הכתבה פורסמה במגזין אוטו בגיליון 231.
הטבע אינו משתף עימנו פעולה, באופן כללי. אלמלא ^המציא^ ניוטון את חוק המשיכה, יכולנו לרחף בחלל. ללא כוח החיכוך יכולנו להמשיך בתנועה כמעט ללא הפרעה. וגם אותו אלמנט הפכפך וחמקמק, בלתי נראה, האוויר אותו אנו נושמים, מצטרף אף הוא לשונאינו. מה שמחזיק את המטוס באוויר, הופך להיות מטרד בנסיעתנו על הכביש. השאלות העולות, כמעט באופן מיידי, הן כיצד חומר גזי, דחיס ובלתי נראה יכול להפעיל כוחות, וכיצד ניתן לרתמו לביצוע משימות המסייעות בנהיגה? על שאלות אלה ננסה לענות הפעם, תוך ניסיון (נואש) לא להיכנס עמוק מדי לנבכי הפיזיקה.
ברנולי קובע את הכללים
האוויר הוא חומר. עצם היותו גז אינו מוריד ומעלה מתכונותיו, שכן תכונתו המשמעותית היא היותו זורם. והזרימה ביחס למכונית הינה זרימה יחסית: לא משנה מי מהשניים נמצא בתנועה, העיקר שיש תנועה יחסית בין האוויר לבין המכונית. כאשר המכונית פוגשת את האוויר, היא מפלסת את דרכה בתוכו. בלית ברירה, האוויר זורם מצדי המכונית, מעליה וגם מתחתיה.
על מנת להקשות עוד יותר, בא פיזיקאי שוויצרי בן המאה ה-18, בשם דניאל ברנולי (והיו חמישה בני משפחה מפורסמים כאלה, כולם מתמטיקאים ופיזיקאים...), והגדיר חוקיות לתנועת זורמים, שאוויר הוא, כאמור, בעל תכונות כאלה. החוקיות הזו מניחה שבעת מעבר של גוף דרך זורם, החומר אינו מצטבר בגוף העובר דרכו - כלומר, כל האוויר הפוגש את הגוף חייב להמשיך הלאה. לאור זאת, בנה ברנולי משוואה הקובעת כי מתקיים שימור אנרגיה בזורמים, ולכן קיים קשר בין מהירות הזרימה ללחץ הזורם, וכן עוד שני מרכיבים, שלענייננו הם זניחים.
משמעות המשוואה היא שכאשר מהירות הזרימה עולה, הלחץ יורד. ומדוע שמהירות הזרימה תעלה? הסיבה היא שכאמור, כל אוויר הפוגש את הגוף, חייב להמשיך הלאה. כאשר שתי מולקולות של אוויר נפרדות בעת המפגש במכונית, עליהן להיפגש שוב לאחר מעברה, שכן אחרת יחול אפקט הצטברות. על מנת שהמולקולה העליונה, זו הזורמת לאורך מכסה המנוע, הגג ותא המטען, תפגוש את המולקולה התחתונה, העושה דרך קצרה יותר, היא חייבת להגביר את מהירותה. עליית מהירותה מלווה, על פי חוק ברנולי, בירידת לחצה, וכך נוצר מתחת למכונית אזור לחץ גבוה, ומעל למכונית אזור לחץ נמוך. מצב זה מסוכן ביותר, שכן הפרש הלחץ יוצר כוח המכוון כלפי מעלה. כוח זה נקרא כוח העילוי, ומשמעו שהוא שואף לנתק את המכונית מהכביש ובכביש זהו מצב לא רצוי לחלוטין. במטוסים זה בדיוק הכוח המרים את המטוס לאוויר ושומרו שם אך על הקרקע אנו רוצים הצמדה גבוהה ככל האפשר לכביש, או עילוי שלילי, ומבנה המכונית אינו תורם לכך. ההצמדה נדרשת על מנת שההיגוי יהיה יעיל, הבלמים יתפקדו במלוא עוצמתם והמכונית תתנגד לכוחות הצד הפועלים עליה בעת פניה.
אך כאילו לא די בזה, מצטרף לכוח העילוי הבלתי-קרוא גם כוח נוסף: כוח הגרר. כוח זה מקורו אף הוא בזרימת אוויר והוא נובע מהצורה בה האוויר פוגש בזרימתו. כאשר נציב לוח ישר מול האוויר, וכולנו יודעים זאת, ישמש הלוח כמפרש ויפעיל כוח אדיר עלינו, בנסותנו להחזיק את הלוח. ככל שננסה להתקדם, יקשה עלינו הלוח וייאלצנו להפעיל כוח רב יותר על מנת להתקדם. רבים מאיתנו בוודאי זוכרים כיצד כילדים, בטרם עידן המזגנים, היינו מוציאים את ידנו מהמכונית ומשחקים עם זוויות כף היד כנגד הרוח, וזו הייתה מרימה את ידנו חיש קל, מכוח הגרר. גם המכונית מהווה משטח הפוגש את האוויר, ויוצר כוח המפריע להתקדמותה.
