הכתבה פורסמה במגזין אוטו בגיליון 232.
זהו החלק השני של הכתבה – לחלק הראשון
לחץ כאן.
קשים חייו של מהנדס האווירודינמיקה. פרט לכך שעליו להתאים את תוכניותיו לשיגעונם של המעצבים, עומד לו לרועץ התווך, דרכו יש להסיע את המכונית. האוויר שאנו נושמים הוא גם זה המשפיע על התקדמות הרכב, לא פחות מחוסן המנוע. זאת ועוד - הדרישות הנובעות מההתנהגות הדינמית של הרכב, הסתירה שבין נסיעה בקו ישר לבין פניות, בין עליה במעלה לבין נסיעה במורד, מול הרוח או עם כיוונה - כל אלה מציבים אתגר שיש לפתור בזמן נתון ובאילוצי תקציב. אפילו בעולם הבלתי-מוגבל (מבחינת משאבים) של פורמולה 1, פתרונות אולטימטיביים טרם נמצאו. השוני בין מכוניות של קבוצות שונות, כמו גם בין דגמי אותו יצרן מעונה לעונה, רק מוכיחים כי רב הנסתר על הגלוי.
מה הבעיה?
בתחילה, כאשר המכונית נוסעת, פועלים עליה ארבעה כוחות עיקריים, כשלעיתים מתווסף אליהם כוח חמישי. הכוחות הפועלים הנם סחב המנוע (קדימה), הגרר (לאחור), העילוי (מעלה) והמשקל (מטה). כל עוד המכונית נוסעת בקו ישר, המשוואה פשוטה למדי: יש לדאוג שסחב המנוע יהיה גדול מהגרר, על מנת שהמכונית תתקדם ושהמשקל יהיה גדול מכוח העילוי, וכדי שהמכונית תישאר צמודה לכביש.
הגרר, אגב, אינו רק תוצר אווירודינמי, אלא כולל בתוכו כל מרכיבי החיכוך המתנגדים לתנועה, כמו מגע צמיגים בכביש, חיכוך במסבים ועוד כהנה וכהנה רשעים-שמרנים המתנגדים להתקדמות. אלא שמרגע כניסת המכונית לפניה, מצטרף לארבעה כוחות אלה גם (גיס) חמישי - הכוח הצנטריפוגלי. כוח זה הינו כוח מדומה. משמע, כוח תוצאתי ונגדי לכוח המושך את הגוף לתוך הסיבוב. אלא שאין מנוס: בפועל הכוח הצנטריפוגלי מורגש - ועוד איך. כוח זה מנסה לדחוף את המכונית כלפי חוץ, גורם להרמת הגלגל האחורי-פנימי, לאיבוד אחיזה, ולבסוף גם לגלגול הרכב סביב ציר האורך שלו. התהפכות.
מעבר להתמודדות עם הבעיה באמצעות תכנון נכון של שלדה ומתלים, אחד המרכיבים החשובים להתמודדות עם כוחות אלה הוא תכנון אווירודינמי. יש לסייג ולומר, כבר כעת, כי במכוניות כביש רגילות ההתמודדות מוטלת בעיקר על השלדה והמתלים, ואילו במכוניות מרוץ עיקר העומס מוטל על כתפי תכנון אווירודינמי. הסיבה לכך הנה שמהירות הרכב כה גבוהה, עד כי הכוח שניתן לייצר ממנה מספיק על מנת לבטל את הכוחות הפועלים. וכאן אנו שבים למה שלמדנו כאן
בכתבה הקודמת: כשזרימת האוויר מתועלת כראוי נוצרים כוחות עקב הפרשי לחצים, וגודל כוחות אלו ניתן לשליטה באמצעות תכנון נכון.
מרכז הכובד ומרכז הלחץ
כוחות אווירודינמיים תלויים באופן ישיר במהירות זרימת האוויר על פני המכונית. ליתר דיוק, הם תלויים בחזקה שניה של מהירות האוויר. כלומר, כל עליה במהירות בשני קמ^ש תגדיל את הכוח פי ארבעה. לכן נקודת הפעלת הכוח חשובה ביותר. בכל מכונית, השאיפה הינה כי מרכז הכובד יהיה נמוך ככל האפשר על מנת לאפשר יציבות בגלגול, ושימוקם במרכז המכונית ככל האפשר, על מנת לאפשר יציבות בפניות. היציבות בפניות מושגת כאשר הכוח הצנטריפוגלי פועל עם ^זרוע^ מנקודת פעולתו לעבר מרכז הכובד. ככל שהזרוע תהיה ארוכה יותר, הכוח ישפיע יותר, ויצליח לדחוף את המכונית רחוק יותר החוצה, תוך סיבובה סביב מרכז הכובד שלה, בסבסוב מרהיב של היגוי יתר. אם מרכז הכובד קדמי יתר על המידה, נקבל היגוי יתר, ואם אחורי - נקבל תת-היגוי.
