אחד מענפי ספורט הכי מלהיבים הוא מרוץ המכוניות. המהירות, האדרנלין, האינסטינקטים המהירים. אבל מרוץ מכוניות זה הרבה יותר מאוסף של מכוניות שנוסעות מהר. יש לא מעט מדע מאחורי המבנה של המכונית, המבנה של הכביש וכל מני תרגילים שניתן לעשות עם המכונית.
נתחיל מהיסודות. מכונית מרוץ נראית לכאורה כמו מערכת מאוד פשוטה – קופסא עם מנוע שנותן לה את הכוח להאיץ, פועלים עליה כוחות חיכוך מהאוויר ומהכביש, כוחות העילוי של האוויר וכשהיא עושה פניות חדות גם הכוח הצנטריפוגלי שדוחף אותה כלפי חוץ. יש חשיבות עצומה לצורה שלה, לגובה שלה, לגלגלים שלה, לאיזון בין הגלגלים שלה ואפילו לכמה סיבובים כבר עשתה במרוץ. היות ומדובר מהירויות מאוד גבוהות כל מני תופעות שהן זניחות אצלנו במכונית הפרטית פתאום נהיות משמעותיות במרוץ בין אם ברמה של ניפוח הגלגלים, איזון או בלאי.
שלדת הרכב
למבנה מכונית המרוץ יש שלושה תפקידים עיקריים: 1. לאפשר לאוויר לזרום כמה שיותר בקלות ובכך להקטין את החיכוך איתו 2. לגרום למינימום נזק בזמן תאונה (אזורי "קיפול" לספוג את הכוח המופעל בזמן תאונה). 3. לשמור את המכונית כמה שיותר קרוב לאדמה (מרכז כובד נמוך) בשביל שלא תאבד שיווי משקל ותתהפך. במבנה של מכונית פורמולה 1 גורם לאוויר לדחוף אותה כלפי מטה בעוצמה שהיא פי ארבע מהמשקל שלה (סה"כ כ-2500 ק"ג).
אם תשימו לב יש למכוניות מרוץ מדף בחלקן האחורי או "ספויילר". לספויילר יש מבנה של כנף הפוכה, כלומר במקום לכוון את האוויר שירים את הרכב בדומה למטוס, הוא מכוון את האוויר שיוריד את הרכב. במכוניות רגילות שנוסעות במהירות חוקית, אין יתרון משמעותי לספויילר, אולי חסכון זניח בדלק.
ספוילר במכונית מדגם פורשה. שימו לב למבנה הכנף | צילום: Stahlkocher, ויקיפדיה
הגלגלים
כאשר אנחנו מתכננים מבנה של גלגל צריך לחשוב על כמה משתנים, קודם כל שיהיו בעלי אחיזת כביש טובה – גלגלים גדולים ורחבים. גלגלים רחבים גם מאפשרים קירור יותר טוב של הצמיגים. מאפיין שני הוא החריצים. עד 1997 היו נהוגים, כמו היום גלגלים חלקים, לאחר מכן נכנסו תקנות בנוגע למספר החריצים המינימלי לאורך הגלגל שנועדו להגדיל את החיכוך ולהוריד את המהירות, אבל כיום כבר שוב מותר להשתמש בצמיגים חלקים.
שנית שיהיו עמידים לטמפרטורות גבוהות. בגלל החיכוך עם הכביש טמפרטורת הבלמים יכולה להגיע לטמפרטורה גבוהה של מאות מעלות, דבר שמגביר את הבלאי (אפשר לראות לפעמים את המתכת מתלהטת), ומשנה את המאפיינים של הצמיג כמו גמישות ואחיזת הכביש.
שלישית, במכוניות מרוץ, התחילו למלא את האוויר בחנקן במקום באוויר. כאשר הצמיג מתחמם, לחץ האוויר בו גדל לפעמים בעשרות אחוזים (זאת הסיבה שמודדים לחץ אוויר כשהצמיגים קרים). כאשר בצמיג יש אוויר, תהיה בו גם לחות שתגרום לשינויי לחץ לא רצויים בגלל התאדות המים בטמפרטורה גבוהה.
לאיזון הגלגלים יש חשיבות עצומה, איזון לא טוב יכול לגרום לסטייה של הרכב ובסיבובים זה יכול להיגמר בתאונה. איזון זהו מצב בו מרכז הכובד של הגלגל נמצא במרכז שלו, בשביל שכשהוא מסתובב הוא לא "ירקוד" על הציר.
במכוניות מרוץ שלא נמצאת באיזון עלול להיווצר מצב בו צד החלק הקדמי אוחז את הכביש יותר טוב מהאחורי או ההיפך וזה מוביל לאיבוד שליטה (במיוחד בסיבובים) והתנגשות במעקה. אפשר לדעת לאיזה צד נוטה האיזון לפי איזה חלק שפגע במעקה קודם. אם החלק קדמי לא אוחז טוב את הכביש, הנהג לא יצליח להטות את הרכב והחלק הקדמי יפגע במעקה. אם החלק האחורי לא אוחז טוב, הרכב יכנס לסחרור ויפגע במעקה קודם.
