מרוצים מהמדע

מרוץ המכוניות הוא אחד מענפי הספורט המלהיבים ביותר, ולבטח מהנצפים בעולם. אבל מרוץ מכוניות הוא הרבה יותר מאוסף של מכוניות שנוסעות ממש מהר. יש לא מעט מדע מאחורי צורת המכונית, מבנה הכביש ותמרונים שונים שאופייניים למרוצי המכוניות.

צורה לך

לכאורה מכונית מרוץ נראית כמערכת פשוטה למדי: קופסה ובה מנוע שמספק לה כוח האצה, שפועלים עליה כוחות חיכוך מהאוויר ומהכביש וגם כוחות העילוי של האוויר. כשהיא מבצעת פניות חדות פועל עליה גם כוח צנטריפוגלי, ש”דוחף” אותה כלפי חוץ. יש חשיבות עצומה לצורת המכונית, לגובהה, לגלגלים שלה ולאיזון ביניהם. היות שמדובר במהירויות גבוהות ביותר, תופעות שנחשבות זניחות במכונית הפרטית, הופכות כאן לכבדות משקל.

מבט חטוף במכונית פורמולה 1 טיפוסית מגלה כלי רכב רחב ונמוך, הקרוב מאוד לפני השטח של הכביש, מה שמקנה למכונית מראה דמוי-קליע, ולא בכדי. לעיצוב המבנה של מכונית המרוץ יש שלושה תפקידים עיקריים. הראשון בהם הוא לאפשר לאוויר לזרום בקלות רבה, ובכך להקטין את כוח החיכוך, שלעיתים נקרא התנגדות האוויר או כוח גרר. התפקיד השני הוא לגרום לנזק מזערי בעת תאונה, והשלישי הוא לשמור את מרכז המסה של המכונית נמוך ככל הניתן, על מנת שלא תיאבד שיווי משקל ותתהפך. כמו כן, מכונית אופיינית במרוץ פורמולה 1 מעוצבת כך שהיא גורמת לאוויר לדחוף אותה כלפי מטה בכוח שגדול פי ארבעה ממשקלה.

לצד השימוש באוויר לשיפור היציבות, המכוניות המודרניות רותמות את האנרגיה שנוצרת בזמן הנסיעה לשיפור הביצועים. אומנם מנוע הבנזין עשה מלאכתו נאמנה במשך עשרות בשנים, אך מכוניות הפורמולה 1 העכשוויות הן היברידיות ומצוידות במערכת שחזור אנרגיה קינטית (בראשי תיבות KERS). מערכת זו אוצרת אנרגיה קינטית – אנרגיית מהירות שמשתחררת בעת בלימה – וממירה אותה לאנרגיה חשמלית. כך הנהגים יכולים לקבל תוספת כוח מיידית שיכולה לשפר את מיקומם במרוץ כהרף עין.

עם ספוילרים

הצורך לשלוט בכוחות הפועלים על הרכב משתקף גם בעיצובו החיצוני. כך, אחד מרכיביה האופייניים של מכונית מרוץ הוא מדף  בחלקה האחורי המכונה “ספוילר”, או בעברית צחה, משבש זרימה. לספוילר יש מבנה של כנף מטוס הפוכה, ומכאן, במקום לכוון את האוויר כך שיתרום לכוח העילוי וירים את הרכב בדומה למטוס, הוא מכוון את האוויר כך שיתנגד לעילוי ויוריד את הרכב מטה. אם תרצו – עילוי שלילי. לצד זאת, במרוצי פורמולה 1 נעשה לעיתים שימוש במערכת הפחתת גרר (בראשי תיבות DRS) שנכנסת לפעולה בעיקר בתנועה בקו ישר, כאשר הנהג דווקא לא זקוק לאחיזת כביש מיטבית. במכוניות רגילות, כאלה שנוסעות במהירות חוקית, אין יתרון משמעותי לספוילר או ל-DRS. השנה החליטו בהנהלת פורמולה 1 לבטל את השימוש ב-DRS.

על גלגלים

כל העוצמה הזו חייבת לעבור אל האספלט דרך ארבע נקודות מגע, הלוא הן ארבעת הצמיגים. בעת תכנון מבנה הגלגל והצמיג יש לקחת בחשבון כמה משתנים. בראש ובראשונה אחיזת כביש טובה שמתקבלת כשהגלגלים גדולים ורחבים. גלגלים רחבים גם מאפשרים קירור טוב יותר של הצמיגים, מכיוון שכך החום שנוצר מהחיכוך מתפזר על פני שטח גדול יותר. מאפיין שני הוא החריצים, שהופיעו ונעלמו לסירוגין במכוניות פורמולה 1 בהתאם לשינויים בתקנות המרוץ. כיום משתמשים בצמיגים חלקים בשם Slicks, העשויים גומי קשיח, מה שמגדיל את אחיזת הכביש ונחשב לבטוח למדי בתנאי יובש. בתנאי גשם אין מנוס מלהשתמש בצמיגים מחורצים.