על-מנת להתגבר על כח הגרר יש להשקיע יותר כוח מנוע, שמשמעו, כמובן, צריכת דלק וירידה במהירות הסופית. בסופו של דבר, כשאנו מסתכלים על מכונית בתנועה, פועלים עליה ארבעה כוחות עיקריים: כוח המנוע, הפועל קדימה, למול הגרר הפועל לאחור, וכוח העילוי הפועל כלפי מעלה, למול המשקל הפועל כלפי מטה. התשובה לשאלה כיצד תנוע המכונית היא בעצם תוצאת מאזן כוחות זה. אגב, במאזן כוחות זה השמטתי, בכוונה, את כוחות החיכוך שבין הצמיגים לכביש, אך יש לזכור שגם הם פועלים בניגוד למגמת התקדמות המכונית, יחד עם הגרר.
מהירות היא שם המשחק
הצרה העיקרית עם כוחות העילוי והגרר, שככל שהמהירות גדלה, גם הם גדלים, ולא סתם: הם גדלים בריבוע. כלומר: על כל עלייה במהירות הנסיעה אנו משלמים על עלייה בכוחות העילוי והגרר שכאמור אינם רצויים. לכן, בשלב מסוים, מהירות אינה יכולה לעבור רמה מסוימת, לא בגלל שלמנוע אין מספיק כוח, אלא משום שנגדו פועלים כוחות אדירים. הואיל וגודל הכוח תלוי לא רק במהירות אלא גם בצורה האווירודינמית של המכונית, כאן באים לעזרתנו (או כנגדנו, תלוי ביעילות התכנון) מרכיבים נוספים הטמונים בכוחות אלה: מקדם הגרר ומקדם העילוי.
מקדם הגרר הוא המוכר יותר, ובשנות משבר האנרגיה שאחרי מלחמת יום הכיפורים שימש לא רק כמקדם גרר, אלא אף כמקדם מכירות: יצרני הרכב התגאו במקדמים נמוכים, על-מנת לשכנע את הצרכן בצריכת דלק נמוכה של המכונית. מקדם הגרר הוא גודל טהור (אינו נמדד בגרמים, מטרים או כל מידה אחרת), והוא נגזר מצורת המשטח שהאוויר פוגש, ומ^ידידותיותו^ כלפיו. ככל שהצורה תהיה זורמת יותר, מקדם הגרר יהיה נמוך יותר.
הואיל ומקדם הגרר כופל את כל משוואת כוח הגרר, הכוח כולו יקטן פי מקדם הגרר. לדוגמא: אם מקדם הגרר עומד על 0.30 (ערך שנחשב טוב למכוניות נוסעים), כוח הגרר יהיה פחות משליש מערכו, לו הייתה המכונית לוח אנכי המתקדם כלפי האוויר. ברור כי פרופיל מכונית חלק לגמרי, ללא קימורים כלשהם, היה היעיל ביותר מבחינה אווירודינמית, אך לא שימושי, כלל ועיקר, להסעת נוסעים.
מקדם הגרר תלוי לא רק בצורה הכללית של המשטח, אלא גם בהפרעות לזרימת האוויר, העלולות להיווצר בעת מעבר האוויר על-פני המכונית. הפרעות כאלה נוצרות על-ידי מראות הצד, אנטנות שונות, רצפת המכונית, המתלים, הגלגלים וידיות הדלתות. לכל אחד ממרכיבים אלה מקדם גרר משלו, הנגזר מצורתו, ומקדם הגרר הכללי הינו שקלול של כולם. כמובן, אין דין הגרר שמייצרת מראת הצד כדין הגרר שמייצרת השמשה הקדמית, אך גם זו הראשונה ^תורמת^ את חלקה. ההפרעה לזרימת האוויר אינה באה לידי ביטוי רק בעצם עצירת האוויר הפוגש ברכיב. כאשר הרכיב אינו בנוי בצורה אווירודינמית, קרי: בעל צורת זרימה כצורתם של דג או טיפה, האוויר ^הנוטש^ את הרכיב, לאחר מעברו, נתקל לפתע באזור לחץ שונה, בגלל הפרש המהירויות הגדול, ומתערבל. כאשר האוויר מתערבל, חלק ממנו מפעיל כוח לאחור, המוסיף אף הוא על שונאינו.
