi operativnimi cilji opisati najpogostejše kovine, med katerimi je tudi aluminij. Operativni cilji v 8. razredu so med drugim preizkušanje in ugotavljanje značilnosti kovin, povežejo jih z njihovo uporabnostjo, razložijo vrste in namen površinske zaščite kovin [1]. Učitelj lahko poveže te operativne cilje s primerom kolesa in na takem primeru lahko tudi opiše potek in razlog toplotne obdelave kovin. Dejavnosti v povezavi s kolesom lahko izvedemo tudi v okviru naravoslovnih oziroma tehniških dni. 3 Pregled obstoječega gradiva Zgodovino, glavne sestavne dele kolesa si lahko preberete v knjigi Sebastjana Veharja [2]. Nekaj zgodovine kolesa najdete tudi na spletni strani [3]. Več o kolesarskem izpitu si lahko preberete tudi na spletni strani Javne agencije RS za varnost prometa [4]. Splošno o kolesu si lahko preberete tudi v članku Kolo [6]. Na internetu je veliko zanimivih člankov o samem aluminiju, karbonskih vlaknih in nanocevkah, ki v zadnjih letih uporabljajo za izdelavo kolesa [9 - 12]. B. Conradi pa je napisala strokoven članek o ogljikovih nanocevkah, ki je objavljen v reviji Bicikel [13]. 4 Kolo Dvokolesnik ali tako imenovano kolo je prevozno sredstvo, ki nima lastnega pogona. Kolo poganjamo tako, da zavrtimo pedali in gonilke, ki so na zadnje kolo povezani preko verige in verižnikov. Usmerjamo ga s krmilom na katerega so pritrjene tudi zavorne in prestavne ročice.

4.1 Zgodovina kolesa Kolo je eden prvih pomembnih zgodovinskih izumov. Poznali so ga že davnega leta 3500 pred našim štetjem. Vse od tistega časa pa do danes je kolo doživelo veliko tehnoloških izboljšav. Eno izmed prvih koles (slika 4.1), ki je podoben današnjemu naj bi ustvaril francoz Comte de Sivrac, leta 1690 [3]. Njegov dvokolesnik je bil v celoti lesen. Na trdnem okvirju s sedežem sta bili pritrjeni dve kolesi, bil je brez krmila in brez pedal. Voznik se

5

je premikal tako, da se je odrival z lastnimi nogami, smer pa je kontroliral z nagibanjem celotnega ''lesenega konja''. V naslednjih stotih letih so razvili še krmilo, pogon na pedala in udobnejše sedalo. Iznajdba pedal je hitro predstavila problem, saj se je večja hitrost vozila dosegla le z večanjem sprednjega pedala. Zaradi visoke pozicije kolesarja so le-te kolesa veljala za nevarna. John Kemp Starley je izumil verižni pogon, prenos sile z verigo pa je omogočil normalen premer sprednjega kolesa in posledično tudi večje hitrosti. Za udobnejše kolesarjenje pa so izumili tudi zračnico in kolesarski plašč [2].

Slika 4.1: Comte de Sivrac – kolo [4].

4.2 Sestavni deli kolesa in njihovo delovanje Na kolesu lahko opazimo več pomembnih zgodovinskih izumov. Vsi sestavni deli kolesa imajo nek pomen in so premišljeno sestavljeni skupaj. Prvi izum je kolo, ki so ga poznali že Mezopotamci. Kolo je dobilo napere, ki so bile od začetka toge, nato napete. Obroč kolesa, ki je bil v tistem času kamnit, kasneje tudi lesen, so najprej obložili z usnjem, železom in trdo gumo. Tako je bila v prvih letih edina slabost neudobje, saj je bila vožnja po slabih makadamskih cestah precej nerodna. Leta 1888 pa je John Dunlop na kolo namestil napihljive zračnice, polne gume pa so potonile v pozabo. Kolo nato vrtljivo vpnejo v okvir kolesa. Vrtenje koles omogočajo ležaji. Ležaje je na svojih načrtih skiciral že pred 400 leti Leonardo da Vinci. Nekateri da Vinciju pripisujejo tudi zamisel za verigo in verižni prenos sile med zobatimi kolesi, verižniki. Na kolesu je prvi verižnik togo povezan z gonilno gredjo gonilke, zadnji verižnik pa je povezan z gnano gredjo zadnjega kolesa. Pomemben del sodobnega kolesa je tudi pesto. Pesto je del kolesa, na katerega je z naperami pripet obroč kolesa. Pesto omogoča prosti tek kolesa. Brez tega prostega teka bi se ob vrtenju gonilnega (to je zadnjega) kolesa vedno vrtela tudi pedala. Sodobno kolo pa je opremljeno tudi s prestavami, ki pa so nameščene predvsem za udobnost kolesarjenja. Z njimi spreminjamo prestavna razmerja, s katerimi sta posredno povezani hitrost kolesarjenja in sila, s katero potiskamo pedala med kolesarjenjem. S silami pa so povezani tudi navori, kar pa kaj kmalu preseže določen obseg snovi, ki jo otroci obravnavajo v osnovni šoli [6].

