דף הבית / גריד / טכני: גרר, אווירודינמיות והמעלה השלישית
hayabusa-wind-tunnel

טכני: גרר, אווירודינמיות והמעלה השלישית

אנחנו לא נעים בוואקום אלא בתוך גוש האוויר שסביבנו, שמאוד מתנגד לכך

לא מזמן ניגש אלי בחור צעיר שרוכב על אופנוע דו-שימושי בנפח 125 סמ"ק ושאל אותי שאלה – אם האופנוע ברשותו, שמפיק פחות מ-15 כ"ס, מסוגל להגיע אל מעל ל-100 קמ"ש, למה אופנוע עם נפח כפול והספק כפול, כלומר 250 סמ"ק ו-30 כ"ס, לא מסוגל להגיע ל-200 קמ"ש?. ההמשך היה צפוי – למה אופנוע עם 400 סמ"ק ו-40 כ"ס לא מסוגל להגיע ל-300 קמ"ש? הרי אם מכפילים את הספק המנוע, גם מהירות הנסיעה המקסימלית מוכפלת, לא?

תצורת טיפה – מקדם גרר נמוך

שאלה טובה, וגם ממש לא פשוטה. אם רוצים לתת תשובה שדווקא כן תהיה פשוטה, אז היא תהיה: לא. מהירות הנסיעה לא תוכפל בהכפלת הספק המנוע. אבל צריך גם להסביר למה, ואז מגיעים לאחד הנושאים שמעסיקים מאד צוותי פיתוח של כלים שאמורים להיות מהירים במיוחד – אופנועי ספורט, מכוניות בכלל ומכוניות ספורט בפרט, וגם מטוסים – שמהם כל הידע הגיע גם אלינו. הנושא הזה נקרא 'גרר' (Drag), או אווירודינמיות. זהו הגורם המשפיע ביותר על המהירות המקסימלית של גוף שצריך לעבור דרך האוויר בכדור הארץ.

הגרר הוא בעצם התנגדות האוויר לתנועה דרכו. ההתנגדות הזו נובעת מחיכוך שבין מולקולות האוויר לבין גוף כלי הרכב שמנסה לעבור דרך האוויר. כן, גם לאוויר יש חיכוך. אמנם האוויר הוא חומר בעל צפיפות נמוכה, אבל בכל זאת הוא חומר, וכאמור, בינו לבין הגוף שחותך אותו נוצר חיכוך. כוח החיכוך הזה שנוצר בגלל הגרר מתנגד לכוח שהמנוע ומערכת התמסורת, דרך הגלגלים, מעבירים לקרקע ודוחפים את כלי הרכב קדימה.

אז אוקי, יש כוח שמתנגד לתנועת הרכב, אבל איך זה קשור לשאלה שלמעלה, ולמה אם מכפילים את הספק המנוע לא יכולים לנסוע מהר פי 2? ובכן, גם פה הסיבה פשוטה. כוח הגרר, או כוח התנגדות הרוח אם תרצו, תלוי במספר גורמים. ראשית הוא תלוי בצפיפות האוויר, אבל היות ועל פני כדור הארץ בגובה מסוים מעל פני הים צפיפות האוויר זהה פחות או יותר, אז כרגע נתעלם מזה. אבל יש עוד כמה גורמים. הראשון הוא שטח החתך של פני כלי הרכב. לאופנועים, בגלל ממד הרוחב הצר שלהם, יש יתרון בתחום הזה, שכן שטח הפנים שלהם קטן מאוד ביחס למכוניות, עד כדי רבע. אז הנה, כבר לאופנועים יש יתרון.

לאון האסלם וה-S1000RR במנהרת רוח

פרמטר נוסף שקובע את כוח הגרר הוא מקדם הגרר של כלי הרכב, עליו נרחיב מיד. הפרמטר האחרון יהיה מהירות הנסיעה (בשקלול מהירות הרוח, כמובן). הבעיה היא שכוח הגרר עולה כתלות במהירות בריבוע. כלומר, אם נגביר את המהירות ברכב נתון פי 2, כוח הגרר שמתנגד לתנועת כלי הרכב יגדל פי 4. עכשיו, היות והספק זה כוח כפול מהירות, מקבלים שההספק הדרוש להתגברות על התנגדות הרוח, עולה בחזקה ממעלה שלישית עם עליית המהירות. המשמעות היא שהרוח לא משפיעה כמעט בכלל במהירויות נמוכות, אבל משפיעה ועוד איך ככל שהמהירות עולה.

