Kammtail Virtual Foil

การออกแบบ Airfoil ของจักรยานต้องใช้ความคิดริเริ่มเป็นอย่างมาก เพราะดีไซน์แบบดั้งเดิมเอาแบบเครื่องบินและยานยนต์มาใช้โดยไม่ได้คำนึงถึงปัจจัยอากาศพลศาสตร์เฉพาะตัวของการปั่นจักรยาน ความเร็วที่ค่อนข้างช้าและแรงพุ่งไปข้างหน้าของจักรยานทำให้มันได้รับผลกระทบอย่างมากจากปัจจัยทางสิ่งแวดล้อม เช่น ลมปะทะ ทำให้จำเป็นต้องใช้เทคโนโลยีที่เน้นการพัฒนาอากาศกลศาสตร์ลมต้านมากขึ้น รูปทรงท่อจักรยานสะท้อนความสำคัญของส่วนโค้งที่ต้องรับลมหลากหลายรูปแบบอยู่เป็นประจำ ยิ่งเพิ่มความซับซ้อนของขั้นตอนในการสร้างดีไซน์ที่เหมาะกับอากาศพลศาสตร์อย่างแท้จริง

อย่างที่ Airfoil โดยทั่วไปยืดยาวไปถึงปลายแหลมเหมือนทรงรูปหยดน้ำ Kammtail เป็นส่วนประกอบของสี่เหลี่ยมจัตุรัสที่ถูกตัดเล็กปลายเพิ่มความแข็งแรงและเลียนแบบประสิทธิภาพของ Foil แบบปีกที่ยาวกว่ามาก

Airfoil ถูกประเมินด้วยอัตราส่วน หรือพื้นที่หน้าตัดที่เกี่ยวข้องระหว่างความกว้างสุทธิและด้านหน้าของเฟรมหรือวัสดุ เมื่ออัตราส่วนเพิ่มขึ้น แรงฉุดลดลง อย่างไรก็ดี เช่นเดียวกับทุกสิ่งในชีวิต การมีอัตราส่วนเพิ่มขึ้นต้องแลกมาด้วยอะไรบางอย่าง การทรงตัว น้ำหนัก และความแข็งแรง ลดลงตามสัดส่วนเพื่ออัตราส่วนเพิ่มขึ้น Union Cycliste Internationale (UCI) ผู้เชี่ยวชาญที่ควบคุมการออกแบบเฟรมจักรยาน ได้วางขีดจำกัดสำคัญว่าอัตราส่วนเป็นได้สูงสุดเพียงใด จำกัดขั้นสูงและขั้นต่ำของอัตราส่วนมิติตามขวางให้ไม่มากกว่า 3:1

วิศวกรของ Trek มุ่งมั่นที่จะค้นพบประสิทธิภาพการลู่ลมสูงสุดที่มาพร้อมกับความกะทัดรัดและน้ำหนักเบาแต่ยังแข็งแรง มั่นคง และเป็นไปตามข้อกำหนดของ UCI Doug Cusack วิศวกรชำนาญการร่วมทีมกับ Paul Harder วิศวกรหน้าใหม่ในการวิจัย Airfoil ที่เหมาะสำหรับให้อากาศผ่านได้เมื่อปั่นจักรยานโดยเฉพาะ Paul อธิบายว่า “ในขณะที่ Airfoil ของจักรยาน (ที่ผลิตจากอุตสาหกรรมทั่วไป) ถูกออกแบบมาสำหรับกลศาสตร์แบบเก่าเหมือนที่ใช้กับหน้าตัดปีกเครื่องบิน ผมเห็นว่านี่เป็นการเข้าใจผิดครั้งใหญ่และตัดสินใจที่จะศึกษา Airfoil ที่สำหรับใช้กับจักรยานอย่างแท้จริง โดยเป็นโครงการค้นคว้าวิจัย “ส่วนตัว” โครงการแรกของผม ในการที่จะทดลองดีไซน์ให้มากที่สุดเท่าที่จะมากได้ ทีมได้สร้างวิธีการใหม่ในการทดสอบ Computational Fluid Dynamics (CFD) ที่ทำหน้าที่เป็นเหมือนอุโมงค์ลมเสมือนจริงที่สามารถทดสอบการวาดภาพแบบ 3D ได้ วิธีการที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นนี้ทำให้ Trek ได้ทดสอบรูปทรงมากกว่าแปดสิบแบบ ซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่สามารถทำได้ด้วยอุโมงค์ลม Doug รู้สึกว่าการตัดเล็ม Airfoil อาจนำไปสู่ขั้นต่อไปของประสิทธิภาพทางอากาศกลศาสตร์ และผลที่ได้จาก CFD ทำให้ทีมได้เห็นดีไซน์ที่แสดงผลลัพธ์อย่างที่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อน KVF ได้ถือกำเนิดขึ้น