6

Slika 4.2: Kolo s prestavami. Na sliki 4.2 imamo prikazano kolo in njegove dele. Pomembno je poznati tudi naslednje kolesarske izraze:

• verižnik = zobato kolo, • menjalnik = z njim prestavljamo verigo med sosednjimi verižniki pri kolesu s prestavami. Če ima kolo

dva kompleta verižnikov, gonilnih in gnanih, sta tudi menjalnika dva, za vsak komplet svoj, • pesto = del kolesa, na katerega je z naperami pripet obroč kolesa; skozi pesto sprednjega kolesa gre os

sprednjega kolesa, skozi pesto zadnjega kolesa pa os zadnjega kolesa, • gonilka = ročica in pedala; v članku uporabljamo pedala tudi kot sinonim za gonilki v celoti • krmilo = balanca • napera = povezuje pesto in platišče

Na vsakem kolesu imamo vsaj dva verižnika povezana z verigo kot kaže slika 4.3.

Slika 4.3: Verižno gonilo [7]. Ko se gonilni verižnik vrti, z zobci vleče verigo, ki je napeljana čezenj in čez zadnji, gnani verižnik. Ker je zadnji verižnik vpet na zadnje kolo kolesa, se skupaj z zadnjim verižnikom vrti tudi zadnje, gonilno kolo kolesa. Zadnji verižnik je na gred zadnjega kolesa vpet s pestom, ki omogoča prosti tek zadnjega kolesa. Ko se zadnji verižnik zavrti za en obrat, se za en obrat zavrti tudi zadnje kolo kolesa. Zadnje kolo kolesa se pri tem od podlage odriva v vodoravni smeri in kolesar lahko spelje, pospeši ali vozi enakomerno. Takoj lahko opazimo tudi, da verižnika nista enaka. Gonilni je večji, gnani je manjši. Zobci na obeh so enako veliki (široki), ker se zatikajo v isto verigo. Večji gonilni verižnik ima več zobcev (V), manjši gnani jih ima manj (M). Za to pravilo obstajajo tehnični razlogi. Taka izbira verižnikov omogoči večje hitrosti.

7

Prestavno razmerje (4.1) lahko definiramo kot razmerje med številom zobnikov na večjem gonilnem V in manjšem gnanem M na obeh verižnikih.

(4.1) Prestavno razmerje pomeni število obratov zadnjega kolesa pri enem obratu pedal. Pri kolesu brez prestav je prestavno razmerje stalno in je odvisno od premera koles. Večinoma so s predaloma togo povezani trije ali dva različno veliki gonilni verižniki, z zadnjim kolesom pa sedem ali več različno velikih gnanih verižnikov. Veriga lahko teče čez kateri koli gonilnik in kateri koli gnani verižnik. Pri treh gonilnih in sedem gnanih verižnikih obstaja 21 različnih prestavnih kombinacij. V preglednici 4.1 so izračuni prestavnih razmerij s 50 zobmi največjega in 34 zobmi najmanjšega gonilnega verižnika ter 28 zobmi največjega in 11 zobmi najmanjšega gnanega verižnika. Preglednica 4.1: Prestavna razmerja najpogostejšega menjalnika cestnega kolesa [8].