בחיים האמיתיים, כדי להגיע לאותם 100 קמ"ש שהבחור עם הדו"ש 125 סמ"ק דיבר עליהם, לא נדרשים לאופנוע יותר מ-10 כ"ס בממוצע, ולפעמים גם פחות. אבל כדי להגיע ל-200 קמ"ש נצטרך כבר סביב 70 כ"ס. הספק סביר ולא בשמיים בכלל. אבל כדי להגיע ל-300 קמ"ש, שהם 50% יותר מ-200 קמ"ש, נצטרך, לפי החישוב הנ"ל, למעלה מ-250 כ"ס! איך זה מסתדר עם כלים כמו סוזוקי היאבוסה, קוואסאקי ZZR1400, או כל ליטר ספורטיבי אחר, שמגיעים ל-300 קמ"ש ואף יותר עם 200 כ"ס ופחות? ובכן, פה נכנס למשוואה אותו פרמטר ממקודם – מקדם הגרר.

מקדם הגרר הוא מספר המסמל את האווירודינמיות של כלי הרכב. במשוואת כוח הגרר, מקדם הגרר מוכפל כאמור בשטח החתך של כלי הרכב ובמהירות בריבוע. לכן, ככל שמקדם הגרר יהיה נמוך יותר, כך כוח הגרר של כלי הרכב במהירות נתונה יהיה נמוך יותר. במילים אחרות, כדי להשיג מהירויות גבוהות יותר מכלים בנפח והספק נתונים, נצטרך להקטין את מקדם הגרר.

אז כבר הבנו שלאופנועים יש יתרון על פני מכוניות בסעיף של שטח החתך של פני הגוף, אבל מצד שני, אופנועים סובלים ממקדם גרר גבוה משמעותית משל כלי רכב. מקדם הגרר של מכונית נוסעים ממוצעת נע סביב 0.3-0.35. במכוניות ספורטיביות המספר הזה עשוי לרדת גם לכיוון 0.2. לעומת זאת, מקדם הגרר של אופנועים נע סביב 0.5-0.6, כלומר כמעט פי 2 מאשר במכוניות, כשבאופנועים מסוימים שתוכננו למהירויות גבוהות, מצליחים לרדת מעט מהמספרים האלה.

קוואסאקי ZZR1400 - הזימים לזרימה למינרית
קוואסאקי ZZR1400 – הזימים לזרימה למינרית

מה קובע את מקדם הגרר? באופן כללי תצורת הגוף. אם רוצים לפרט, אז מקדם הגרר נקבע על ידי צורת הפנים של הגוף שחותכת את האוויר, וכן המשכו של הגוף והסיום שלו, עד שהאוויר עוזב את הגוף בזנב. כדי להשיג מקדם גרר נמוך, על הגוף לשאוף לצורה של טיפה, כלומר מתרחב במהירות בחזית והולך ונהיה צר בהמשך במתינות, עד לסיום החד. הביטו על מטוס נוסעים למשל, ותראו בדיוק את הצורה הזו. חזית ישרה, כמו של אוטובוסים או משאיות למשל, מהווה התנגדות משמעותית לרוח ומעלה מאוד את מקדם הגרר. מהעבר השני, סיום ישר ולא חד ייצור תת-לחץ מאחורי הגוף, וזה מצידו יגרום לכוח שמושך אחורנית את הרכב, ויותר גרוע – הוא ייצור מערבולות, ואלו מצידן יגדילו משמעותית את מקדם הגרר. כל אופנוען ודאי יודע שאם נוסעים צמוד מאחורי אוטובוס, ניתן לשבת בתוך אזור תת הלחץ, וכתוצאה מכך להשתמש בפחות מצערת ופחות הספק מנוע. זהירות, לא מומלץ לנסות שכן זה מסוכן מאוד בגלל היעדר שדה ראייה לפנים.

