На томском велофоруме ребята тоже размышляют. Приведены расчеты ZireX"а про нагрузки на переднюю втулку:
http://velo.tomsk.ru/forum/viewtopic.php?t=2116. Теперь он считает трубы. Однако мне кажется, что прежде, чем рассчитывать трубы, нужно знать нагрузки на узлы: какие силы и куда давят. А это невозможно, если не знать основы построения геометрии байка.
Кое что известно: нижняя труба растягивается, нижние перья прогибаются и тоже растягиваются, верхние перья заднего треугольника сжимаются, как и верхняя труба.
Подседельная труба вносит в эти силы свои коррективы, в результате чего возникают более сложные нагрузки в подседельном и кареточном узлах. Последний еще испытывает и боковые нагрузки из-за того, что педали находятся сбоку рамы, да еще и вынесены на длину шатуна, да еще испытывают неравномерные нагрузки из-за неодинакового давления.
Отдельный разговор про рулевой узел, нагрузки в котором очень сильно зависят от угла наклона рулевой колонки. Угол этот определяется величиной "следа" переднего колеса и назначением байка (для ДХ угол пологий, для апхила - крутой).
Еще у меня есть гипотеза об обязательном совпадении проекции общего центра тяжести системы велосипедист-велосипед на каретку. И эта проекция о.ц.т. не совпадает с геометрической серединой расстояния между осями колес (как у мотоцикла). Вынести же каретку вперед нельзя, потому что тогда круговое педалирование станет затруднительным и менее эффективно будет использоваться вес ноги. Т.е. положение каретки определяется анатомией сидящего на велосипеде человека.
Когда станет ясным распределение сил, тогда понятным будет и необходимость различных усилений в узлах, в т.ч. и использованием труб переменного диаметра и толщины.
Вот еще до чего я дошел.
1. Высота каретки влияет на устойчивость велосипеда. Чем выше сидит велосипедист, тем лучше его устойчивость на малых скоростях и при езде по колее (пример: музыкальный камертон, который качается тем медленнее, чем выше расположен грузик).
Чем ниже сидит велосипедист, тем устойчивее он к перевороту через переднее колесо при резком торможении или при наезде на препятствие. Использование дисковых тормозов, да еще гидравлических, да с диском увеличенного диаметра потребует снижения центра тяжести и уменьшения клиренса.
Так что для гоночных байков каретку лучше делать ниже, а для тихоходных туристических велов - покорителей бездорожья -- выше.
2. Поведение байка на дороге зависит в основном от расположения его центра тяжести, колесной базы и индивидуальной «рулевой» геометрии (сочетание радиуса переднего колеса, угла наклона рулевой трубы и вылета вилки – определяется т.н. «следом колеса»). Задача велосипедной рамы – обеспечить точную передачу усилий между главными контактными точками:
- седлом и кареткой (привод);
- седлом и рулем (управляемость).
При этом более длинная рама повышает управляемость и плавность хода. Малая база приводит к меньшей стабильности при прохождении виражей. Аналогично влияет на управление и диаметр переднего колеса: его уменьшение делает байк более чувствительным.
Меньший размер треугольника рамы придает ей большую жесткость.
Считается, что угол наклона подседельной трубы, равный 73 (плюс-минус 1) градус, обеспечивает правильную посадку и грамотное распределение нагрузки. Этот угол точно подобран для статистически усредненного байкера с длиной бедра 813мм.
3. Изогнутая вверх "горбатая" верхняя труба рамы увеличивает вертикальную жесткость велосипеда и эффективно прижимает переднее колесо к дороге при наезде на препятствие. В результате улучшается контакт переднего колеса с почвой. Это важно на высоких скоростях в спортивных гонках.
Прогнутый профиль верхней трубы, хотя и работает наоборот, ухудшая сцепление колеса с дорогой (что вообще-то не очень существенно на малых скоростях), зато обеспечивает значительно больший комфорт велосипедисту за счет уменьшения вертикальной жесткости байка.
Необходимая для велосипеда поперечная жесткость существенно увеличится, если верхнюю трубу сделать не из одной, а из двух параллельных (более тонких) труб.
4. Можно впереди поставить колесо меньшего диаметра, например 24", но с более широкой покрышкой. При этом площадь контакта с дорогой сохранится, а управляемость длиннобазным велосипедом улучшится (см. выше). Увеличится проходимость по песку и снегу.
Одновременно угол рулевой колонки можно сделать менее пологим (не стандартные 71, а 70 или даже 69 градусов), что позволит передней вилке работать более эффективно (амплитудно) при наезде на препятствие.