S prednjimi prestavami spreminjamo izbiro gonilnega verižnika, ki pa jo določamo z ročico prednjega menjalnika. Z zadnjimi predstavami pa spreminjamo izbiro gnanega verižnika. To pa določamo z ročico zadnjega menjalnika. Možne izbira razmerij verižnikov kaže slika 4.4.

Slika 4.4: Razmerja zobatih koles. Kolesa so sestavljena tako, da niso vse mogoče kombinacije povsem enakovredne. Vsak posamezen verižnik ima določeno debelino, in ker jih je skupaj sedem ali več, sta legi najmanjšega in največjega v enem kompletu precej narazen (približno 2 cm). To pa pomeni, da se pri prestavljanju spreminja tudi lega verige, zato lahko pride do

8

tega, da se veriga sname z zobnikov. Da se to ne zgodi moramo paziti, da sta gonilni in gnani verižnik v isti ravnini. [6] 5 Okvir cestnega kolesa Okvir cestnega kolesa je glavni del kolesa. Oblika koles, kot jo poznamo danes, torej sega v daljno 19. stoletje. Oblika dveh trikotnikov ali ''Diamond frame design'' (slika 5.1), kot se že imenuje od svojega začetka, je delo angleškega inženirja Harry Lawson-Henryja, ki je leta 1876 izdelal kolo z imenom Varno kolo (''Safety bike''). Kljub veliko bolj ali manj neuspelim poskusom spremembe konstrukcije okvirja, smo danes še vedno na Henryjevi obliki. V zadnjih 137 letih nismo bili deležni bistvene spremembe v konstrukciji kolesa.

Slika 5.1: Okvir kolesa. Za okvir kolesarskega kolesa že od nekdaj uporabljamo kovine. Včasih so za izdelavo uporabljali jeklo (Fe3C) oziroma krom-molibdenovo jeklo (Cr-Mo), zdaj pa največkrat opazimo aluminijasta, karbonska kolesa. Že nekaj časa pa težimo k tem, da mora biti dirkalno kolo hitro in lahko vodljivo in ne glede na to kakšno kolo imamo, vedno želimo še lažje, še hitrejše kolo. Trendi razvoja cestnega kolesarstva se nagibajo k izdelavi čim lažje celotne sestave kolesa. To poskušamo z najrazličnejšimi novimi materiali, s katerimi želimo ustvariti čim lažje kolo, ki bo tudi čim bolj aerodinamično (okvir, komponente, opremo... želimo narediti čim lažje).

5.1 Aluminij Okvir kolesa je največkrat sestavljen iz aluminijeve zlitine. Aluminij je svoj pohod v kolesarstvu začel v osemdesetih letih prejšnjega stoletja. Kovino aluminij s kemičnim simbolom Al učenci spoznajo že v osmem razredu. Spoznajo, da s toplotno obdelavo nekatere zlitine te kovine ojačamo. Prav tako delajo tudi z okvirjem kolesa. Aluminij oziroma aluminijevo zlitino toplotno obdelujejo na različnih temperaturah, glede na sestavo zlitine, in tako povečajo njegovo natezno trdnost. Natezna trdnost nam pove kolikšno silo potrebujemo, da material prelomimo, in manjša kot je, bolj je material krhek. Natezna trdnost aluminijeve zlitine je 90 N/mm2, toplotno obdelana zlitina pa ima natezno trdnost 130-180 N/mm2. Je lažji od jekla, svetel, mehek in primeren za obdelavo. Njegova dobra lastnost je, da je lažji glede na jeklo in ne rjavi. Vsak kvalitetno obdelan aluminij označimo s šestmestno oznako xxxx Tx. To označba velja po standardu že od leta 1954. Prve štiri simboli in zadnji v zapisu so številke, predzadnji pa je črka. Aluminiju dodajajo določene elemente in to je opisano s prvo številko, nato zlitino segrejejo, kar pa opišeta zadnji dve številki. Prva številka v oznaki, na primer pomeni: 1 – 99 % čist aluminij (Al), 2 – dodan baker (Cu), 3 – dodan mangan (Mn), 4 – dodan silicij (Si), 5 – dodan magnezij (Mg), 6 – dodan magnezij in silicij, 7 – dodan cink (Zn). Druga, tretja in četrta številka so za ostale elemente in nečistoče. Predzadnja črka je oznaka T, kot toplotno obdelan, zadnja številka po pomeni stopnjo segrevanja (višja številka pomeni višjo trdnost). Prednosti aluminijevega okvirja so odpornost proti koroziji, lažja tehnologija izdelave in barvanja ter ob pravilni obdelavi je lažji od jekla [2]. Slabost aluminija je, da se stara podobno kot plastika in z leti izgublja prvotne zaželene mehanske lastnosti. Aluminijasti okvir (slika 5.2) je s stališča udobnosti manj primeren material, saj veliko bolj prenaša tresljaje na kolesarja kot železni ali okvir iz ogljikovih vlaken, tudi temperaturni raztezek je pri aluminiju največji.

