علوم سباق السّيّارات

سباق السّيّارات هو أحد الفروع الرّياضيّة الأكثر إثارة، وهو من أكثر الرّياضات مشاهدة على نطاق عالميّ. يتعدّى سباق السّيّارات كونه مجرد مجموعة من السّيّارات تسير بسرعة فائقة. تكمن في شكل سيّارات السّباق، وفي مبنى الشّارع الّذي تسير عليه، والمناورات الّتي تمتاز بها هذه السّباقات، أسس علميّة عديدة. 

الشّكل

تبدو سيّارة السّباق، لأوّل وهلة، منظومةً بسيطة للغاية، عبارة عن صندوق فيه محرّك الدّفع، تؤثّر عليه  قوى الاحتكاك مع الهواء ومع الشّارع، وقوّة الرّفع من الهواء. كما وتؤثّر عليه القوّة الطّاردة عن المركزعندما تنعطف السّيّارة انعطافًا حادًّا، فـ”تدفع به” إلى الخارج. توجد أهمّيّة كبيرة لشكل السّيّارة، لارتفاعها، لِعجلاتها والتّوازن فيما بينها. الظّواهر الّتي تُهمَل في السّيّارات الخاصّة تحظى باهتمام بالغ في سيّارات السّباق فائقة السّرعة. 

تبدو سيارة الفورمولا 1 النّموذجيّة للنّاظر عريضة وقصيرة القامة، قريبة جدًّا قامتها من أرض الشّارع، ما يجعلها تبدو كالرّصاصة، وليس ذلك عبثًا. هناك ثلاث غايات رئيسة تُنشد عند تصميم هيكل سيّارة السّباق. الغاية الأولى هي تسهيل جريان الهواء لتقليل قوّة الاحتكاك بينه وبين جسم السّيّارة، القوّة الّتي تُسمّى أحيانًا مقاومة الهواء أو قوّة السّحب. الغاية الثّانية هي تقليل الضّرر المحتمل عند وقوع حادث اصطدام. أمّا الغاية الثّالثة، فهي خفض مركز ثقل السّيارة إلى أدنى ما يمكن كي لا تفقد توازنها وتنقلب. أضف إلى ذلك، تُصمّم  سيّارة السّباق النّموذجيّة في الفورمولا 1 بحيث يدفعها الهواء نحو الأسفل بقوّة تفوق أربعة أضعاف وزنها، ممّا يمنحها القدرة الاستثنائيّة على التّماسك والثّبات عند السّرعات القصوى. 

تَستغل سيّارات السّباق الحديثة الطّاقة النّاجمة عن حركتها في تحسين أدائها، جنبًا إلى جنب مع استخدام الهواء لزيادة ثباتها. أصبحت سيّارات الفورمولا 1 الحديثة هجينة -مع فائق التّقدير لمحرّكات البنزين الّتي  أدّت دورها على أفضل ما يرام لعشرات السّنين-  ومزوّدة بنظام استعادة الطّاقة الحركيّة.  يُجمّع هذا النّظام الطّاقة الحركيّة -الطّاقة المنطلقة عند تشغيل فرامل السّيّارة وتوقّفها الفجائيّ- ويحوّلها إلى طاقة كهربائيّة. توفّر هذه الآليّة قوّة إضافيّة فوريّة للسّائق من شأنها تحسين موقعه في السّباق بلمح البصر.  

الكوابح

تتجلّى الحاجة للتّحكّم بالقوى المؤثّرة على سيّارة السّباق في تصميمها الخارجيّ. أحد المكوّنات الّتي تميّز سيّارات السّباق هو رفٌّ مُثبّت في الجزء الخلفيّ يُسمّى “الكابح” وغايته تشويش التّدفّق. يعمل هذا الكابح، الّذي يشبه هيكلُه جناح طائرة مقلوب، على توجيه الهواء بحيث يقاوم قوّة الرّفع ويُنزِل السّيّارة إلى الأسفل -قوّة رفع سالبة- بدلًا من أن يساهم في قوّة الرّفع ويدفعها إلى الأعلى- كما تعمل أجنحة الطّائرات. يُستخدم أحيانًا نظام تقليل السّحب (DRS – Drag Reduction System) في سباقات الفورمولا 1، والّذي يعمل خاصّةً أثناء الحركة بخطّ مستقيم، عندما لا يكون السّائق بحاجة لتماسك مثاليّ مع الشّارع. لا توجد أفضليّة لمثل هذا الكابح أو نظام DRS في السّيّارات العاديّة، تلك الّتي تسير بسرعة قانونيّة. وقد قرّرت إدارة فورمولا 1 هذا العام إلغاء استخدام نظام DRS.    

