Fatbiken rengaspaine talvella ja ideaalikaasun yhtälö

Suurin osa läskipyörällä ajavista tietää varmasti seuraavan tunteen. Kesällä ajaessa pyörä rullaa iloisesti ja nopeudessa ei paljon jäädä tavallisille kapeampirenkaisille pyörille. Sitten talvi yllättää ja paukkupakkaset saapuvat. Yhtäkkiä fatbikellä ajo tuntuu melkein tervan juomiselta. Kesän 23 km/h keskinopeus on tippunut johonkin 18 km/h tasolle, tai jopa alle. Jopa jyrkkäänkin alamäkeen saa jo polkea, että vauhti kasvaisi. Onko pyörässä jotain vikaa, vai vain vanhuus iskenyt ja polkijasta veto loppu? Oikeasti kyseessä on ihan fysiikkaan perustuva ilmiö. Kyse on tietenkin "väärästä" rengaspaineesta, joka koskee oikeastaan vain paksupyörällä ajavia. Olen tästä joskus kirjoittanut läskipyöräilyyn liittyen, mutta ajattelin jalostaa tämän ihan artikkelin muotoon. Löytyypähän sitten helpommin jo otsikon perusteella ja on selkeämpi lukea.

Suurin osa varmasti muistaa, että kun lämpötila laskee, niin paine pienenee. Normaalilla polkupyörällä ajaessa tällä tiedolla ei juuri tarvitse päätään vaivata. Ajokäytökseen ja -tuntumaan ei juurikaan tule muutoksia, kun paine laskee vaikkapa 3 baarista 2,7 baariin. Fatbikeillä käytetään kuitenkin jo niin pieniä paineita (alle 0,5 bar), että paksupyöräkuskin kannattaa asia jo huomioida. 

Läskipyörän perusajatushan on juuri se, että iso rengastilavuus mahdollistaa erittäin matalan paineen ja sitä kautta pehmeämmän renkaan käytön, joka antaa joustoa ja myös pitoa epätasaiseen maastoon. Koska läskipyörässä lähtöpaine on pieni, niin jo kohtuullisen pienetkin muutokset paineessa vaikuttavat suhteessa paljon enemmän ajo-ominaisuuksiin, kuin perus-pyörässä kovemmilla paineilla. Mitä tämä sitten käytännössä numeroina tarkoittaa? Paljonko sama rengaspaine muuttuu, kun siirrytään kesäkauden jälkeen ajamaan talven pakkasiin?

Kyllä kelpaa ajella erilaisia polkuja, kun on kunnon talvi, auringonpaiste, hyvät maisemat ja alla Tunturi Tribe -sähköfatbike.

Ideaalikaasun yhtälö ja rengaspaineen laskenta

Tarkkaavaisimmat muistavat ehkä kouluajoilta fysiikan tunnilta ideaalikaasun yhtälön: pV=nRT. Tämä kertoo, että paine on suoraan verrannollinen absoluuttiseen lämpötilaan. Kaavaa muokkaamalla voidaan laskea, miten lämpötilan muutos (T) vaikuttaa renkaan paineeseen (p). Kaavaa muokkaamalla se saadaan sievenemään muotoon P2 = (P1*T2)/T1, jossa P on paine (bar) ja T on lämpötila (Kelvin), 1 tarkoittaa lähtöarvoa ja 2 loppuarvoa. Jos kodin lämmöstä (21 C) lähdetään ajamaan 0,3 barin paineilla pikkupakkaseen (-15 C), niin läskipyörän renkaassa onkin enää painetta P2 = (1,3 * 258,15) / 294,15) = 1,141 bar. 

Yhtälön antama tulos (samoin kuin pumpun näyttämä paine) on kuitenkin niin sanottu ylipaine, joten saadusta tuloksesta pitää vielä vähentää oikea ilmanpaine (merenpinnalla 1,01 bar), joten tulokseksi saadaan pyöristetysti 0,13 bar. Sisällä 0,3 barin paine on siis laskenut ulkona pakkasessa tasolle 0,13 bar. Pumpun näyttämä paine on siis laskenut dramaattiset lähes 55 %. Huoneenlämmöstä pakkaseen siirtyminen on siis läskipyöräilijälle todella dramaattista. Tavallisessa pyörässä samasta lämpötilasta lasku olisi vain noin 17 % luokkaa (3:sta baarista lasketaan 2,5 baariin). 

Pehmeille talvipoluille sopiva paine läskipyörällä voisi olla noin 0,4 bar. Se ei ole paljon ja rengas painuu jo jonkin verran sormilla painaessa. Vieläkin pienemmillä paineilla meno olisi tasaisempaa.

Taulukko - Lämpötilan vaikutus rengaspaineeseen

Koska kukaan ei luonnollisesti jaksa laskea näitä arvoja käsin, niin tein alle tästä näppärän taulukon. Valitse X-akselilta oma rengaspaineesi huoneenlämmössä (vihreä tausta) ja katso lämpömittarista ulkona vallitseva lämpötila (Y-akseli). Näiden risteyskohdasta näet paineen, johon renkaasi paine pyrkii laskemaan lämpötilan tasaantuessa. Esimerkiksi normaali fatbiken rengas 0,4 barin paineessa sisällä laskeekin -20 asteessa 0,2 barin tasolle (-50 %), tai 0,5 barin paineella laskee tasolle 0,26 bar, kun ulkona on -25 astetta (48%)

 

Lämpötilan vaikutus rengaspaineeseen. X-akselilla rengaspaine sisätiloissa. Y-akselilla ulkoilman lämpötila. Vihreä tausta kuvaa painetta sisäilmassa. Sininen tausta näyttää kahden esimerkin tulokset.