9

Slika 5.2: Okvir iz aluminija [15]. Naslednji korak v razvoju koles je pomenil razvoj kompozitnih materialov, med katerimi je najboljši karbon. Prvo kolo iz karbona je bilo izdelano že davnega leta 1975, a je bil ojačan z aluminijem. Prvi v celoti narejen okvir iz karbona je bil izdelan leta 1986.

5.2 Ogljikova vlakna Ogljikova vlakna so precej draga, vendar imajo neverjetno visoke posebne mehanske lastnosti. Dve od teh lastnosti sta modul elastičnosti in trdnost kompozitnega materiala. V kompozitih igrajo glavno vlogo utrjevalne faze, matica pa je običajno polimerna rezina, najpogosteje epoksidna smola, redkeje poliester, vinilester ali najlon. Polimerna rezina daje kompozitu obliko, skrbi za porazdelitev ogljikovih vlaken in zagotavlja nosilnost materiala s tem, da prenaša obremenitve na ogljikova vlakna, zmanjšuje koncentracije napetosti ob napakah v kompozitu, ustavlja oziroma zavira napredovanje razpok ter ščiti ogljikova vlakna pred zunanjimi vplivi. Razlogi zakaj se ogljikova vlakna uporabljajo za ojačanje polimerne matice so:

• zelo visok modul elastičnosti, ki presega elastičnost jekla (prbl. 230 N/mm2), • visoka natezna trdnost, ki lahko doseže 7000 N/mm2, • nizka gostota, ki znaša 1800 kg/m3 in • visoka kemična nevtralnost (inertnost).

Ogljikovi kompoziti veljajo za material, ki ponuja najboljše razmerje med težo, trdnostjo, življenjsko dobo ter enostavnostjo uporabe, in to ne le v izdelavi koles. Ogljikova vlakna lahko razdelimo glede na metode izdelave (na osnovi PAN, na osnovi smole). Večina ogljikovih vlaken, ki jih uporabljamo v današnji proizvodnji, izvira iz univerzalnega industrijskega vlakna, poznanega pod imenom poliakrilnitrilno vlakno ali krajše PAN. Gre za sintetično polimerno rezino, ki jo sestavlja ponavljajoče se zaporedje enot kemijskih elementov ogljika, vodika in dušika, povezanih v linearne verige. V prvi vrsti PAN vlakna služijo za prizvodnjo akrilnih vlaken, ogljikova vlakna pa iz njih pridobijo s procesom pirolize. Piroliza je kemijski postopek s katerim PAN vlakna segrevajo do visokih temperatur in tako iz teh vlaken odstranijo vse kemijske elemente, razen ogljika. Svitek ogljikovih vlaken, ki ostanejo, pridobijo v treh korakih. Ta postopek poteka tako, da:

1. PAN vlakna najprej pri temperaturi med 200 do 300 stopinj Celzija stabilizirajo. 2. Temu sledi karbonizacija v atmosferi dušika N2 pri okoli 800 do 1200 stopinj Celzija, ki traja več ur.

Med potekom te stopnje ostali 'ne'ogljikovi elementi (O, N in H) izhlapijo in posledično obogatijo vlakna z ogljikom.