العجلات

يجب أن تُنقل كلّ هذه الطّاقة إلى الأسفلت عن طريق أربع نقاط تماس السّيّارة مع الشّارع، وهي أربعة إطارات السيارة. تُؤخذ عدّة اعتبارات في الحسبان عند تصميم هيكل العجلة وإطارها: أوّلها، تماسك جيّد مع الشّارع، والّذي يمكن الحصول عليه إذا كانت العجلات كبيرة وعريضة. كما تتيح العجلات العريضة تبريدًا أكثر فاعليّة، إذ تنتشر الحرارة النّاجمة عن الاحتكاك على مسطّح كبير. الميزة الثّانية هي الأخاديد (الفجوات) الّتي ظهرت في عجلات سيّارات فورمولا 1 ثمّ اختفت، ثمّ ظهرت واختفت.. على التّوالي، تبعًا للتّغيّرات الّتي كانت تحصل في قوانين السّباق. تُستخدم اليوم إطارات ملساء تُسمّى Slicks، مصنوعة من المطّاط الصّلد، ما يزيد من تماسك المركبة مع الشّارع،  وهو آمنٌ جدًّا في ظروف الجفاف؛ أمّا في حالة السّباق في طقس ماطر فلا مناص من استخدام الإطارات ذات الأخاديد. 

الاعتبار الثّالث هو موازنة العجلات. قد يؤدّي الخلل في توازن العجلات إلى انحراف السّيّارة عن المسار، ما يزيد بشكل ملحوظ من خطر الحوادث غير المرجوّة عند الانعطافات الحادّة والاستدارة. يُعرَّف التّوازن بأنّه الحالة الّتي يكون فيها مركز كتلة العجلة هو مركزها الهندسيّ، فلا “تتأرجح” العجلة عند استدارة السّيّارة. عندما تفقد السّيّارة توازنها، قد يزيد تماسك الجزء الأماميّ لِسيّارة السّباق بالشّارع عن تماسك الجزء الخلفيّ أو بالعكس؛ ما قد يؤدّي إلى فقدان السّيطرة، في المنعطفات بشكل خاصّ، والاصطدام بحواجز الشّارع. من السّهل التّعرّف على الجهة الّتي تميل إليها المركبة، وذلك بواسطة معرفة الجزء الّذي يصطدم بالحاجز أوّلًا: يصطدم الجزء الأماميّ بالحاجز عندما لا يكون تماسكه مع الشارع جيّدًا، فلا يتمكّن السّائق من إمالة مركبته. ويصطدم الجزء الخلفيّ من المركبة بالحاجز قبل الجزء الأماميّ نتيجة استدارة السّيّارة أو انزلاقها عندما يكون تماسك هذا الجزء مع الشّارع منقوصًا. 

تتباطأ سرعة سيّارة السّباق مع تقدّمها في السّباق ويطول وقت إتمام الدّورة الواحدة، وذلك بسبب احترار الإطارات وتآكلها، وخروج العجلات من حالة التّوازن وتناقص الوقود وانخفاض حجمه. يؤدّي تناقص الوقود في المركبة إلى انخفاض كتلتها؛ ما قد يسهل، لأوّل وهلة، من حركتها، إلّا أنّه يؤدّي أيضًا إلى تغيّر مركز كتلتها وفقدانها التّوازن. 

