עסקי אוויר וזרימה

מבין ההצעות לשיפור התחבורה הקרקעית קיימת סדרה של רעיונות המנסים לשפר את יעילות התחבורה על ידי התמודדות עם האוויר. קשת הרעיונות נעה בין רעיונות מהפכניים ליצור תשתית של צינורות ריק לתנועת כלי רכב וכלה ברעיונות ישימים יותר לשיפור האווירודינמיקה של כלי הרכב.

בחלל ניתן לצפות ב – “חוק הראשון של ניוטון” – הידוע כ – “חוק ההתמדה”, לפיו עצם שהופעל עליו כוח חיצוני יתמיד בתנועה במהירות קבועה לאורך מסלול ישר, אלא אם כן יופעל עליו כוח חיצוני נוסף, אשר עשוי להאיץ את תנועתו, להסיט אותו ממסלולו, או לבלום את התנועה. גרמי השמיים נעים במסילותיהם במהירויות אסטרונומיות באמצעות האנרגיה העצורה בהם, וכדוגמא, הכוכב עליו אנו חיים מנהל “מסע בין כוכבים” במהירות אסטרונומית של כ – 108,000 קמ”ש ומקיף את השמש במסלול אליפטי מידי שנה. אילו חיינו היו מתקיימים בחלל, התנועה הייתה מתנהלת באופן שונה לגמרי מזו אליה אנו מורגלים – הדיפה או שחרור סילון מגוף בחלל מסוגלת להניע אותו בהתמדה, ועצירתו הייתה מחזירה אנרגיה או מעבירה אותה, או את חלקה לגופים אחרים. חוקי הפיזיקה הפועלים בחלל פועלים גם על פני כדור הארץ, אך הסביבה שונה ולכן גם התנועה שונה – עוצמת כוח הכבידה של כדור הארץ על העצמים הסמוכים אליו חזקה יותר מאשר בחלל, אנו נוהגים לנוע תוך כדי חיכוך הקרקע, אפופים באוויר, המגלה התנגדות לתנועת גופים המבקשים לפלס דרך ולדחוק אותו. בשונה מתנועה של גוף בחלל ריק, תנועה של גוף בתוך אוויר יוצרת זרמים ומערבולות סביב הגוף הנע, ואלו עשויים להרים אותו או להנחית אותו, כפי שמדגימים כלי טייס.

“ETT-Evacuated Tube Transport” היא תפיסה חדשנית ונועזת של תחבורה עתידית שחלקה מגובה בפטנטים רשומים. תפיסה זו מבוססת על ההנחה כי אם כלי רכב ינועו בתוך ריק, מבודדים מאוויר וחיכוך, הם ידרשו כ – 2% בלבד מהאנרגיה הנדרשת לבצע תנועת כלי רכב על הקרקע ובאוויר הפתוח. מפתחי התפיסה מציעים לבנות תשתית ייעודית של מסדרונות או רשתות של צינורות ריק, שכלי רכב ינועו בתוכם ללא התנגדות אוויר. כלי הרכב יהיו תאים אטומים וישררו בהם תנאי לחץ אוויר אטמוספריים בדומה לנסיעה במטוס. התנועה בתוך הצינורות תיערך ללא חיכוך בקרקע באמצעות מנועי הרמה מגנטית ליניאריים. הכניסה לתוך המערכת והיציאה ממנה תערכנה דרך שסתומים כדי שהריק בתוך המערכת יישמר. לטענת המפתחים, בסביבת ריק ניתן לפתח מהירויות נסיעה גבוהות העולות על מהירויות טיסה במטוסי נוסעים, עד לכ – 6,500 קמ”ש בנסיעות בינלאומיות. מערכת התחבורה בתוך ריק תהלום נסיעות למרחקים ארוכים ותוכל להתחרות במטוסים ביעילות ובחסכון באנרגיה.

כאשר רכב נע על פני הקרקע על כביש מהיר באוויר הפתוח, כ – 60% מהאנרגיה המושקעת בתנועת הרכב נדרשת לפילוס דרכו של הרכב בסביבת האוויר החוסם את דרכו, בהתחשב בתנאים והכוחות האווירודינמיים הפועלים על רכב הנמצא בתנועה בסביבת אוויר. את חלקו של האוויר כשחקן ראשי בתחום התחבורה הקרקעית מבינים כל יצרני הרכב. המענה המסורתי לדחיקת האוויר אינו רדיקלי כמו זה שמציעה התפיסה השואפת לבניית תשתית ריקה מאוויר, אלא שיפור המבנה האווירודינמי של דגמי כלי רכב הנעים באוויר הפתוח. אין דגם של רכב מודרני שעיצובו אינו נבחן במנהרות רוח ותחת מודלים ממוחשבים הבודקים את האווירודינמיקה של הדגם, את השפעות תנועת הרכב על האוויר בסביבתו ואת השפעות האוויר על הרכב. הציון האווירודינמי העיקרי שמקבל כל דגם של כלי תחבורה מכונה “מקדם הגרר”. ההנחה היא שלוח שטוח הנע בניצב לאוויר יצטרך להדוף התנגדות אוויר חזקה, שערך מקדם הגרר שלה במצב יציב הוא – 1. ככל שמבנה הגוף הנע מסוגל לזרום ביעילות רבה יותר בסביבת אוויר, (ולעתים בסביבת נוזלים), הוא יזכה למקדם גרר אווירודינמי נמוך יותר, המעיד על יעילות רבה יותר. כוח התנגדות האוויר על כלי הרכב מבוטא בנוסחה שהיא מכפלה של מקדם הגרר במסת הרכב, בחתך חזית הרכב הפונה לכיוון התנועה, המוכפלים במהירות הנסיעה בריבוע. מנוסחה זו עולה כי כדי להשיג יעילות אווירודינמית בכלי רכב נע צריך לשאוף:

(א)  למבנה אווירודינמי בעל מקדם גרר נמוך.