3. In na zadnje še toplotna obdelava grafitizacije med 2000 in 4500 stopinjami Celzija. [9] Včasih po grafitizaciji ogljikova vlakna po potrebi še površinsko obdelajo. Izkoristek pridelave ogljikovih vlaken iz PAN vlaken je približno 50 %. Najbolj priljubljen material matrice za izdelavo polimerov ojačanih z ogljikovimi vlakni so duroplasti kot so epoksidna in poliestrska smola ter pa termoplasti kot so najlon (poliamid). Ena izmed metod izdelave ogljikovih vlaken je tudi izdelava na osnovi smole. Glavna pomanjkljivost ogljikovih (grafitnih) vlaken je to, da so precej krhka in lahko hitro odpovejo. Zato so lastnosti ogljikovih vlaken, kot so dosežene trdnosti in modul elastičnosti, močno odvisne od izbrane

10

temperature karbonizacije in čistosti začetnega materiala. Modul elastičnosti pomeni togost materiala – večji kot je, bolj je material tog. Raziskave so pokazale, da se modul elastičnosti v smeri vlaken zvezno povečuje z višanjem temperature obdelave, največjo trdnost dosežejo vlakna pri 1300 stopinj Celzija. Glede na način priprave in končne mehanske lastnosti ločimo več vrst ogljikovih vlaken:

• ultravisokomodularna vlakna (UHM, modul elastičnosti > 450.000 N/mm2), • visokomodularna vlakna (HM, 350.000 < modul elastičnosti < 450.000 N/mm2), • osrednjemodularna vlakna (IM, 200.000 < modul elastičnosti < 350.000 N/mm2), • nizkomodularna in visoko trdna vlakna (HT, modul elastičnosti < 100.000 N/mm2, natezna trdnost >

3.000 N/mm2) ter • supervisoko trdna (SHT, natezna trdnost > 4.500 N/mm2) [9].

Ogljikova vlakna namenjena za nadaljnjo proizvodnjo, so združena v svežnje (slika 5.3) različnih velikosti, ki so določene s številom vlaken in se podajajo v enoti tisoč (k) vlaken. Svežnji so označeni z oznakami, kot so 1k, 3k, 6k, 12k … svežnji so nato spredeni v tkanino, in več kot je vlaken v svežnju, težje je takšno tkanino oblikovati in jo prilagajati kompleksnim oblikam.

Slika 5.3: Sveženj ogljikovih vlaken [16]. Na mehanske lastnosti tkanine močno vpliva tudi način pletenja svežnjev. Bolj ko se svežnji prepletajo v kompleksne vzorce, več neželenih napetosti in sil se zaradi zvijanja vlaken lahko pojavi v tkanini, saj se karbonska vlakna samo po sebi želijo poravnati. Raziskave so pokazale, da tkanina, sestavljena iz popolnoma urejenih in vzporedno poravnanih ogljikovih vlaken (UNI tkanina), izstopa po moči v točno določeni smeri, to je v smeri vzdolž vlaken. Ta informacija, je v praksi izredno pomembna za izdelavo končnega izdelka s točno določenimi mehanskimi lastnostmi. Tako urejene tkanine se včasih delno nasičijo s polimerno rezino (epoksidno smolo) in s tem proizvajalcem koles dodatno olajšajo proizvodnjo določenih delov kolesa. Material je pripravljen v naprej in ga imenujemo prepreg tkanine. Količina dodane smole v prepregu in tip vlaken pa sta odvisna od kvalitete in namembnosti. Ker morajo biti določeni deli kolesa bolj trdni, drugi bolj togi se za različne dele kolesa uporabljajo prepreg ali tkanine z ustreznimi mehanskimi lastnostmi. V svetu materialov sta natezna trdnost in modul elastičnosti skoraj obratno sorazmerna. To pomeni, da če je ogljikovo vlakno močnejše in odpornejše na zlom, je hkrati manj togo. Pri izdelavi okvirja kolesa je pomembno, da najdemo pravo razmerje med težo okvirja, njegovo togostjo in odpornostjo na močne udarce pri padcu, ki lahko povzročijo razpoke ali celo zlom okvirja. Želene mehanske lastnosti se uravnavajo z večplastnim sestavljanjem različno usmerjenih tkanin oziroma prepregov. V ustrezno obliko dela kolesa lahko večplastno polagajo UNI, 1k, 3k, 12k… preprege pod kotom 0°, 45°, 90° enega na drugega. Število polasti in njihova usmerjenost sta seveda poslovna skrivnost vsakega proizvajalca, rezultat pa čim lažje kolo, ravno prav togo in ravno prav trdno[10].

