السيارة الخفيفة أفضل من السيارة الثقيلة... تعرف على أساسيات ثبات السيارات - الجزء السادس

في هذه الحلقة سنتكلم عن واحد من أهم مميزات السيارات الحديثة والمؤثرة في أداءها وثباتها..

الإيرودَيناميكس

إذا لم تتابعنا من البداية .. يمكنك الرجوع إلى المقالات السابقة حول أساسيات ثبات السيارات في الروابط التالية:

الجزء الأول - تأثير الوزن على الثبات

الجزء الثاني - خفض مركز الثقل

الجزء الثالث - الاتزان

الجزء الرابع - التماسك

الجزء الخامس - أنظمة الثبات الإلكترونية

فلنبدأ…

الإيرودَيناميكس (Aerodynamics) أو ديناميكا الهواء… هو علم يختص بدراسة حركة الهواء حول الأجسام الثابتة أو المتحركة…

بدايات تعرف الإنسان على أهمية استغلال الهواء بدون شك كانت مع استخدام الأشرعة في السفن.. ولكن قل الاهتمام به كثيرا خاصة بعد استخدام المحركات في السفن..

أما حديثاً فقد تطور علم جديد يسمى ديناميكا الهواء بشكل كبير.. حيث ظهرت الحاجة إليه بشدة في الطائرات… وتحديداً لدراسة أفضل شكل للأجنحة يساعد على الطيران .

وبعد ذلك بدأ تطبيقه على السيارات.. خاصة مع ظهور سباقات السيارات والحاجة إلى سيارات سريعة…



وحاليا يتم تطبيقه أيضا على المباني العملاقة وناطحات السحاب.

وكما ترون فإن تطبيقاته عديدة ومتنوعة.. فلا يكاد يخلو تطبيق هندسي يتعرض للرياح والهواء إلا ويمكن تطبيق هذا العلم عليه..

لكن ما يهمنا من كل ذلك الآن هو كيفية الاستفادة منه في السيارات.. 



في السيارات… تدرس الإيروديناميكس موضعين:

الأول: كيفية تقليل مقاومة الهواء لتحسين الأداء وتقليل استهلاك الوقود،
والثاني: كيفية استغلال الهواء في زيادة ثباتها أثناء حركتها (وهذا ما سنتكلم عنه الآن)

أتعرف إلى أي مدىً يؤثر الهواء في ثبات السيارة؟؟؟ 

فكّر..

لو كنت تقود سيارتك في يوم عاصف شديد… هل أحسست بأن السيارة لا تسير في خط السير الذي تريده وتميل للانحراف؟؟؟

لكي نفهم تأثير الهوا على العربية دون تعقيد… جرب أن تخرج كفك من نافذة السيارة أثناء سيرها "بسرعة عالية"... ثم غيّر وضع يدك أثناء السير… مثلا.. اجعل يدك مرة في وضع رأسي ومرة بوضع أفقي… ومرة  اجعل جانب يدك يواجه الهواء ومرة أخرى اجعل كامل الكف يواجهه…

ستكتشف أن اختلاف وضعية يدك ستجعلها تتحرك في اتجاهات مختلفة لأنها تتأثر بالهواء الذي يقابلها..

أعتقد أن معظمنا جرب مثل ذلك أثناء الطفولة…


ومن هنا اكتشف المصممون تأثير الهواء وبدأوا يفكرون في الاستفادة من الهواء في الحفاظ على ثبات السيارة… خصوصا في السرعات العالية…

فكيف استطاعوا ذلك؟؟؟

كما قلنا من قبل في الحلقة الأولى من هذه السلسلة… فالوزن الخفيف معناه استهلاك أقل للوقود وقدرة أعلى على التحكم في السيارة… 

ولكن على السرعات العالية يدخل الهواء كعامل إضافي .. ومن الممكن أن يكون الهواء سبباً في ضعف ثبات السيارة على الطريق… لإن قدرته على حمل السيارة - الخفيفة في الوزن - أصبحت أكبر…

دعونا نفهم أولاً ما الذي يحدث للسيارة أثناء سيرها..

هذه الصور توضح أن الهواء يتحرك حول السيارة بالكامل ومن جميع الجهات..

وكأن السيارة تسبح في الهواء…

وفعلياً… فأي جسم يسبح في الهواء (مثل الطائرات أو الطيور) معرض لأربع قوى رئيسية..

