عدو خفي يواجه سيارتك على الطريق.. كيف يهزم المصممون مقاومة الهواء؟

لا يحتاج السائق إلى بلوغ سرعة خارقة حتى يبدأ الهواء في استهلاك جزء معتبر من الطاقة التي تنتجها السيارة. فكلما ارتفعت السرعة، زادت القوة المطلوبة لشق الهواء، حتى تصبح الديناميكا الهوائية أحد أهم العوامل التي تحدد كفاءة السيارة على الطرق السريعة.

لهذا لا يقتصر تصميم الهيكل الخارجي على منح السيارة شخصية بصرية مميزة، إذ تخضع المقدمة والسقف والزجاج والمرايا والعجلات وحتى الجزء السفلي من المركبة لحسابات دقيقة تهدف إلى إدارة حركة الهواء بأقل قدر ممكن من المقاومة. والفارق يمكن قياسه بالأرقام، وليس مجرد انطباعات عن سيارة تبدو "انسيابية".

تحدد وكالة الفضاء الأمريكية "ناسا" قوة السحب الهوائي من خلال معادلة تضم عدة عوامل؛ أبرزها كثافة الهواء، ومساحة الجسم المواجهة له، ومعامل السحب، وسرعة الجسم.

والعامل اللافت في المعادلة أن سرعة السيارة تدخل مربعة، أي أن مقاومة الهواء لا تزيد بنفس معدل زيادة السرعة. فإذا تضاعفت سرعة السيارة، وبقيت بقية العوامل ثابتة، تصبح قوة السحب الهوائي نحو 4 أضعاف.

وبما أن القدرة المطلوبة للتغلب على هذه المقاومة تساوي القوة مضروبة في السرعة، فإن القدرة المطلوبة لمواجهة السحب وحده ترتفع نظريا بما يقارب مكعب السرعة. وهذا يفسر لماذا تصبح الزيادة في السرعة مكلفة بصورة متزايدة من ناحية استهلاك الوقود أو الكهرباء.

وتقدم وزارة الطاقة الأمريكية مثالا عمليا على ذلك، فقد أظهرت دراسة شملت 74 سيارة ومركبة خفيفة أن معظم المركبات حققت أفضل كفاءة وقود عند سرعات في حدود 40 ميلا في الساعة، قبل أن يبدأ الاستهلاك في الارتفاع بوضوح بعد 50 ميلا في الساعة. وبين سرعتي 50 و80 ميلا في الساعة انخفض متوسط اقتصاد الوقود للمركبات محل الدراسة بنسبة بلغت نحو 36%.

وفي تحليل آخر نشرته الوزارة عام 2022، كان اقتصاد الوقود لمركبة خفيفة تسير بسرعة 80 ميلا في الساعة أقل بنحو 27% مقارنة بسيرها بسرعة 60 ميلا في الساعة. ولا يعود هذا الفارق إلى مقاومة الهواء وحدها، لكنه يوضح مقدار ما يمكن أن تفعله السرعات المرتفعة بكفاءة السيارة.

عند الحديث عن انسيابية السيارات يظهر كثيرا مصطلح معامل السحب (Cd)، وهو رقم يستخدم للتعبير عن مدى مقاومة شكل الجسم لتدفق الهواء حوله.

وبصورة عامة، يشير انخفاض الرقم إلى تصميم أكثر كفاءة هوائيا، لكن مقارنة السيارات استنادا إلى هذا الرقم وحده قد تكون مضللة، فمعادلة السحب تعتمد أيضا على المساحة الأمامية للسيارة. وبالتالي يمكن لمركبة كبيرة أن تسجل معامل سحب منخفضا نسبيا، لكنها تظل تواجه مقاومة كبيرة لأنها تدفع كمية أكبر من الهواء أمامها.

وتقدم مرسيدس إي كيو إس مثالا واضحا. فعند إطلاق السيارة أعلنت الشركة أن معامل السحب يبدأ من 0.20، بينما تبلغ المساحة الأمامية للسيارة 2.51 متر مربع، وهو ما ينتج عنه ما تسميه الشركة مساحة مقاومة هوائية فعالة تبدأ من نحو 0.5 متر مربع.

