Het ontstaan van het fietswiel

Het ontstaan van het fietswiel
Het wiel is het belangrijkste deel van de fiets: het zorgt ervoor dat de fietser met grote snelheid en efficiëntie over de weg kan rijden.
Historici denken dat het wiel is ontstaan in Mesopotamie, ongeveer 3500 jaar voor Christus. Hoewel de Sumeriers zelf niet fietsten, gebruikten zij karren met wielen die door dieren werden voortgetrokken. Duizenden jaren zorgden zij voor het vervoer van goederen en mensen.
Tijdens de industriële revolutie in de 19e eeuw, werden materiaal en techniek zozeer verbeterd dat het wiel kon worden gebruikt in machines die door mensen werden bediend.
Aan het eind van de 19e eeuw verscheen de moderne fiets, compleet met een stalen frame, een kettingaandrijving, stalen wielen en spaken, en luchtbanden.     
 
De wielen van deze fietsen werden gemaakt van staal maar hadden geen luchtbanden (met mogelijke uitzondering van de jongensfiets). Sommige kinderfietsen worden nog steeds met massieve banden gemaakt. Deze foto werd rond 1910 genomen.
BIBLIOTHEEK VAN HET CONGRES

 
Op de weg
Hoewel het gebruik van het wiel vroeger wijdverbreid was had het zijn beperkingen. De weerstand van een wiel hangt sterk af van het type wegdek waarop je rijdt. Het is veel moeilijker om over een slechte weg te fietsen dan over een egale weg. Daarom ontwikkelden de Romeinen een uitgebreid netwerk van geplaveide wegen. Dit was misschien de eerste keer in de geschiedenis dat de wegen werden verbeterd om het draaien van het wiel te vergemakkelijken, maar het was zeker niet de laatste keer. In 1890 lobbyden fietsers in de Verenigde Staten van Amerika voor de verbetering van wegen. De wetgevers stemden toe, omdat fietsen toen de meest populaire sport was.
 
 
De "Ordinary" (alledaagse)
Bij de eerste fiets denken de meeste mensen aan de 19e eeuwse fiets met het hoge voorwiel en een klein achterwiel.Deze eerste modellen hadden namen als "the Ordinary" en de "Xtraordinary" (uitzonderlijke). In Engeland stonden deze fietsen ook bekend onder de naam "penny farthing" omdat het grote en kleine wiel werden vergeleken met het grote penny muntstuk en het kleinere `farthing` muntstuk. In Nederland wordt deze fiets de "High Bi" genoemd.
De pedalen zaten vast aan het voorwiel. Hoe groter het voorwiel was, hoe verder de afstand die de fietser met iedere pedaalslag kon afleggen.
Wetenschapper Paul Dohorty van het Exploratorium legt uit: "iedere keer als de pedalen een keer rond gaan, gaat ook het enorme voorwiel een keer rond. Dus iedere keer dat de benen van de fietser een keer rond gingen, legde de fietser wel 3,5 meter af. Berg opwaarts fietsen was hierdoor vrij moeilijk maar op de vlakke weg kon grote snelheid worden bereikt."     
 
AMERIIKAANS FIETSINSTITUUT    Op deze foto zie je een vrouw fietsen op de `Ordinary` fiets, wat voor die tijd ongewoon was. Ondanks het feit dat fietsen aan het einde van de 19e eeuw populair werd onder vrouwen was het maatschappelijk nog niet geaccepteerd

 
 
 
 
Paul Doherty van het Exploratorium vertelt over de eerste fietsen met een hoog voorwiel.
    "De hoge wielen waren wel doelmatig maar ook erg gevaarlijk: de fietser bevond zich hoog boven de grond en zat onstabiel boven het voorwiel. Hoewel op de fiets snelheidsrecords werden verbroken stond de fiets al spoedig bekend om de gevaren. Het geringste obstakel op de weg kon resulteren in een nare valpartij. De fietser viel dan bijna altijd met zijn hoofd op de grond. Door een hoog zwaartepunt en smalle, massieve rubberen banden leek de fiets met het grote voorwiel ontworpen voor snelheid, maar het was niet echt veilig."

De Veiligheidsfiets
In de jaren 1880 werd een fiets ontworpen die erg lijkt op onze fiets.
De fietser zit op een metalen frame dat verbonden is met twee even grote wielen. De pedalen zijn door een kettingoverbrenging verbonden met het achterwiel. De stabiliteit en het comfort van dit ontwerp waren beter dan de fietsen met het hoge voorwiel, en daarom kreeg dit model de naam "safety bicycle" (veiligheidsfiets).     
 