ดีไซน์ใหม่นี้แก้ปัญหาพื้นฐานของรูปแบบก่อน Airfoil ของจักรยานมีส่วนโค้งอย่างมากอาจเปรียบเทียบกับปีกเครื่องบินที่ยืดออกหรือ Airfoil ประเภทเสริมเสถียรภาพทั้งจักรยานยังต้องเจอกับการหันเหอย่างแรงกว่าหรือมีมุมปะทะที่ใหญ่กว่าระหว่างลมแรง (มักมาไม่สม่ำเสมอและมาจากด้านข้าง) และทิศทางการเคลื่อนที่ของจักรยาน ยิ่งมุมกว้างเท่าไหร่ จักรยานยิ่งต้องเจอแรงจากด้านข้างที่ไม่พึงประสงค์มากขึ้นเท่านั้น ด้วยเหตุนี้ อากาศจึงเกาะอยู่กับกำแพงของ Airfoil ได้ยากและมักจะแตกกระจายออกสร้างแรงดูดขนาดใหญ่และลดการทรงตัวในการปั่นลง ดีไซน์ที่ถูกตัดเล็มมาของ KVF แก้ปัญหาความโค้งนี้ด้วยการใช้ส่วนที่มีสัดส่วนสูงที่สุดที่ทำงานกับส่วนที่แข็งที่สุด (ด้านหน้า) และมีผลไปถึงส่วนแหลมที่ด้านท้ายที่มีความสำคัญน้อยกว่าในการใช้งานจักรยาน ลมพัดรอบด้านหน้าของ Foil เหมือนกับดีไซน์แบบดั้งเดิมและคงอยู่ในทิศทางนี้ด้วยรูปทรงที่ถูกตัดแต่งลดความโค้งมา เมื่อการหันเหหรือลมปะทะด้านข้างเพิ่มขึ้น ประสิทธิภาพอันโดดเด่นของ KVF ก็เพิ่มขึ้นด้วยเช่นกัน

KVF ถูกริเริ่มพัฒนาขึ้นในฐานะส่วนหนึ่งของโครงการขนาดใหญ่กว่าที่จะสร้างจักรยานที่เร็วที่สุดในโลก เมื่อดีไซน์ที่ถูกตัดแต่งของ KVF ได้รับการรับรองประสิทธิภาพจากการวิเคราะห์ CFD วิศวกรของเราสร้างและทำต้นแบบสำเร็จออกมาแล้วนำไปทดสอบเพิ่มเติมในอุโมงค์ลม A2 ใน Mooresville, North Carolina และ San Diego Wind Tunnel ใน California ในเวลาต่อมา พวกเขาทึ่งกับผลลัพธ์ที่ได้ และจักรยานนี้ได้กลายเป็นต้นแบบของ Speed Concept ซึ่งเป็นอุปกรณ์ไตรกีฬาของ Trek ที่ประสบความสำเร็จอย่างแพร่หลาย นักไตรกีฬารู้สึกถึงข้อดีของจักรยานนี้ได้อย่างชัดเจนทันที ทำให้ทีมวิศวกรรมเริ่มปรับเพิ่ม KVF ไปใช้กับดีไซน์ของจักรยานแข่งบนถนนทั่วไปแบบดั้งเดิม

KVF ถูกปรับใช้ได้ง่ายกับพื้นที่หน้าตัดที่เล็กกว่าของเฟรมสำหรับถนนแบบดั้งเดิมมากกว่าดีไซน์ของ Airfoil รุ่นก่อน ทำให้คอนเซ็ปต์ของจักรยานถนนที่ลู่ลมมีชีวิตขึ้นมา Madone เป็นจักยานถนนที่ลู่ลมประสิทธิภาพสูงของ Trek ซึ่งนำมาใช้กับเทคโนโลยี KVF เมื่อปี 2013 Speed Concept ได้รับการยกเครื่องให้เร็วขึ้นยิ่งกว่าที่เคย เป็นผลอย่างมากมาจากการปรับปรุง KVF ด้วยการลดพื้นที่หน้าตัดและลดแรงฉุดจากทุกองศาที่มีการหันเห ในปี 2016 KFV ถูกรวมเข้าเป็นส่วนประกอบที่สำคัญของ Madone รุ่นปรับปรุงดีไซน์ วิศวกรของ Trek ยังคงหาทางนำเทคโนโลยีอันน่ามหัศจรรย์นี้ไปใช้ต่อไปและยังประสบความสำเร็จจากการขยายไปใช้กับส่วนประกอบอื่น ๆ เช่น แฮนด์จักรยาน