مَيْل المسار

بالإضافة إلى نوعيّة الأسفلت والطبقات الإضافيّة الّتي تطلي الشّارع والّتي توفّر تماسكًا مثاليًّا للسّيّارة مع الشّارع، فإنّ إحدى خصائص مسار السّباقات هو ميل الشّارع على جانبه، خاصّة في المنعطفات. تؤثّر على السّيّارة قوّة تدفعها إلى الخارج عندما تنعطف انعطافًا حادًّا. وتُعرف هذه بالقوّة الطّاردة عن المركز، وهي ليست قوّة حقيقيّة؛ وإنّما قوّة وهميّة افتراضيّة، لا تنجم عن ردّ فعل متبادل بين المركبة وبين جسم مادّيّ، بل تنبع من وصف حركة الجسم الدّورانيّة. وهذا يعني أنّ القوّة الّتي تؤثّر على المركبة في المنعطفات تزداد مع ازدياد سرعتها، ويجب أخذ هذه القوّة بعين الاعتبار في سباقات السّيّارات وتقليص تأثيرها قدر المستطاع. من الحلول الممكنة لهذه المشكلة هو تكوين ميل في المنعطف، ما يُصعّب اندفاع السّيّارة خارج المسار، ذلك لأنّه يتحتّم على القوّة الطّاردة عن المركز في هذه الحالة دفع السّيّارة في أعلى المنحدر، وليس على عرض شارع مستوٍ. وكما لا تحتاج سيّارة السباق للإبطاء في المنعطف، وهذا أمر لا يقلّ أهمّيّةً في السّباق. 

تُسمّى حالة فقدان توازن العجلات  بـِ الانجراف بالسّيّارة (الدرِفت- Drifting) أو الانعطاف الزّائد، وقد تطوّرت هذه الحالة في اليابان وتحوّلت منذ فترة وجيزة إلى فرع سباق مستقلّ. يتعمّد السّائق في مثل هذه الحالة  عدم التّحكّم بالعجلات الخلفيّة كي تميل سيارته إلى الجانب عند الانعطاف، فلا يحتاج عندها لأن يبطئ من سرعته في بداية المقطع المتعرّج. إحدى طرق القيام بذلك هي استخدام الكابح اليدويّ (فرامل اليد) اّلذي يُقفِل حركة العجلات الخلفيّة، والطّريقة الأخرى هي خفض التّرس (الغيار) بشكل فجائيّ إلى سرعة منخفضة، فتنتقل قوّة كبيرة إلى العجلات الخلفيّة ما يجعل السّيّارة تنزلق عليها.  

وأخيرً وليس آخرًا، لا بدّ من بضع كلمات عن “موسيقى مسار السّباق التّصويريّة”، هي الضّجيج المنبعث من سيّارات السّباق. تنبعث الموجات الصّوتيّة من السّيّارة وتنتشر في جميع الأنحاء. تَتراكب الأمواج الصّوتيّة تراكبًا بنّاءً عندما يكون مصدرها، المركبة الّتي تتقدّم نحو جسم ساكن -“المستمع”- متحرّكًا فَيزداد تردّدها. تنتشر الأمواج الصّوتيّة، بالمقابل، في الجزء الخلفيّ من المركبة (تراكبًا هدّامًا) فينخفض تردّدها. يسمع “المستمع” صوتًا عاليًا عندما تقترب سيّارة السّباق باتجاهه، إذ تدنو الأمواج الصّوتيّة المتراكبة تراكبًا بنّاءً نحوه، ويسمع صوتًا منخفضًا عند مرور السّيّارة من أمامه وابتعادها عنه لأنّ الأمواج الصّوتيّة تتناثر (تتراكب تراكبًا هدّامًا). تُسمّى هذه الظّاهرة بتأثير دوبلر، وهو ينطبق على جميع أنواع الأمواج. 

لا شكّ أنّ رياضة سباقات السّيّارات تجلب متعة كبيرة لمن يعشقها. أمّا نحن، فقد تعلّمنا اليوم أنّ الفورمولا 1 يشكّل حلبة علميّة شيّقة مثيرة إذا نظرنا إلى ما وراء ضجيج المحرّكات.