 
Klik op het plaatje om een QuikTime clip te zien. (3.1. megabytes)
BIBLIOTHEEK VAN HET CONGRES
    Dit plaatje laat beelden zien van een fietser op een safetybike in een film van Thomas Edison uit 1899.

 Spaken
De eerste fietsen hadden al spaken. Zelfs in de oudheid hadden veel wielen van strijdwagens en karren, die door dieren werden voorgetrokken, spaken. Een wiel met spaken kan net zo sterk zijn als een massief wiel maar het weegt veel minder. De eerste wielen met spaken waren meestal van hout gemaakt. Tegenwoordig zijn de moderne wielen gemaakt van staal of aluminium. Soms worden ook ongewone materialen zoals koolstof of keramiek gebruikt.
Bij het ontwerp van een fiets is het minimaliseren van het gewicht van het wiel zeer belangrijk. Waarom is het gewicht belangrijk? Met iedere trap op de pedalen wordt het gewicht van het wiel naar voren verplaatst als het om zijn as draait. Die kracht moet dus worden omgezet in een voorwaartse beweging. Met andere woorden, het wiel beweegt gelijktijdig in een hoekse en een rechte lijn.
Als je fietst kun je dit zien; het voorwiel draait rond en beweegt in zijn geheel naar voren.     
 
 De fietsgekte aan het einde van de 19e eeuw
Tot 1867 verplaatsten de meeste Amerikanen zich lopend of te paard. In dit jaar arriveerden de eerste fabrieksfietsen uit Europa. Ondanks de hoge prijs van de eerste fietsen (een "ordinary" kostte $100-150 dollar, een gemiddeld jaarinkomen was $450) werden zij al snel een rage.
De snelheid van de fiets sprak erg aan. De komst van de fiets maakte voornamelijk jongeren en vrouwen mobiel, wat een ongekende revolutie in hun sociale vrijheid betekende.
In 1887 bereikte de gekte zijn hoogtepunt met de productie van de "Victor fiets", een fiets waarvan het voorwiel even groot was als het achterwiel en met een kettingaandrijving . In 1885 produceerden 400 fabrieken aan de lopende band fietsen om aan de enorme vraag te voldoen. In 1895 kochten de Amerikanen 2 miljoen fietsen. Dit betekende dat 1 op de 27 Amerikanen een fiets bezat. In het hele land werden fietsclubs opgericht en professionele wedstrijden georganiseerd.
Toen Henry Ford in 1902 de auto "thin Lizzy" introduceerde sloeg de fietsgekte om in een obsessie voor auto`s. In de jaren zestig herleefde de vraag naar fietsen op. In 1984 werden er 14 miljoen fietsen verkocht tegenover 10 miljoen auto`s.

Tangentiële en radiale spaken
Er bestaan verschillende manieren om een wiel van spaken te voorzien. De meeste fietsen hebben tangentiële spaken, dat wil zeggen dat de spaken van de naaf tot de velg niet in een rechte lijn lopen maar kruislings. Er bestaan verschillende patronen van tangentiële spaken. Sommige wielen hebben alleen radiale spaken. Deze spaken lopen van de naaf tot de velg in een rechte lijn. De meeste wielen hebben tangentiële spaken. De manier waarop de spaken zijn "geregen" is van invloed op de prestatie die de fiets kan leveren.
 
 
Een fietswiel met radiale spaken.
     
"Het voorwiel kan radiaal van spaken worden voorzien, maar het achterwiel niet. Als het achterwiel radiale spaken zou hebben zou je niet vooruit kunnen fietsen.Tangentiële spaken helpen om het draaimoment van de naaf naar de wielen over te brengen."
Een achterwiel met radiale spaken zou niet alleen minder efficiënt zijn maar ook een stuk zwakker. Een fietswiel moet weerstand kunnen bieden aan verschillende krachten. Niet alleen moet de fiets het gewicht van de fietser kunnen houden maar het moet ook bestand zijn tegen de kracht van het trappen op de pedalen, het remmen en schokken van het wegdek. Radiale spaken hebben als voordeel dat het wiel flexibiler is (hoe minder het vervormd is hoe beter).     