1. قوة الاندفاع (Thrust) وهي القوة الأساسية المحركة في اتجاه الحركة للأمام..
2. قوة السحب (Drag) وهي القوة المضادة أو المقاومة التي تسحب الجسم للخلف (عكس اتجاه الحركة) نتيجة مروره في الهواء..
3. قوة الرفع (Lift) وهي القوة التي ترفعه لأعلى (عن طريق الهواء)..
4. قوة الجاذبية (Gravity) وهي قوة خفض (Downforce) توجهه لأسفل نتيجة وزنه..

في السيارات لا يختلف الموضوع كثيراً.. ألم نقل أن السيارات تسبح في الهواء؟؟

كيف ذلك؟؟

عند تحرك السيارة يمر الهواء تحت السيارة… ويتسبب ذلك بتيارات يمكن لها رفع السيارة عن الأرض.. حيث تتولد من ذلك "قوى رفع"..

ولو ارتفعت السيارة ولو بشكل بسيط فهذا معناه أن قوة التصاق إطارات السيارة بالأرض ستقل، وبالتالي فإن قدرتنا على التحكم في السيارة ستقل بشكل كبير جداً.

أرجو التركيز... نحن الآن نتكلم عن الحلول التي نبحث عنها لزيادة التماسك (Traction)... لأن هناك حلولاً إيروديناميكية أخرى تستخدم للتقليل من قوة السحب (Drag)... وهذه الحلول ليست موضوعنا هنا.

حسناً .. ماذا نفعل لنزيد التماسك؟؟

أمامنا أحد حلّين...

إما أن نقلل الهواء السفلي (المار تحت السيارة)... أو أن نزيد وزن السيارة لكي لا يستطيع الهواء رفعها...

ما هذا الكلام المتناقض؟؟!! نزيد وزن السيارة؟!!!!... ألم تقل من قبل أن زيادة الوزن شيء سيء؟؟!!!!!

صحيح… فالوزن الزائد خطأ… ولكن وفي هذه الحالة فسوف نزيد الوزن حين الحاجة فقط وبشكل غير مباشر.. من خلال استغلال الهواء لكي يتسبب هو ذاته في الضغط على السيارة لأسفل عندما تتحرك السيارة بسرعة عالية..

وكيف ذلك؟؟؟

تكمن الفكرة ببساطة في توليد فرق في ضغط الهواء.. فالضغط العالي يعني قوة زائدة… والضغط المنخفض يعني قوة أقل كثيرا..

وعند تواجدهما إلى جوار بعضهما .. تتولد قوة دافعة من الضغط الأعلى إلى الضغط الأدنى.. 

فهكذا تتولد الرياح..

ولذلك تعمل كل حلول ثبات السيارات باختصار على توليد قوة خافضة (لأسفل) إما بزيادة الضغط من الجهة العلوية.. أو إنقاص الضغط من الجهة السفلية..

وعادة ما تنحصر الحلول الإيروديناميكية في جزئين: تصميم الجسم بشكل يزيد من الثبات.. أو إضافة زوائد مساعدة في حالة لم يكن شكل الجسم كافياً..

فلنتعرف على الحلول باختصار…

أولاً…  زيادة الضغط العلوي

الحلول التصميمية

قد يكون شكل السيارة أحد أسباب زيادة أو تقليل ثباتها على السرعات العالية..

إذا قارننا أشكال السيارات في الماضي بالسيارات  الحديثة، سنجد أن شكل السيارات في الستينات والسبعينات كان سبباً أساسياً في ضعف ثبات معظم السيارات..

فشكل المقدمة في السيارة يساعد على نزول الهواء تحت السيارة مما يعمل على رفعها أثناء الحركة… وكذلك فإن الشكل الصندوقي للسيارة يشكل فراغات هوائية تسبب خلخلة في الضغط أعلى السيارة .. هذا بالإضافة إلى علو السيارة عن الأرض ما يؤدي إلى دخول الهواء تحتها بسهولة.

مثال لإحدى السيارات من السبعينات حيث ساهم التصميم بوضوح في ضعف ثبات السيارات

انتبه مصممو السيارات في الماضي إلى تأثير الهواء على أداء السيارة وانسيابيتها… ولكن تأثيره على الثبات لم يبدأ تطبيقه إلا حديثا.. حيث انتبهوا إلى تأثير شكل السيارة.. وحاولوا تغيير شكل السيارات بحيث تساعد على سهولة اختراق تيارات الهواء بطريقة تزيد من الثبات.

ويمكننا رؤية ذلك بوضوح تام في السيارات الحديثة..