מאפיין שלישי הוא איזון הגלגלים. איזון לקוי עלול לגרום לרכב לסטות, ובזמן פניות חדות וסיבובים הסיכון לתאונה גדל מאוד. איזון מוגדר כמצב שבו מרכז המסה של הגלגל נמצא במוקד הגיאומטרי שלו, מה שמונע את “הריקוד” של הגלגל בשעת סיבוב. כשמכונית מרוץ יוצאת מאיזון, חלקה הקדמי עשוי להיאחז בכביש טוב יותר בהשוואה חלקה האחורי, או להפך, מה שמוביל בייחוד בסיבובים לאיבוד שליטה ולהתנגשות במעקה. קל לגלות לאיזה צד נטתה המכונית לפי זיהוי החלק שפגע במעקה ראשון: אם החלק הקדמי לא נאחז היטב בכביש, הנהג לא יצליח להטות את המכונית וזה החלק שיפגע במעקה. אם החלק האחורי לא נאחז היטב, המכונית  תיכנס לסחרור וחלקה האחורי יפגע במעקה לפני החלק הקדמי.

בשולי התופעות הללו, קיימת גם האטה לאורך זמן. מתברר שלמכוניות לוקח יותר זמן להשלים הקפה ככל שהמרוץ מתקדם, ויש לכך כמה סיבות: התחממות ובלאי של הצמיגים, יציאה של הגלגלים מאיזון וירידה בנפח הדלק. מצד אחד הירידה בנפח הדלק מפחיתה את מסת המכונית ולכאורה מקילה על תנועתה, אבל מצד שני היא גם משנה את מרכז המסה ומוציאה את המכונית מאיזון.

נטיית המסלול

מעבר לסוג האספלט והשכבות הנוספות שהכביש מצופה בהן ושמקנות אחיזת כביש אידיאלית, אחד מהמאפיינים הבולטים של מסלול מרוצים הוא שהכביש נוטה על צידו, במיוחד בסיבובים. הסיבה לכך היא שכשמכונית מבצעת פנייה חדה, פועל עליה כוח הדוחף אותה כלפי חוץ. זהו הכוח הצנטריפוגלי, שאינו כוח אמיתי, אלא כוח מדומה, שאינו נובע מאינטראקציה בין המכונית לישות פיזיקלית, אלא נובע מתיאור התנועה של גוף בתנועה מעגלית: ככל שמהירות המכונית גבוהה יותר, כך גם הכוח שיופעל עליה בסיבובים חזק יותר, ובמקרה של מרוצי מכוניות, זהו כוח שיש להתחשב בו ולצמצם את השפעתו ככל שניתן. אחד מהפתרונות לבעיה הוא יצירת שיפוע בפנייה, דבר שמקשה על דחיקת המכונית החוצה מהמסלול, משום שבמצב זה הכוח הצנטריפוגלי צריך לדחוף את המכונית לא לרוחב כביש מישורי אלא במעלה שיפוע. ולא פחות חשוב, כך קטן הצורך של המכונית להאט בסיבוב.

מקרה פרטי של חוסר איזון בגלגלים נקרא “דריפטינג” (Drifting) או היגוי יתר, שהתפתח ביפן והפך זה מכבר לענף בפני עצמו. במצב כזה הנהג יוזם חוסר שליטה בגלגלים האחוריים כדי שהמכונית תיטה הצידה בזמן הפנייה וכך לא יצטרך להאט בתחילתו של מקטע עם עקמומיות גבוהה. דרך אחת לעשות את היא בעזרת בלם היד שנועל את הגלגלים האחוריים. דרך אחרת היא הורדה פתאומית של ההילוך, מה שגורם לכוח רב להגיע לגלגלים האחוריים כך שהמכונית מחליקה עליהם.

לבסוף, מילה על “הפסקול של המסלול”, הלוא הוא הרעש האופייני למכוניות מרוץ. גלי הקול בוקעים מהמכונית ומתפשטים לכל הכיוונים. כשהמכונית מתקדמת לכיוון עצם נייח, שנקרא לו “המאזין”, מקור הרעש נמצא בתזוזה ולכן גלי הקול מתקבצים, מה שבא לידי ביטוי בתדר הגבוה שלהם. לעומת זאת, בחלק האחורי של המכונית הם מתפשטים ולכן התדר שלהם נמוך יותר. כך קורה שכשהמכונית מתקדמת לעבר המאזין, גלי הקול המקובצים מתקרבים לכיוונו ונשמע צליל גבוה. לעומת זאת כשהיא חולפת על פניו נשמעים גלי הקול המתפשטים כצליל נמוך יותר. התופעה הזו קרויה  אפקט דופלר והיא נכונה לכל סוג של גלים.

אין ספק שעולם הספורט המוטורי הוא בידור נהדר, למי שאוהבים. היום למדנו שפורמולה 1 יכולה להיות גם זירה מדעית מרתקת אם רק מצליחים להאזין מבעד לרעש המנוע.