 


Spanning in plaats van druk
Je zou geneigd zijn om de spaken te vergelijken met pilaren die het wiel ondersteunen en helpen om het in vorm te houden. In werkelijkheid krijgt het wiel zijn steun van buitenaf (rekspanning) in plaats van het centrum naar buiten (compressie).
Als je een spaak van dichtbij bekijkt zie je hoe dun hij is. Je kunt een spaak zonder al te veel moeite doormidden buigen. Maar het zou je niet lukken om een spaak uit een wiel te trekken. De rekspanning van de spaken naar de naaf toe geeft het fietswiel zijn kracht.     
 
Fietsenmaker Paolo Salvagione vertelt waar fietswielen hun kracht vandaan halen.

 
 
Hoe sterk zijn fietswielen dan precies? Fietsenmaker Paolo Salvagione legt uit: "Voor zover ik mij kan herinneren kan een fietswiel bij normaal gebruik ongeveer 400 maal het eigen gewicht dragen en pas bij 700 maal zal een fietswiel bezwijken. De fiets is een van de sterkste door mensen ontworpen constructies."
Luchtbanden
Vandaag de dag beschouwen wij de rubberen luchtband als vanzelfsprekend. Bijna iedere fiets heeft een luchtband om zijn velg. De ontwikkeling van de luchtband was een belangrijke verbetering van de moderne fiets. Tot de uitvinding van de luchtband in 1888, door John Boyd Dunlop, was fietsen een hobbelige en oncomfortabele aangelegenheid. De banden waren gemaakt van leer of van massief rubber en werden aan een houten of metalen velg bevestigd. De met lucht gevulde band zorgde voor een aangename, stabiele rit. Het is dus niet verbazingwekkend dat de uitvinding van de luchtband er toe heeft bijgedragen dat de fiets in populariteit steeg.
 
   
Paul Doherty talks about the difference between "road" and "mountain" tires.
    Zijn de banden van jouw fiets dik of dun?
Afhankelijk van het type fiets heeft deze dikke of dunne banden. De meeste stads- en tourfietsen hebben smalle banden, terwijl mountainbikes brede banden hebben. Elk type band is aangepast aan het soort weg waarop wordt gereden. De banden worden opgepompt variërend van 5 tot zelfs 10 bar. Een hard opgepompte band zal op een asfaltweg niet ingedrukt worden. Hoe minder plat de band wordt, hoe minder de band met de weg in contact komt. Minder contact betekent minder wrijving, en daardoor meer snelheid. Daarom is het zo belangrijk om je banden goed op te pompen.

Brede en dikke mountainbike banden zullen op een harde asfaltweg eerder afplatten. Op een zandpad "drijft" een mountainbike band een beetje op het oneffen oppervlak. Een dunne band daarentegen, zou zich juist diep in het zand graven waardoor de fietser eerder vastloopt.

Het is makkelijk voor te stellen dat een luchtband tijdens het fietsen aan de onderkant afplat. Maar dit gebeurt niet alleen bij luchtbanden. Verbazingwekkend genoeg gebeurt dit ook als de stalen wielen van een trein over stalen rails rijden. Het tijdelijke afplatten van de band en het wegzakken in de ondergrond wordt rolweerstand genoemd. De rolweerstand wordt gebruikt om aan te geven hoeveel energie er verloren gaat `aan de weg`, terwijl het wiel naar voren beweegt.
Banden met een lage druk die over een zachte ondergrond rijden hebben een hogere weerstand. Dit is een van de belangrijkste redenen waarom wielrennen een snellere sport is dan mountainbiken.     
 
Alhoewel je het op dit plaatje van een locomotief niet kunt zien, zal een stalen wiel op stalen rails platter worden. Alle wielen hebben te maken met rolweerstand

Deze mountainbikeband is van natuurlijk rubber gemaakt. Volgens sommigen heb je hiermee meer greep op de weg dan met synthetische banden.     
    Wielprofielen
Het profiel van een mountainbike band kan de prestaties beïnvloeden. Op een zandweg kun je beter met banden met een grof- of noppenprofiel fietsen, maar op een gladde weg ondervindt het profiel meer wrijving. Gladde banden doen het goed op gladde wegen. De banden ondervinden weinig weerstand, maar op een zandweg slippen ze eerder weg. Producenten van mountainbikebanden maken verschillende soorten profielen. Fietsers hebben zo hun eigen voorkeur, maar er bestaat geen wetenschappelijk bewijs dat een bepaald soort profiel beter is dan een ander.