مثال لإحدى السيارات الحديثة.. حيث يساهم التصميم بوضوح في تحسين ثبات السيارة على السرعات العالية بالمقارنة مع الأجيال القديمة من السيارات

تأثير مقدمة السيارة على توجيه تيارات الهواء أثناء سير السيارة

ومن المؤكد أن لذلك أسباب..

فكلما كانت مقدمة السيارة منخفضة كلما ساعد ذلك على اختراق الهواء بطريقة  تجعل معظم الهواء يتوجه لأعلى السيارة… وهذا يعني وزناً أكبر يضغط السيارة لأسفل..

كذلك كلما كان الفرق بين ارتفاع سقف السيارة ومؤخرتها صغيراً كلما ساعد ذلك على انسيابية الهواء فوق السيارة دون خلق مناطق فراغ هوائي… وهذا أيضاً يساعد على زيادة الثبات بشكل عام..

الزوائد على جسم السيارة

في بعض الأحيان قد لا يكون شكل السيارة وحده كافياً لزيادة الثبات… بالذات إذا كان مطلوباً منها أداء عالٍ… وفي هذه الحالة نضطر لزيادة بعض الأجزاء التي تساعد على زيادة التماسك أثناء السير.. ومن أهم هذه الأجزاء:

الجناح الخلفي Rear Wing 

الجناح الخلفي مهمته زيادة القوة الخافضة (Downforce) التي تضغط على السيارة لأسفل لكي تقلل من تأثير قوى الرفع التي ذكرناها من قبل. 

باختصار… مهمته عكس أجنحة الطيارات… فبدلا من أن تعمل على الرفع تقوم بالضغط لأسفل عن طريق توجيه الهواء…

وعلى العكس من أجنحة الطائرات.. فشكل الجناح الخلفي للسيارة يعمل على تجميع الهواء أعلاه كما يسبب تباعد الهواء أسفله.. 

أي أن الضغط يزيد في أعلاه ويقل أسفله.. ما يعمل على توليد قوة خافضة Downforce... وهي بذلك تضع وزناً إضافياً يزيد بزيادة سرعة السيارة.

مقارنة تبين الفرق بين جناح الطائرة والجناح الخلفي في السيارات

ومن المهم جداً أن نفرق بين الجناح الخلفي الذي يزيد من ثبات السيارة وبين مفسد السحب (السبويلر) الذي يقلل من قوى السحب.

فالجناح الخلفي يجب أن يكون مرتفعاً عن جسم السيارة لكي تتشكل قوى الخفض التي شرحناها سابقاً.

الجناح الخلفي في اليمين يزيد من الثبات ، أما الجناح إلى اليسار فهو السبويلر الذي يقلل من قوى السحب

الأجنحة الأمامية Front wings

وهي زوائد أمامية تعمل بنفس فكرة الجناح الخلفي.. وربما رأيناها بشكل واضح في سيارات السباق..

إلا أن بعضا منها يمكن تركيبه بشكل أبسط في السيارات العادية على شكل جنيحات جانبية على الصادم الأمامي..

هكذا نستطيع زيادة الوزن عند الحاجة باستخدام الأجنحة.

ثانيًا… تقليل ضغط الهواء أسفل السيارة

حلول جسم السيارة

أحد أبسط الحلول لتقليل الهواء أسفل السيارة هي خفض ارتفاع السيارة عن الأرض… 

فبالإضافة إلى أن هذا الفعل يزيد من الثبات نظرا لخفض مركز الثقل.. فإنه يقلل أيضا من الهواء تحت السيارة..

وقد يكون هذا التصرف غير عملي.. فلذلك نرى أن معظم تطبيقاته في السيارات السوبر رياضية أو في سيارات السباق..

في جميع الأحوال… لن نستطيع أن نمنع الهواء من الدخول تحت السيارة… وكل هذه الحلول هدفها تقليل التأثير السيء لوجود الهواء تحت السيارة… 

وإذا أمكن فلنحوله لمصلحتنا…

أحد الابتكارات المهمة في هذا الشأن كان من أفكار "كولِن تشابمان" مؤسس شركة "لوتس" .. وسماه "التأثير الأرضي Ground Effect".. 

وسوف تعرف السيارات العاملة بهذا المبدأ ببساطة عندما تلاحظ أن أسفل السيارة به نفقين طويلين في الجزء الخلفي في أغلب الأحوال..

وفكرته ببساطة هي إيجاد منطقة ضغط منخفض تحت السيارة اعتمادا على "مبدأ فنتوري"... ما يعطي تأثيراً شبيهاً بالمكنسة الكهربائية..