רצפת המכונית והמתלים מהווים גורם משמעותי ביותר בהיווצרות הגרר, בגלל מבנם הלא-ידידותי לסביבת הזרימה והמחסור בשטחים חלקים להחלקת הזרימה. וכרגיל בהנדסה, הכל בנוי על פשרות. כאשר אנו רוצים לקרר את הבלמים, אנו רוצים לנתב אליהם אוויר. ניתוב זה מפריע לזרימה, שכן מבנה הבלמים נתון, ולא ניתן להפכו לאווירודינמי. דיסק הוא דיסק, ולצורך הבלימה הוא חייב להיות במבנה בעל דפנות ישרות. גם רוחב הצמיגים מהווה בעיה: ככל שצמיג רחב יותר, מקדם הגרר שלו גבוה יותר, שכן הוא מציב לאוויר התנגדות גדולה יותר. עכשיו לך תחליט מה חשוב לך יותר. זו הסיבה, לדוגמא, שכל המכוניות המתחרות על כתר המכונית החסכונית ביותר, עושות שימוש בצמיגים צרים עד מאד, וגם מכונית סדרתית, כהונדה אינסייט ההיברידית הצטיידה בתחילת דרכה בצמיגי אופניים, בערך.
האור בקצה המנהרה
בתחילת דברי ימי המכונית, איש לא ידע על השפעות האווירודינמיקה על המכונית. מילא על המטוסים, אך רק בשנת 1921 התחילו מפעלי צפלין בגרמניה לבדוק מכוניות במנהרת רוח. כבר ב-1907 נבנתה מכונית מרוץ שהגיעה למהירות של 212 קמ^ש, אך אז - אבוי, היא התנתקה מהכביש והתרוממה. רק לאחר מלחמת העולם השניה הוחל בשילוב מנהרות רוח בתכנון האווירודינמי של מכוניות. אותן מנהרות רוח אינן דבר של מה בכך: אלה הן מעבדות סופר-משוכללות, שעלותן גבוהה ביותר. רק לשם הדוגמא: קבוצת סאובר מליגת הפורמולה 1, חנכה בסוף 2004 את מנהרת הרוח המתקדמת ביותר, לקנה מידה מלא, בעלות של 55 מיליון דולר. בעולם הפורמולה 1, בו מהירויות המכוניות חייבות להישלט על-מנת למנוע ^המראות^, זוהי השקעה סבירה, שכן כל גרם של גרר או עילוי שלילי הם בעלי משמעות. רוב מנהרות הרוח של יצרני מכוניות, וגם מטוסים, הינן מנהרות לדגמים. הדגם המתוכנן מוקטן לגודל שידמה את כל הפרמטרים הנדרשים לבדיקה (בשיטה הנקראת ^דָמִיוּת^), והוא מוכנס למנהרת הרוח. ומדוע בעצם מנהרת הרוח היא מעבדה כה משוכללת? מדוע לא מספיק לקחת מאוורר גדול ולהציבו מול הדגם? כי זה פשוט לא מספיק. במנהרת רוח עליך למדוד כל נתון, ולא רק להתרשם באופן כללי. עליך להזרים לא רק אוויר, אלא גם עשן בגוונים שונים, על-מנת לאבחן מערבולות והתנהגות לקויה של רכיבים. ושוב, עולם הפורמולה 1 הוא הדוגמא: כל פריט בשלדה נבחן. כאשר פרארי החליטה לשנות את פתחי הפליטה של המנועים, זו הייתה החלטה שהייתה שווה אליפות: בניגוד לקבוצות אחרות שמנועיהן סבלו מהתחממות יתר, הצליחה פרארי, באמצעות מנהרת הרוח, להקטין את פתחי הפליטה של ה- F2004, להקטין בכך את הגרר הנוצר בלא לפגוע ביכולת סילוק החום שלהם. מנגד, קבוצת וויליאמס, שהחליטה לשנות את התכנון הבסיסי של השלדה למבנה דו-שידרתי המחזיק את המתלה הקדמי, נטשה את הרעיון במחצית העונה עקב התוצאות הבלתי מספקות (תוך שאנטוניה טרזי, המתכננת האווירודינמית ש^ערקה^ אליה מפרארי משלמת על כך במשרתה).
שימוש במנהרות רוח הוא שסייע להוריד את מקדם הגרר של תחילת ימי המכונית, מ-0.7 ל-0.3, הערך הנפוץ כיום. משמעות הדבר היא כי בתחילת הדרך, המכונית עצרה 70 אחוזים מהאוויר שפגש בה, בעוד שהיום היא מעבירה 70 אחוזים מהאוויר. ומה עושים עם האוויר הזה, כיצד מנתבים אותו, מה הם ה^חצאיות^, ה^ספוילרים^ וחלונות הרוח? על כך בכתבה הבאה.