אלא שמיקום מרכז הכובד אינו מספיק, הואיל ועיצוב המכונית אינו סימטרי. במבט צד כוח עילוי פועל אף הוא בנקודה מסוימת. כאשר נקודת הפעלת כוח העילוי, המכונה ^מרכז הלחץ^, נמצאת לפני מרכז הכובד, תתקבל נטייה של המכונית להתרומם עם חרטומה, שכן כוח העילוי מפעיל מומנט ביחס למרכז הכובד. כאשר מרכז הלחץ נמצא מאחורי מרכז הכובד, נטיית המכונית תהיה להרים את אחוריה. המצב הניטראלי, בו מרכז הכובד ומרכז הלחץ נמצאים באותה נקודה מחייב תכנון שלא תמיד יביא לתוצאה המקווה. עם זאת, יש לזכור כי כוח העילוי הנו בלתי-רצוי בעליל במכוניות והנו תוצאה שאין מנוס ממנה, של תכנון אווירודינמי שמטרתו להקטין את הגרר. לצורך התמודדות עם כוח העילוי פותחו אמצעים להגדלת כוח ההצמדה, הפועל כלפי מטה ומתנגד לכוח העילוי. כיוון שבמכוניות מרוץ כוח ההצמדה הוא קריטי, נבחן אותו דרך מלכת המסלול, מכונית הפורמולה 1.
כוח ההצמדה במכוניות הוא בעייתי: בישורת קיים רצון להקטינו עד למינימום על מנת להקטין את הגרר. הגרר, כאמור, הוא תוצאה של חיכוך, ונקבע גם על ידי משקל וכוח הפועלים כלפי מטה. כוח הצמדה רב מדי עלול לגרום לגרר גבוה מדי, שתוצאתו הפרעה למהירות בישורת וכן צריכת דלק גבוהה. בישורת, כוח ההצמדה צריך להספיק רק כדי למנוע התרוממות המכונית, כתוצאה ממהירות גבוהה. לעומת זאת, בעת פניה, ועל מנת להצמיד את הגלגלים האחוריים למסלול (כדי שהכוח הצנטריפוגלי לא ^יזרוק^ את המכונית החוצה), נדרש כוח הצמדה גבוה. האמצעים להתמודדות עם דרישות שונות אלו הנם כנפונים, ^חצאיות^, מתעלי זרימה ופרופילים מעוצבים.
תורת הקלקלה
מכוניות שרירים רבות, אמיתיות ומתחזות, מתהדרות באמצעים לקלקול הזרימה: כנפיים ומחבלי זרימה, ספויילרים בלעז. תפקידה העיקרי של כנף הוא לייצר כוח הצמדה כך שההיגוי, ההאצה והבלימה יהיו יעילים יותר. לחץ גבוה על הצמיגים יביא ליכולות טובות שלהם בשלושה תחומים אלה, אך כפי שצוין, יצירת כוח נוסף כלפי מטה תעלה את הגרר. זוהי תוצאה עדיפה על פני היעדר כוח הצמדה.
כנף היא בעלת פרופיל אווירודינמי הפוך. אם במטוס מטרתנו להשיג עילוי, על מנת שהמטוס יתרומם ויחזיק עצמו באוויר, הרי שהחלק העליון של פרופיל הכנף (המכונה עקימון עליון), ארוך יותר מהעקימון התחתון, כך שהפרש לחץ יגרום לכוח דוחף כלפי מעלה. במכונית, הכנף מעוצבת כך שהעקימון התחתון ארוך יותר ולכן מתקבל הפרש לחצים שלילי: הלחץ בתחתית הכנף נמוך מהלחץ מעליה, והכוח הנוצר מופעל כלפי מטה (הסיבות ליצירת הפרש לחץ נדונו
בכתבה הקודמת).
לתכנון כנף ועקימונים חשיבות רבה. הם חייבים להתאים למכונית הספציפית ולנתונים אווירודינמיים ייחודיים. גם מיקום הכנף על מכסה תא המטען אינו מקרי: ככל שהכנף גבוהה יותר, היא תעשה עבודתה טוב יותר. כנף הצמודה למכסה תא המטען אומרת ^הביטו בי^ ותו לא. הדוגמאות הבולטות ביותר הנן הכנפיים (הגבוהות) של סובארו WRX, מיצובישי איוו ושות'. מאידך, אין להתעלם ממקדם הדאווין של כנף אחורית, המהווה גורם מכריע בהתקנת כנפיים אלו ברוב המכוניות, שלעולם לא תגענה למהירות אפקטיבית של הכנפיים.
