Science of Cycling: Frames & Materials (Page 3 of 4)

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Biegsamkeit, absolute Stabilität und Elastizitität

Wenn ein Fahrrad-Konstrukteur ein Material auswählt, um einen Fahrradrahmen zu bauen, achtet er normalerweise auf die folgenden Eigenschaften des Materials:

Elastizität: Wenn ein Objekt auf Beugen oder Strecken reagiert, indem es in seine ursprüngliche Form zurückkehrt, hat es ein hohes Maß an Elastizität. Material, das sich zwar biegen läßt, dann aber die gebogene Form beibehält, hat eine sehr geringe Elastizität.

Biegekraft: Das ist die Krafteinheit, die benötigt wird, um ein Material bis zu dem Punkt zu verbiegen, an dem es nicht mehr in seine ursprüngliche Form zurückkehren kann.

Absolute Stabiltität: Das ist die Krafteinheit, die benötigt wird, um ein Material durchzubrechen.

Ein hölzerner Bleistift kann erstaunlich flexibel sein.

Was du benötigst:

einen Kamm aus Plastik
ein Gummiband
einen gewöhnlichen Einweg-Kugelschreiber
einen Bleistift
eine Büroklammer

Versuchsablauf :

Versuche, die verschiedenen Materialien zu biegen und zu dehnen. Welches Material hat deiner Meinung nach die größte Elastizität? Welches hat die geringste? Weches hat die größte Biegekraft? Welches die geringste? Wie steht es mit der absoluten Stabilität?

Entscheide, welches Material wegen seiner Stärke und seiner Elastizität für einen Fahrradrahmen geeignet wäre.

Hast du einen von diesen dicken "Husky" Kugelschreibern? Du wirst sehen, dass er viel schwerer zu verbiegen oder zu zerbrechen ist als ein gewöhnlicher Kugelschreiber. Fahrrad-Fabrikanten vergrößern den Durchmesser der Rohre, um die Belastung besser zu verteilen und die Gestelle so stabiler zu machen.

Weitere Untersuchungen:

Gibt es ein Material, bei dem die Biegekraft und die absolute Stabilität dicht beieinander liegen? Welches Material ist das? Wäre es ein gutes Material für einen Fahrradrahmen?

Kann ein Material eine niedrige Elastizität und eine niedrige Biegekraft haben und dennoch eine hohe absolute Stabilität? Welches deiner Materialien hat diese Eigenschaften?

Was passiert hier?

Die verschiedenen Materialen, die man für Fahrradrahmen verwendet, sind den hier verwendeten Materialen sehr ähnlich. Stahl hat, so wie eine Büroklammer, eine hohe absolute Stabilität und ist dennoch elastisch. Das hat einen großen Vorteil, da ein Stahlgestell sich erst verbiegen wird, bevor es schließlich bricht, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines folgenschweren Unfalls abnimmt. Im Gegensatz zur Büroklammer hat der beim Bau eines Fahrrads verwendete Stahl eine ziemlich hohe Elastizität. Diese Kombination von Eigenschaften machte Stahl für lange Zeit zum beliebtesten Material der Rahmenbauer. Der einzige Nachteil von Stahl ist sein relativ hohes Gewicht.

In der letzten Zeit hat Aluminium als Material für Rahmen an Popularität gewonnen, da es sehr leicht ist. Der Nachteil von Aluminium ist widerum seine geringe Biegsamkeit; es ist ziemlich porös und bricht relativ leicht. Das kann sehr gefährliche Konsequenzen für den Fahrer eines Aluminium-Fahrrads haben. Die Rahmen-Konstrukteure reagierten darauf, indem sie die Aluminium-Fahrräder mit sehr dicken Stangen und enormen Schweißnähten ausstatteten, um so die Wahrscheinlichkeit eines Bruches zu vermindern.
Ein hölzerner Bleistift hat ähnliche Eigenschaften wie Aluminium: ein geringes Gewicht, eine hohe Stabilität, aber auch eine hohe Porösität. Holz biegt sich - genauso wie Aluminium - nur ein klein wenig, bevor es bricht.

Die obere Stange dieses Klapprads hat einen großen Durchmesser, wodurch das Fahrrad an Stabilität gewinnt.

Andere Materialen wie Kohlenstofffaser oder Titanium haben ähnliche Eigenschaften wie der Plastikkamm und der Kuli: sie sind sehr leicht und elastisch und haben doch eine hohe absolute Belastbarkeit, ohne schnell zu brechen. Das bedeutet, dass Rahmen aus solchen Materialien ausgesprochen leicht sind und sehr gut federn. Leider sind diese Materialen sehr teuer, so dass sie nur für die wohlhabenderen oder für die fanatischen Rennsportler erschwinglich sind.

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