تقوم الفكرة على خنق تيارات الهواء بإجبارها على المرور في ممرات ضيقة  ثم يعقبها ممرات واسعة .. ما يجبر الهواء على المرور منها بسرعة مما يقلل من الضغط بشدة..

ولكن لكي تعمل هذه الفكرة بكفاءة يشترط أن تكون أرضية السيارة مسطحة تماما…

كما تحتاج أيضا أن تكون الممرات السفلى طويلة بعض الشيء لتسمح بتكوين الضغط المنخفض...

ومؤخرا.. ظهر توجه تصميمي لمحاولة تحويل الهواء أسفل السيارة إلى أعلاها..

فصممت بعض السيارات الرياضية بحيث يمكن تحويل مسار الهواء أسفل السيارة إلى الأعلى من خلال فتحات في مقدمتها… 

وبهذا نكون قد قللنا من أثر الهواء أسفل السيارة.. وحولناه في نفس الوقت إلى أعلاها للاستفادة به لتوليد قوى خافضة..

أيضا.. ظهرت أفكار أخرى قد تبدو غريبة بعض الشيء.. فقد وصل الأمر لدرجة تركيب مراوح لشفط الهواء أسفل السيارة !!!

يمكننا أيضا تركيب أجزاء إضافية على جسم السيارة لتقلل من دخول الهواء تحت السيارة..

الإضافات على جسم السيارة

تعرف هذه الأجزاء بما يسمى Body Kit أو "'طقم جسم السيارة"

فلنتعرف على بعض مكوناتها..

سدود الهواء Air Dam

تقلل سدود الهواء بشكل كبير من دخول الهواء تحت السيارة.. مما يقلل من رفع السيارة أثناء الحركة.

ومن الواضح أنها تشكل حلا غير عملي للسيارات العادية.. لذا يفضل استخدامه على سيارات السباق في الحلبات المقفلة..

التنانير الجانبية Side Skirts

تركب التنانير الجانبية لمنع دخول الهواء من جوانب السيارة.. خاصة إذا كانت سدود الهواء مركبة في الواجهة الأمامية.. وإلا فلن يكون لها التأثير المطلوب..

كذلك تفيد التنانير الجانبية في تفعيل التأثير الأرضي الذي تم ذكره منذ قليل..

الفاصل الأمامي Front Splitter

يركب الفاصل الأمامي لفصل الهواء وتوجيهه إلى أعلى وأسفل السيارة..

ربما يكون له أحيانا فوائد تشبه الجناح الأمامي المذكور سابقا..

إلا أنه يعمل أيضا على توجيه الهواء أسفل السيارة

ولذلك فلن تظهر فائدته الكبرى إلا مع تركيب الزعانف الخلفية...

الزعانف الخلفية Diffusers

يتمثل الدور الرئيسي للزعانف الخلفية في سيارة السباق الحديثة في تسريع تدفق الهواء أسفل السيارة .. عن طريق إنشاء منطقة ذات ضغط منخفض… وبالتالي زيادة القوة الضاغطة..

ومع أن الزعانف الخلفية جزء أساسي من فكرة "التأثير الأرضي" التي شرحناها من قبل.. إلا أنها تحتاج أن تكون السيارة نفسها مصممة لاحتواء هذه الزعانف في أرضية السيارة

إلا أن تلك الزعانف يمكن أن تركب في السيارات غير المصممة لذلك.. ولكنها قد تحتاج لشيء من التعديل.. وربما قد نلجأ عند تركيبها للبروز عن السيارة.. إذا كان ذلك ضروريا.

والملاحظ هنا أن بعض صانعي السيارات العادية قد يضيف للسيارة بعض الزعانف الخلفية  الصغيرة مركبةً على الصدام الخلفي.. 

وفي الحقيقة فهي لا تضيف شيئا لثبات السيارة عدا الشكل الرياضي.. فلكي تعمل الزعانف فعلا على ثبات السيارة.. يجب أن تتصل بأنفاق طويلة نسبيا لكي تعمل فكرة التأثير الأرضي.


أخيرا...

كل هذه الحلول لها تأثير كبير جدا على الثبات في السرعات العالية.. لدرجة أن تأثيرها يمكن أن يكون أكبر من تأثير وزن السيارة نفسها.

وهكذا استطعنا التغلب على التأثير السيء لخفة الوزن...

ويكون من المؤكد أن… السيارة الخفيفة أفضل..

يتبقى لنا آخر حلقة في تلك السلسة... عن صلابة الهيكل وتأثيره على ثباتها..

تابعونا.

…