יעילות הכנף, גם זו המתוכננת באופן ישיר לצייד רכב כאביזר אווירודינמי טהור, תלויה במהירות הנסיעה. ישנן כנפיים המתוכננות למהירות נמוכה, בעיקר לטיפול בהצמדה בפניות חדות, ויש כאלו שלא תגבנה כלל במהירויות אלו, אלא רק במהירויות גבוהות. לאור הדרישות השונות פיתחו חברות גרמניות (כמובן...), פורשה, ב.מ.וו ומרצדס, כנף אחורית, המתרוממת בהתאם למהירות. ככל שעולה המהירות הכנף עולה ובולטת יותר לצורך ייצור כוח הצמדה גדול יותר, כפי שניתן לראות בסדרת התמונות. נוסף לכנף מצוידות מכוניות גם בספויילרים המותקנים בנקודות שונות: בקצה הגג (בחיבור לחלון האחורי), בצידי המרכב, בחלקו התחתון, בחזית המכונית ובפגוש הקדמי. בעוד כנף המותקנת בקצה מכסה תא המטען הנה אביזר משמעותי בייצור כוח הצמדה, והנקודה בה מופעל הכוח היא המרוחקת ביותר ממרכז הכובד, הספויילרים משמשים בעיקר לעידון זרימת האוויר והכוונתו לצורה הרצויה.
הזרימה מתחת למכונית הינה זרימה בעייתית משהו, שכן רצפת המכונית אינה חלקה וכל מכלול הבולט ממנה כלפי מטה, כמו המנוע, תיבת ההילוכים, הדיפרנציאל, צינור המפלט ועוד, גורמים לערבול האוויר, אשר מצידו מייצר גרר - וחמור מזה - מאט את האוויר. כך נוצר עילוי.
הספויילרים הנזכרים לעיל מנתבים את זרימת האוויר בצידי המכונית, כך שכמעט לא יעבור אוויר מתחת למכונית. הספויילר הקדמי במכוניות טורינג למשל, מגיע כמעט עד לכביש, חוסם את מעבר האוויר מתחת למכונית, והפתחים בצידיו מנתבים את האוויר הצידה. לחסימה כזו יש מחיר בגרר כמובן, אך המחיר כדאי ביחס לביטול העילוי המתקבל בהיעדר ספויילר כזה. ה^חצאיות^, כפי שמכונים ספויילרים המותקנים בחלקו התחתון של המרכב ובצידיו, הן רכיבים המתוכננים להצמדת האוויר, שהופנה על ידי הספויילר הקדמי אל דופן המכונית, אך לא מאפשרים לו להיכנס מתחתיה בערמומיות.
דרך נוספת להתמודד עם זרימת אוויר מתחת למרכב, כך שלא ייווצר עילוי, הנה התקנת משטח חלק מתחת לרצפת המכונית, כך שהאוויר פשוט זורם תחתיה ללא עכבות. סידור כזה ניתן לראות בפרארי 550 מראנלו למשל, ובמכוניות-על נוספות.
אפקט הקרקע
אפקט הקרקע מוכר בתעופה מקדמת דנא, לפחות מאז שמטוסים הפכו להיות אווירודינמיים יותר מהמכונות המעופפות של ראשית המאה ה-20. אפקט הקרקע נגרם כתוצאה מדחיסת אוויר מתחת לכנפיים, והאצתו בשל כך. רק בשנת 72', עלה בדעתו של המתכנן הבריטי הדגול, קולין צ'פמן, לעשות שימוש בתכונה זו, אך באופן הפוך: הוא הנמיך את הלוטוס שלו לקרקע וסגר את צדדיה, כך שנוצרה מעין תעלה, שראשיתה בפתח צר בחזית המכונית וסיומה בפתח רחב הפונה כלפי מעלה באחוריה. מה שצ'פמן עשה היה להפוך את כל המכונית לכנף הפוכה, תוך עיצוב רצפתה בהתאם. מכונית הפורמולה 1 של לוטוס ב-78' הוכיחה שאפקט הקרקע חזק יותר מכנף אווירודינמית, ללא מחיר הגרר המושרה, אך במהרה החליט ה- FIA לאסור אפקט זה במכוניות הפורמולה 1, כיוון שאפקט הקרקע אפשר להן להגיע למהירויות מעל 400 קמ^ש. ניסיון להשיג את אפקט הקרקע במכוניות סדרתיות אינו יעיל, שכן לשם כך צריכה המכונית ^לגרד^ את הכביש, וזה כבר לא מעשי. ניסיון לעשות זאת בפורשה 962 הביא לידי הישג של 40% לכל היותר בכוח ההצמדה, בהשוואה למכונית מרוץ דומה.