5.3 Ogljikove nanocevke Z razmahom novejših nano materialov je v zadnjih letih opaziti prenos nano tehnologije tudi v proizvodnjo koles. Zelo pomembne so ogljikove nanocevke, saj veljajo za čudežni produkt nanotehnologije, ki se danes masovno proizvaja in uporablja. Ogljikove nanocevke (ang. Carbon nanotubes - CNT) so podolgovate in tanke

11

valjaste oblike ogljika, ki so jih odkrili že leta 1952. Vendar pa je bilo odkritje, ki je bilo napisano v ruskem jeziku, ravno zaradi rusčine neopaženo. Nekateri zato pripisujejo odkritje letu 1991 [11]. V zadnjih letih je bilo veliko raziskav namenjenih razumevanju mnogih lastnostih, ki jih imajo ogljikove nanocevke. Ena od teh lastnosti je upogibanje nanocevk. Raziskave dokazujejo, da je njihov elastični modul zelo velik. Ugotovili so, da se upogibajo na podoben način kot mikroskopske cevke iz elastičnih materialov. Večkratno vzvojno upogibanje dvostenskih nanocevk pod vplivom toplote ni pokazalo strižnih deformacij valjaste lupine [12]. Najbolj drobne ogljikove nanocevke imajo premer približno 1 nanometer oziroma milijardinko metra, njihova dolžina pa je lahko do nekaj tisočkrat večja. Kot že omenjeno imajo izredne mehanske lastnosti. Ogljikove nanocevke so najmočnejši in najbolj togi materiali, ki so trenutno odkriti, glede na natezno trdnost in elastični modul. Ta moč nanocevk izhaja iz kovalentnih sp2 vezi, ki nastanejo med posameznimi ogljikovimi atomi. Natezna trdnost večplastnih ogljikovih nanocevk znaša tudi do 150.000 N/mm2, modul elastičnosti pa kar do 1.200.000 N/mm2. Njihova gostota znaša le polovico gostote aluminija, približno 1,3 – 1,4 g/cm3, zato so izjemno lahke. So zelo elastične, podobne kot guma. Če nenocevko upognemo za pravi kot in več, se bo sama zravnala nazaj, ne da bi utrpela kakršne koli poškodbe [13].

Slika 5.4: Primer eno stenske nanocevke (A) in več stenske nanocevke (B) [14]. http://www.youtube.com/watch?v=xreZdUBqpJs (0:45 - 5:00) Na zgornjem videoposnetku je prikazan poizkus natezne trdnosti in udarnosti. Preizkušajo okvir cestnega kolesa narejenega iz aluminija in okvir iz karbona.

(a)

(b)

Slika 5.5: Preizkus natezne trdnosti aluminijevega (a) in karbonskega (b) okvirja [17].

Na sliki 5.5 je prikazan preizkus natezne trdnosti. Rezultati prvega poizkusa so, da se aluminijev okvir zlomi pri 664,51 kg, karbonski pa zdrži do 929,86 kg. Nato so okvir obrnili navpično in nanj z različne višine spustili različno težo.

Comment [J1]: Ce imate tu oznacbo (A) potem mora biti tudi na sliki enaka oznacba in ne A. V navodilih imate doloceno (a)!

Comment [J2]: Vse URLje dajte pod literaturo

Comment [J3]: Tudi mesto kje naj bo oznaka podslike je natancno doloceno!