גם רוכבי מרוצים משתמשים בשיטה הזו, וכל מי שעוקב אחרי מרוצי אספלט כמו MotoGP או סופרבייק ודאי ראה עקיפות ב'סליפ-סטרים', כשהרוכב האחורי יושב בישורת מאחורי הרוכב שלפניו, נותן לו להתמודד עם הרוח, ונהנה מהוואקום שנוצר מאחורי הרוכב המוביל. כשהמהירות עולה, הרוח מתנגדת והרוכב שמאחור צובר מספיק מהירות – הוא יוצא לעקיפה עם רזרבות המהירות שצבר.

מקדם הגרר של אוטובוסים ומשאיות אגב, עומד על סדר גודל של 0.65 עד 0.8. אם תסתכלו על אוטובוסים מודרניים, ובמיוחד כאלו שמיועדים לנסיעות בינעירוניות מהירות, תראו שבשנים האחרונות האוטובוסים פחות מלבניים ויותר מעוגלים. גם בחזית, גם בזנב וגם לאורך הגוף. המטרה כאמור היא להפחית את מקדם הגרר, כתוצאה מכך להפחית את תצרוכת הדלק למהירות נתונה, וכתוצאה ישירה מכך גם את זיהום האוויר – בגלל שימוש בפחות הספק.

סליפ-סטרים - עשוי להתפתח לעקיפה
סליפ-סטרים – עשוי להתפתח לעקיפה

בנוסף לתצורת הרכב, שטח הפנים של הגוף כולו צריך להיות חלק, עם כמה שפחות בליטות לצדדים ופינות חדות. ככל ששטח הפנים יהיה חלק פחות, האוויר שאותו חותך הגוף יעבור מוקדם יותר ממצב של זרימה למינרית (זרימה חלקה) לזרימה טורבולנטית (מערבולות), וכמו שבטח כבר הבנתם, מערבולות אוויר כאלו יגדילו משמעותית את כוח הגרר.

לאור שתי הפסקאות האחרונות, זה כבר ברור שאופנועים סובלים ממקדם גרר גבוה בגלל הצורה האווירודינמית הלא טובה שלהם. למעשה, הבעיה של אופנועים נעוצה פחות בחזית ויותר בשטח הפנים שלאורך האופנוע וכן בזנב. הצורה האווירודינמית של אופנועים היא 'מלוכלכת' ויוצרת המון מערבולות אוויר, שכאמור מגדילים משמעותית את מקדם הגרר וכוח הגרר. חשבו על כל אופנוע דו-שימושי למשל, ועל הצורה שלו לאורך האופנוע, ותבינו לבד את הבעיה.

על מנת להקטין את מקדם הגרר באופנועים שזקוקים לכך כדי להגיע למהירויות גבוהות, משתמשים במעטי פלסטיק שמתוכננים להיות אווירודינמיים, כלומר עם כמה שפחות הפרעות לזרימת אוויר. כל אחד מכיר ודאי את התמונות המתפרסמות עם כל טיל בליסטי דו-גלגלי חדש, של האופנוע עם רוכב במנהרת רוח. אז כן, על מנת לקבוע אמפירית את מקדם הגרר וכוח הגרר, ועל מנת להפחית אותם באופן משמעותי, משתמשים במנהרת רוח שמדמה נסיעה במהירות גבוהה ועשויה להציף בעיות אווירודינמיות הנובעות פינות חדות או בולטות.

קחו למשל כדוגמה את הסוזוקי היאבוסה והקוואסאקי ZZR1400. שניהם אופנועים המתחרים ראש בראש על תואר האופנוע המהיר ביותר בעולם בייצור סדרתי (אם כי בשנים האחרונות, בגלל התקינות הפוליטית הארורה, זה הפך להיות 'בעלי התאוצה החזקה ביותר'…), ולשניהם יש מעטה פלסטיקה בעל צורה אווירודינמית הקרובה לטיפה. בנוסף, לשניהם אלמנטים האמורים לעזור לזרימה למינרית, כמו כנפוני הצד הבולטים של הקוואסאקי למשל. בכל אופן, צורת הפיירינג של שני אלו לא נגזרת מסיבות עיצוביות כאלו או אחרות, אלא לחלוטין על מנת להקטין את מקדם הגרר ולהעלות את המהירות המקסימלית.