أي أن المهندس لا يبحث عن أقل قيمة لـ(Cd) فقط، وإنما عن أفضل نتيجة تجمع بين شكل السيارة ومساحتها وحاجتها العملية إلى مساحة داخلية وتبريد وثبات.

وتوضح مرسيدس أهمية الفروق الصغيرة في هذا الرقم، إذ تقول إن خفض معامل السحب بمقدار 0.01 يمكن -في حساباتها لسياراتها الكهربائية وفي الرحلات الطويلة- أن يحسّن المدى بنحو 2.5%. وتقدر الشركة أن ذلك يعادل قرابة 375 كيلومترا إضافيا سنويا لمن يقطع 15 ألف كيلومتر.

وهذه الأرقام تقديرات خاصة بظروف ونماذج مرسيدس وليست قاعدة ثابتة تنطبق بالنسبة نفسها على جميع السيارات.

لا توجد قطعة واحدة مسؤولة عن انسيابية السيارة، فالهواء يبدأ تفاعله مع المركبة من المقدمة، ثم ينتقل حول المصابيح والمرايا والزجاج والسقف والجوانب والعجلات، ويمر أسفل الهيكل قبل أن ينفصل عنه في المؤخرة. وكل منطقة تتكون فيها دوامات أو اضطرابات كبيرة يمكن أن تزيد مقاومة الحركة.

لهذا أصبحت مقابض الأبواب المدمجة، والجنوط ذات التصميم شبه المغلق، والستائر الهوائية أمام العجلات، والأسطح السفلية المستوية، وحواف المؤخرة الصغيرة عناصر وظيفية وليست مجرد تفاصيل تجميلية.

وتبرز أهمية الجزء السفلي خصوصا، لأن وجود مكونات ميكانيكية وتجاويف مكشوفة في مسار الهواء يسبب اضطراب التدفق. ويظهر ذلك بوضوح في "بورشه ماكان" الكهربائية، التي أعلنت الشركة عند تقديمها عن معامل سحب يبلغ 0.25 في بعض أوضاعها.

وللوصول إلى هذا الرقم استخدمت بورشه أرضية سفلية شبه مغلقة، وجناحا خلفيا متكيفا، وفتحات تبريد أمامية متحركة، إلى جانب معالجة تدفق الهواء حول مقدمة السيارة والعجلات.

وتوضح بورشه أن فتحات التبريد تظل مغلقة في كثير من ظروف القيادة لتقليل المقاومة، لكنها تفتح عندما تحتاج البطارية أو المحركات أو نظام التكييف إلى تبريد إضافي. أي أن السيارة نفسها تغير خصائصها الهوائية أثناء السير بحسب احتياجاتها.

تواجه السيارات المرتفعة وذات الهياكل الكبيرة تحديا أكبر بسبب مساحتها الأمامية، كما أن شكل المؤخرة المرتفع والحاد قد يؤدي إلى انفصال الهواء وتكوين منطقة منخفضة الضغط خلف السيارة تسهم في زيادة السحب.

ولا يعني هذا أن السيارة المنخفضة ستكون دائما أكثر انسيابية، لأن النتيجة النهائية تعتمد على التصميم الكامل، لكنه يفسر لماذا تحتاج سيارات الدفع الرباعي الكبيرة إلى حلول أكثر تعقيدا لتحسين الكفاءة الهوائية.

ووصول سيارة رياضية متعددة الاستخدامات (SUV) كهربائية مثل "ماكان" من بورشه إلى معامل سحب يبلغ 0.25 يوضح حجم التطور الذي حققته الصناعة في معالجة هذه المشكلة.

قد تبدو الأجنحة الخلفية والمشتتات الكبيرة في السيارات الرياضية دليلا على انسيابية أفضل، لكن وظيفتها ليست دائما خفض مقاومة الهواء، فالسيارة الرياضية تحتاج أحيانا إلى التضحية بجزء من الكفاءة الهوائية مقابل توليد قوة ضاغطة إلى أسفل تساعد الإطارات على الحفاظ على تلامس أفضل مع الطريق عند السرعات المرتفعة والمنعطفات.