גלגל מאוזן וגלגל לא מאוזן | תרשים: Halpaugh, ויקיפדיה
האטה לאורך זמן - קיימת תופעה של האטה של לאורך זמן במהירות המכונית. לוקח למכוניות יותר זמן להשלים סיבוב ככל שמתקדמים במרוץ. יש לכך כמה סיבות: התחממות ובלאי של הצמיגים, יציאה של הגלגלים מאיזון וירידה בנפח הדלק. ירידה בנפח הדלק אמנם מורידה את שקל הרכב ומקלה על התנועה שלו, אבל מצד שני היא גם משנה את מרכז הכובד ומוציאה אותו מאיזון.
מבנה הכביש
מעבר לסוג האספלט שהכביש עשוי ממנו והשכבות הנוספות שהוא מצופה בהן שנותנים אחיזת כביש אידיאלית, שימו לב שהכביש נוטה על צידו ובמיוחד בסיבובים. הסיבה לכך היא שכאשר מכונית עושה פניה חדה פועל עליה כוח הדוחף אותה כלפי חוץ. זהו הכוח הצנטריפוגלי אותו אנחנו מכירים היטב. כשאנחנו נוסעים ברכב ולוקחים פנייה חדה, זה הכוח שדוחף אותנו הצידה בחוזקה. הכוח עצמו נובע מהתנועה המעגלית ואפשר לראות את זה בתאונות הדרכים הרבות שמתרחשות בסיבובים חדים, בין אם על המסלול או על כביש מהיר. ככל שהמהירות שלנו גבוהה יותר, כך גם הכוח שיופעל עלינו בסיבוב חזק יותר ובמקרה של מרוצי מכוניות, זה כוח שחשוב מאוד להתחשב בו, ולכן עושים כל מה שאפשר בשביל לצמצם את השפעת הכוח, ואחד הדברים הללו הוא יצירת שיפוע בפנייה, דבר שמקשה על דחיקת המכונית מהמסלול, משום שהכוח הצנטריפוגלי צריך לדחוף את המכונית לא לרוחב כביש מישורי אלא במעלה שיפוע. ויותר חשוב כך הוא מקטין את הצורך של המכונית להאט בסיבוב.
איך נהגי מרוץ מתמודדים עם פניות?
דריפטינג – מקרה פרטי של חוסר איזון בגלגלים הוא הדריפטינג. במצב כזה הנהג יוזם חוסר שליטה בגלגלים האחוריים בשביל שהמכונית תנוע הצידה בזמן הפנייה וכך הוא לא יצטרך להאט ולהיכנס לתנועה מעגלית. דרך אחת לעשות את זה היא עם בלם היד שנועל את הגלגלים האחוריים, דרך אחרת היא הורדה פתאומית של ההילוך, דבר שגורם להרבה כוח להגיע לגלגלים האחוריים ולרכב להחליק עליהם. כמובן שבלימה פתאומית על כביש רטוב תביא לתוצאה דומה.
מכונית מירוץ עושה "דריפטינג" | צילום: Drdisque, ויקיפדיה
חיתוך עקומות – כמו שציינו קודם כשמכונית פונה פנייה חדה היא צריכה להאט או שתדחק החוצה וזאת בניגוד לתנועה בקו ישר. אבל מה אם המכונית תצליח לנסוע יותר זמן בקו ישר ופחות זמן להיות בפניה? אחד הטריקים לעשות את זה הוא "לחתוך עקומות" . בשביל לעשות את זה צריך להצמד לצד אחד של הכביש ולהכנס לפניי בשלב מאוחר יחסית ולצאת בצידו השני של הכביש. בצורה כזאת רוב התנועה מתבצעת בקו ישר יחסית דבר שחוסך לנו כמה שברירי שניה במרוץ (כפול כמה עשרות או אפילו מאות הקפות).
מסלולי תנועה בפנייה, המסלול הירוק הוא האופטימלי | תרשים: Hochgeladen von Tra, ויקיפדיה
אפקט דופלר
כאשר המכונית נוסעת היא עושה לא מעט רעש. הרעש יוצא מהמכונית ומתפשט בצורה של גלים לכל הכיוונים. כשהמכונית נוסעת לכיוון שלנו, מקור הרעש זז ולכן גלי הקול מתקבצים זה בא לידי ביטוי בתדר הגבוה שלהם. בחלק האחורי של הגוף הנע הם מתפשטים ולכן התדר שלהם נמוך יותר. כשהמכונית מתקדמת אלינו אנחנו שומעים את גלי הקול המקובצים מתקרבים אלינו וזה צליל גבוה.כשהיא חולפת על פנינו אנחנו שומעים את גלי הקול המתפשטים וזה צליל נמוך יותר. לתופעה קוראים אפקט דופלר והיא נכונה לכל סוג של גלים כמו גלי קול, גלי מים וגלי אור.
המחשה של אפקט דופלר | הנפשה: Charly Whisky, ויקיפדיה
ד"ר ארז גרטי
מכון דוידסון לחינוך מדעי
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בתגובה לכתבה זו ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.