Dramaattista paineenlaskua ei tietenkään voi välttää ulkona pakkasessa, mutta sen vaikutuksiin voi varautua. Vaihtoehtoisesti voit katsoa mikä paine renkaaseen pitää pumpata sisätiloissa, jotta se pysyisi halutulla tasolla ulkoilmassa. Jos tykkäät kesän lämmössä pyöräillä 0,4 barin painella, niin -15 pakkasella rengaspaine pitää nostaa 0,6 barin tasolle. Tällöin nostettu paine sisätiloissa kompensoi paineenlaskun ulkoilmassa. Itse esimerkiksi poljen talvisin työmatkat noin 0,5 barin paineilla. Poluilla ajoon ja hankikannoille paine on sitten pienempi.

Absoluuttinen ja suhteellinen lasku

Joku voi funtsia, miksi paineenlasku läskipyörässä on sitten niin dramaattista verrattuna vaikkapa tavalliseen maastopyörään. Ehkäpä alla oleva graafi kertoo sen parhaiten. Kyse on suhteellisesta erosta. Mitä enemmän painetta renkaassa on, sitä enemmän se määrälliseti myös laskee. Katsokaa alla olevien graafien kulmakertoimia. Suuremman paineen omaavan renkaan viiva laskee jyrkemmin kuin matalamman paineen rengas.

Esimerkiksi maastopyörän 4 bar rengaspaine laskee lähes 1 barin, kun lämpötila tippuu -30 asteeseen. Samaan aikaan fatbiken 0,3 barin rengas tyhjenee "vain" 0,23 baria. Absoluuttisesti maastopyörästä lähtee paljon enemmän painetta, mutta suhteellinen muutos on paljon vähemmän, koska lähtopaine oli jo niin suuri. Katsokaa viivan alle jäävää tilaa. 4 barin viivan alle jää paineenlaskun jälkeenkin vielä vaikka kuinka paljon tilaa, ennen kuin se on lähellä 0-painetta. Katsokaa sitten alinta sinistä viivaa. Sen alle ei jää laskun jälkeen oikein mitään, koska ollaan jo lähellä nollaa.

Suurempi rengaspaine laskee absoluuttisesti eniten (jyrkin kulmakerroin). Suhteellinen lasku on kuitenkin dramaattisin pienillä paineilla.

Äskeisen perusteella ei siis pitäisi olla mikään ihme, että välillä kotoa lähtiessäni rengas tuntuu perus talvipakkasilla lähes puolityhjältä. Ongelmaa edesauttaa myös osittain se, että tavallisella polkupyörän jalkapumpulla on lähes mahdotonta tietää tarkasti oikeaa painelukemaa, koska pienikin viisarin värähdys tarkoittaa jo lähes yhden baarin painetta. Annostelepa siinä sitten tarkasti painetta. 

Niin hullulta kuin se kuulostaakin, niin yleensä se käsituntuma rengasta painellessa on paras tapa ilmamäärän toteamiseen. Jos autotallilämpötiloissa rengas tuntuu liian tyhjältä, on se varmasti sitä viimeistään paukkupakkasilla ajettaessa. Paksupyöräkuskit tämän muistakoon. 

Kuinka nopeasti paine sitten laskee?

Kun rengaspaineen saa nyt säädettyä oikein, niin jollekin voi herätä vielä aiheellinen kysymys siitä, kuinka nopeasti rengaspaine sitten laskee lähes ulkolämpötilan tasolle? Meneekö tähän 5 minuuttia, 20 minuuttia vai 2 tuntia? Ihan aiheellinen kysymys ja itsekin pohdin joskus samaa. Pitipä siis lähteä yksi päivä talvipakkaseen rengaspainemittarin, kynän ja paperin kanssa. Mitä olivat tulokset? Kymmenessä minuutissa rengaspaine on laskenut ideaalikaasun määrittämälle tasolle. Käytännössä suurin osa muutoksesta tapahtuu jo reilussa 5:ssä minuutissa.

Swalbe Airmax Pro rengaspainemittari on kätevä digitaalinen mittari ja hintaa on reilu 20 €. 

Entäs se kasvanut ilmanvastus?

En tiedä kuinka monelle on selvää, mutta ilmanvastus kasvaa lämpötilan laskiessa, koska kylmä ilma on tiheämpää. Kun ilma viilenee 20 asteesta -20 asteeseen, ilman tiheys kasvaa noin 14 %. Koska ilmanvastusvoima on on verrannollinen ilman tiheyteen ja nopeuden kuutioon, niin nopeus laskee noin 4 %. Käytännössä nopeus tippuu 1 km/h, eli tasolta 23 km/h tasolle 22 km/h, kun lämpötila laskee ja käytät pyöräilyyn saman verran watteja. 

Käytännössä tuolla ilmanvastuksella ei ole juurikaan merkitystä. Se menee talvipyöräilyssä samaan sarjaan paksumpien ja kankeampien talvivaatteiden sekä hankalamman hengityksen ja kankeampien rasvojen/voimansiirron kanssa. Jos pyöräily tuntuu paukkupakkasilla tervanjuonnilta, niin suurin syy on väärä rengaspaine.