وتظهر المفاضلة بوضوح في "بورشه 911 توربو إس" التي قدمت عام 2020 بنظام ديناميكا هوائية نشط يستطيع تغيير أوضاع الجناح الخلفي والجزء الأمامي وفتحات التبريد.

وبحسب بورشه، تمكن النظام في وضع الأداء من توليد قوة ضاغطة تصل إلى نحو 170 كيلوغراما، بينما يصل معامل السحب في أكثر الأوضاع كفاءة إلى 0.33 عندما تكون الفتحات مغلقة والعناصر الهوائية في أوضاع تقلل المقاومة.

ويكشف هذا عن معادلة أساسية في هندسة السيارات الرياضية: أقل مقاومة ليست دائما هي الهدف؛ فقد تكون الأولوية للثبات أو التبريد أو قوة الضغط على الطريق.

قبل خروج السيارة إلى الشارع تخضع لشهور وربما سنوات من المحاكاة والاختبارات الهوائية. وتستخدم الشركات برامج ديناميكا الموائع الحسابية (CFD) لدراسة حركة الهواء رقميا حول نماذج السيارة، لكن أنفاق الرياح تظل أداة رئيسية للتحقق من النتائج وقياس القوى الفعلية.

ومنشآت الاختبار الحديثة أكثر تعقيدا من مجرد مروحة ضخمة تدفع الهواء نحو سيارة ثابتة، ففي نفق الرياح التابع لمرسيدس-بنز في زيندلفينغن الألمانية، يبلغ طول منطقة القياس 19 مترا، وتستخدم الشركة نظاما يزن نحو 90 طنا يضم 5 أحزمة متحركة لمحاكاة حركة الطريق أسفل السيارة.

يوجد حزام صغير أسفل كل عجلة، إضافة إلى حزام مركزي يبلغ طوله 9 أمتار، ويمكن للنظام محاكاة ظروف السير بسرعات تصل إلى 265 كيلومترا في الساعة.

كما توضع السيارة على ميزان تزن منظومته نحو 24 طنا لقياس قوى السحب والرفع والقوى الجانبية والحركات الهوائية المؤثرة عليها.

ولا تنتهي عملية التطوير عند النفق، إذ تُختبر النماذج لاحقا على الطرق وفي ظروف مختلفة للتأكد من أن تحسين الديناميكا الهوائية لا يأتي على حساب التبريد أو الثبات أو الضوضاء أو الاستخدام اليومي.

خفض مقاومة الهواء ليس الطريق الوحيد لتحسين الكفاءة، فالوزن يؤثر في مقدار الطاقة المطلوبة لتسريع السيارة وصعود المرتفعات، كما يرتبط بمقاومة تدحرج الإطارات. لكن تخفيف الوزن لا يخفض مقاومة الهواء بصورة مباشرة؛ فهما عاملان مختلفان.

وبحسب وزارة الطاقة الأمريكية، فإن خفض وزن سيارة تقليدية بمحرك احتراق داخلي بنسبة 10% يمكن أن يحسن اقتصاد الوقود بنحو 6% إلى 8%، ولهذا توسع المصنعون في استخدام الألومنيوم وسبائك المغنيسيوم والفولاذ عالي المقاومة والمواد المركبة وألياف الكربون في بعض التطبيقات.

وتزداد أهمية خفض الوزن في السيارات الكهربائية، لأن البطاريات تضيف كتلة كبيرة إلى المركبة، في حين ينعكس خفض الوزن وتحسين الديناميكا الهوائية معا على كمية الطاقة المطلوبة للحركة والمدى الممكن قطعه بالشحنة.

لذلك، فالسيارة الاقتصادية ليست بالضرورة السيارة ذات المحرك الأصغر، ولا السيارة الأسرع هي صاحبة المحرك الأقوى فقط، فعند السرعات المرتفعة تبدأ معركة أخرى بين السيارة والهواء، وقد يحدد شكل مرآة جانبية، أو زاوية سقف، أو تصميم عجلة، أو بضعة مليمترات في حافة خلفية مقدار الطاقة التي ستحتاجها السيارة لقطع الكيلومتر التالي.