12

(a) (b)

Slika 5.6: Preizkus udarnosti aluminijevega (a) in karbonskega (b) okvirja [17]. Slika 5.6 prikazuje preizkus udarnosti. Aluminijev okvir se je zlomil že pri 38,56 kg in višini 450 mm, karbonski okvir pa se je trajno deformiral šele pri 49,90 kg in višini 900 mm. 6 Sklep Ker tekmi za lažji okvir ni videti konca bodo smernice razvoja cestnih koles zagotovo potekale v to smer. V prihodnjih letih lahko pričakujemo okvirje v območju med 500 do 600 g. Nekateri proizvajalci koles imajo že danes izdelane prototipe okvirjev v tem težnostnem razredu. Na žalost so postopki izdelave za enkrat še predragi za serijsko proizvodnjo. Na tržišču je trenutna teža najlažjega okvirja kolesa 640 g. Togost tega okvirja pa znaša 74 Nm. V zadnjih letih smo deležni tudi precejšnega razvoja na področju aerodinamike. Prihaja do tanjšanja cevi, zakrivanja zavor in tanjšanja sedežnih opor. Zaradi izjemno nizkih tež novodobnih okvirjev je tudi barva na okvirju postala balast, zato so začeli uporabljati premaze s tehnologijo nanodelcev, ki odbijajo umazanijo in vodo. Ogljikove nanocevke so močno pripomogle k lažjemu in trdnejšemu okvirju cestnega kolesa, vendar pa je postopek izdelave še vedno predrag za večino potrošnikov.

13

7 Viri [1] A. Praprotnik in ostali, Učni načrt – Tehnika in tehnologija (Ljubljana, Ministrstvo za šolstvo znanost in

šport, Zavod RS za šolstvo, 2011) http://www.mizs.gov.si/fileadmin/mizs.gov.si/pageuploads/podrocje/os/prenovljeni_UN/UN_tehnika_tehnologija.pdf

[2] S. Vehar, Kolesarski priročnik (Ljubljana, Cirrus Design k.d., 1996) [3] G. Lazar (online), Prevoz na cesti kot kolesarstvo (2012)

http://pouk.smgs.si/PrimeriSpletnihStrani/?pot=./StareBesedeNoveOblike-KotarLazar [4] Comte de Sivrac – kolo: http://www.xtimeline.com/evt/view.aspx?id=56094 [5] Kolesarski izpit (Ljubljana, Kolesarji, Javna agencija RS za varnost prometa) http://www.avp-

rs.si/preventiva/akcije/kolesarji/kolesarski-izpit [6] B. Rovšek, Kolo s prestavami (Ljubljana, Pedagoška fakulteta, 2013) [7] Verižno gonilo: http://www2.arnes.si/~evelik1/tit/Gonila_datoteke/frame [8] Prestavna razmerja najpogostejšega menjalnika cestnega kolesa: http://www.bikecalc.com/gear_ratios [9] dr. D. Kopeliovich, Carbon Fiber Reinforced Composites (SubsTech, Substances & Technologies, Knowlage

source on Materials Engineering, 2012) http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=carbon_fiber_reinforced_polymer_composites

[10] dr. M. Conradi, Okvir iz nanocevk, Karbonska tehnologija, revija Bicikel str. 78 - 97 (Ljubljana, Aktivni mediji d.o.o., 2012)

[11] J. H. Zagal, S. Griveau, M. Santandler-Nelli, S. g. Granados, F. Bedioui, Carbon nanotubes and metalloporphyrins and metalloPhthalocyanines-based materials for electroanalysis (Santiago, Universidad de Santiago de Chile, Paris, Chimie ParisTech, Université Paris Descartes, 2012) http://www.worldscientific.com/doi/pdf/10.1142/S1088424612300054

[12] G.H. Majzoobi, J. Payandehpeyman, Z.B. Nojini, An Investigation Into The Torsional Buckling Of Carbon Nanotubes Using Molecular And Structural Mechanics, (Engineering Faculty in Hamedan, Sciece Faculty in Ahvaz, 2011) http://www.worldscientific.com/doi/pdf/10.1142/S0219581X11008666

[13] H. Sugime, R. A. Oliver, J. Robertson, Low temperature growth of ultra-high mass density carbon nanotube forests on conductive supports (Cambridge, University of Cambridge, 2013) http://scitation.aip.org/docserver/fulltext/aip/journal/apl/103/7/1.4818619.pdf?expires=1385078392&id=id&accname=freeContent&checksum=2E23162D7B44B72FE1473326B92C233A