ב.מ.וו K1 - מקדם גרר נמוך, מקדם אסתטיקה אפסי
ב.מ.וו K1 – מקדם גרר נמוך, מקדם אסתטיקה אפסי

דוגמה נוספת ניתן למצוא ב-K1 של ב.מ.וו, שיוצר בשנים 88-93. בב.מ.וו התגאו בזמנים ההם בעובדה שה-K1 הוא האופנוע בעל מקדם הגרר הנמוך ביותר בייצור סדרתי – רק 0.34. הנתון הזה אגב, הוא אחד ממקדמי הגרר הנמוכים ביותר אי-פעם באופנועים, ונחשב מעולה גם בימינו. כדי להקטין את מקדם הגרר, צורת הפיירינג תוכננה כך שתיצור כמה שפחות מערבולות. הביטו למשל על הכנף הקדמית המכסה אחוז נכבד מהגלגל הקדמי. הסיבה לכך היא כמובן להקטין את מקדם הגרר, שכן הגלגל הקדמי הוא אחד הגורמים העיקריים ביצירת מערבולות, בעיקר בגלל החלק שלו שנע כנגד תנועת האוויר, ואת החלק הזה צריך לכסות כדי להקטין את הגרר.

דוגמאות קיצוניות יותר אפשר למצוא בכלים המנסים לשבור את שיאי המהירות. אחת לשנה למשל, מתקיימת סדרת אירועים כאלו באגמי המלח של בונוויל. הכלים המשתתפים שם, שכבר הגיעו ל-500 קמ"ש, כמובן משופרים במנועים חזקים ובמגדשי טורבו, אך חשובה לא פחות ואף הרבה יותר היא התצורה האווירודינמית. לכן אופנועים המיועדים לשבירת מהירות מצוידים במעטה פיירינג סגור ומיוחד, חלק לגמרי, שכל תפקידו הוא להקטין את הגרר למינימום האפשרי. בכלל, ישנה קטגוריית אופנועי 'סטרים-ליינר' שבהם הפלסטיקה סגורה לחלוטין והרוכב שוכב בתוך האופנוע.

אגב, הבחירה באגמי המלח של בונוויל גם היא מעניינת. אמנם באתר ישנם אגמי מלח חלקים וגדולים שמאפשרים להיות על מהירות גבוהה מאוד לאורך זמן, אולם יש להם יתרון נוסף – הם מפחיתים את חיכוך הגלגול, שהוא החיכוך שבין צמיגי הרכב לבין האספלט, או הקרקע. ביחס לכוח הגרר, לחיכוך הגלגול יש אמנם השפעה זניחה, במיוחד ככל שהמהירות עולה, אך כשרוצים לשבור שיאים צריכים כמובן את התנאים האופטימליים.

ומה עם הבחור שלנו? הוא כבר הבין שכל זה לא בשבילו והחליט להישאר עם דו-שימושיים, ועזבו אותו ממהירות…

אודות אביעד אברהמי

אביעד אברהמי
בן 47, רוכב על אופנועים 31 שנים ברציפות, חולה גז מאובחן, ממציא מטבע הלשון 'חזיר גז' ועורך את האתר שבו אתם גולשים כעת.

עשוי לעניין אותך

06 - MY25_XDIAVELV4_DYN _8__UC750362_High

דוקאטי: איקס דיאבל V4 חדש ל-2025

האיקס דיאבל - הפאוור קרוזר של דוקאטי - מקבל לשנת 2025 גרסה חדשה לגמרי עם מנוע V4, אלקטרוניקה עדכנית ומלאה ועיצוב חדש

Single Sign On provided by vBSSO
דילוג לתוכן