[14] Primer eno stenske nanocevke (levo) in več stenske nanocevke (desno): http://jnm.snmjournals.org/content/48/7/1039/F1.expansion.html

[15] Okvir iz aluminija: www.ab-bike.com [16] Sveženj ogljikovih vlaken: http://www.cstsales.com [17] Preizkus natezne trdnosti in udarnosti aluminijevega in karbonskega okvirja:

http://www.youtube.com/watch?v=xreZdUBqpJs (0:45 - 5:00)

14

8 Priloge

8.1 UČNI LIST – Trendi razvoja kolesa (a)

1. Kakšno kolo želimo v današnjem času in zakaj? (str. 7) _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. Katero kovino, ki jo učenci spoznajo tudi v osnovni šoli, uporabljajo za izdelavo kolesarskih okvirjev? V katerem razredu jo spoznajo? (str. 7)

_______________________________________________________________________________________ 3. Kdaj je bilo izdelano prvo kolo, ki je bilo v celoti izdelano iz karbona? (str. 8) _______________________________________________________________________________________ 4. Kako imenujemo postopek s katerim segrevajo PAN vlakna? (str. 8) _______________________________________________________________________________________ 5. Po vrsti uredi faze PAN obdelave ogljikovih vlaken. (str. 8)

a. Karbonizacija ___ b. Stabilizacija ___ c. Grafitizacija ___

6. Kaj so ogljikove nanocevke (CNT)? (str. 9) _______________________________________________________________________________________ 7. Obkroži dve pravilni lastnosti ogljikovih nanocevk (CNT):

a. Natezna trdnost CNT znaša do 150.000 N/mm2 b. Gostota CNT je zelo visoka c. Če CNT večkrat upognemo za 90° in več se zlomi d. Gostota CNT je 1,3 – 1,4 g/cm3 e. Elastični modul CNT je precej majhen

15

8.2 UČNI LIST – Trendi razvoja kolesa (b - rešeno)

1. Kakšno cestno kolo želimo v današnjem času in zakaj? (str. 7)

Smernice razvoja cestnega kolesa zadnjih let gredo v to smer, da želimo izdelati lahko aerodinamično kolo. Dirkalno kolo mora biti hitro in lahko vodljivo in ne glede na to kakšno kolo imamo, vedno želimo še lažje, še hitrejše kolo. Trendi razvoja cestnega kolesarstva se nagibajo k izdelavi čim lažje celotne sestave kolesa. To poskušamo z najrazličnejšimi novimi materiali, s katerimi želimo ustvariti čim lažje kolo, ki bo tudi čim bolj aerodinamično.

2. Katero kovino, ki jo učenci spoznajo tudi v osnovni šoli, uporabljajo za izdelavo kolesarskih okvirjev? V katerem razredu jo spoznajo? (str. 7)

Učenci spoznajo aluminij (Al). Spoznajo jo v 8. razredu.

3. Kdaj je bilo izdelano prvo kolo, ki je bilo v celoti izdelano iz karbona? (str. 8)

Prvo, v celoti karbonsko kolo (iz ogljikovih vlaken) je bilo izdelano leta 1986.

4. Kako imenujemo postopek s katerim segrevajo PAN vlakna? (str. 8)

Postopek se imenuje piroliza.

5. Po vrsti uredi faze PAN obdelave ogljikovih vlaken. (str. 8)

a. Karbonizacija _3_ b. Stabilizacija _1_ c. Grafitizacija _2_

6. Kaj so ogljikove nanocevke (CNT)? (str. 9)

Ogljikove nanocevke (ang. Carbon nanotubes - CNT) so podolgovate in tanke valjaste oblike

ogljika.

7. Obkroži dve pravilni lastnosti ogljikovih nanocevk (CNT):

a. Natezna trdnost CNT znaša tudi do 150.000 N/mm2 b. Gostota CNT je zelo visoka c. Če CNT večkrat upognemo za 90° in več se zlomi d. Gostota CNT je 1,3 – 1,4 g/cm3 e. Elastični modul CNT je precej majhen