(ב)  למסה נמוכה.

(ג) לחתך חזית קטן ככל האפשר לכיוון התנועה.

(ד)  למהירות נמוכה.

טיל, פגז או חץ מדגימים מבנים אווירודינמיים היכולים לחדור דרך האוויר מבלי לעורר התנגדות רבה מידי או מערבולות מעכבות. מקדם גרר של מכונית מודרנית ממוצעת הוא 0.30 – 0.45, אך לכלי רכב דמויי קופסא בדרך כלל מבנה בעל גרר אווירודינמי גבוה. רוכבי אופניים מקיימים תנאים אווירודינמיים פחות יעילים. הגרר הוא נתון משתנה התלוי במהירות העצם הנע והוא יכול להופיע במבנה רב שכבתי השונה בנקודות שונות על העצם. גרר תלוי גם ב-“זווית התקיפה” של מבנה העצם הנע ביחס לאוויר ולכיוון התנועה. מכוניות מרוץ נבנות בדרך כלל עם חתך פנים נמוך בחזית הנסיעה כדי להקטין את מקדם הגרר ולאפשר הגדלת מהירות כלי הרכב. בחלק ממכוניות המרוץ משולבים כנפיים שמטרתם להפעיל כוח עילוי שלילי על כלי הרכב ולהצמיד אותו לכביש במהירויות גבוהות ובפניות, כדי להשיג יציבות ואחיזת כביש גבוהה. עיצוב היוצר כוח עילוי שלילי מיושם גם בכלי רכב רגילים, שעיצובם מאזן בין יעילות אווירודינמית וגרר נמוך, לבין שיקולים אחרים, ובהם שיקולי יציבות ובטיחות המגדילים את מקדם הגרר. בשנת 1973 ארצות הברית אמצה מדיניות שהגבילה את המהירות המרבית ל – 90 קמ”ש, (55 מייל לשעה), לא מטעמי בטיחות בדרכים, אלא בעיקר כדי לחסוך בצריכת דלק, עקב השפעתו העזה של מקדם הגרר במהירויות גבוהות.

בתחום התעופה קיימת מודעות גבוהה לכוחות האווירודינמיים הפועלים על מטוסים, ובמיוחד לכוח העילוי הפועל על כנפי המטוס ומעלה אותו לאוויר. גוף המטוס הוא בדרך כלל בעל חתך קטן בכיוון התנועה, ואילו כנפיו רחבות וניתנות להטיה, כדי ליצור כוח עילוי חיובי לצורך המראות וכוח עילוי שלילי למטרת נחיתות. אין פלא שדגמי כלי רכב מעניינים, מקוריים ויעילים מבחינה אווירודינמית פותחו על ידי מהנדס מטוסים שהתבקש לתכנן כלי תחבורה קרקעית. חברת “מסרשמידט” הגרמנית התפרסמה במטוסי הקרב וההפצצה שפיתחה במלחמת העולם השנייה עבור ה-“לופטוואפה” – זרוע האוויר בצבא הנאצי. לאחר תבוסת גרמניה במלחמת העולם השנייה נאסר עליה בהסכם הכניעה להמשיך ולפתח אמצעי לחימה ומפעל מטוסי הקרב “מסרשמידט” נאלץ לסגור את קווי הייצור למטוסים ולהסב אותם. מהנדס המטוסים הגרמני פריץ פנד, התבקש על ידי המפעל לפתח מכונית שתיוצר במפעל. המהנדס שילב תפיסות מעולם התעופה לעולם התחבורה הקרקעית ופיתח מספר דגמים של כלי רכב מקורי שזכה לכינוי “הבועה של מסרשמידט”. כלי הרכב היה מן הכלאה של מטוס, אופנוע ומכונית. “הבועה של מסרשמידט” הייתה מכונית דו-מושבית, כשהנהג ישב לפנים והנוסע אחוריו במבנה טור. מעל הנהג והנוסע נסגרה דלת דמוית בועה כחופה של מטוס, שהקנתה לנוסעים שדה ראייה רחב. לרוב המכונית היו 3 גלגלים – שניים מלפנים ואחד מאחור, אך היה גם דגם עם 4 גלגלים. המנוע של “הבועה” היה מנוע אופנוע קטן בן שתי פעימות בנפח 200 סמ”ק ובעל בוכנה אחת. היעילות האווירודינמית של כלי הרכב שיוצרו על ידי “מסרשמידט” הייתה גבוהה בעיקר בזכות הישיבה בטור, שהקטינה באופן משמעותי את חתך הפנים של הרכב לכיוון התנועה, והחופה שעל הנוסעים. דגמי “מסרשמידט” היו קלים מאוד, הם שקלו כ – 300 ק”ג בלבד והשיגו יעילות גבוהה מאוד של צריכת דלק – ליטר דלק לכ – 27 קילומטרים. דגמי “הבועה של מסרשמידט” יוצרו בין השנים 1946 – 1964, ומאז ייצורם נפסק. למרות שלכלי הרכב המוזרים היו חסידים נלהבים הם לא היו מעולם הצלחה מסחרית מסחררת. הדחק הכלכלי שעקב אחר מלחמת העולם השנייה חלף וצרכני הרכב המירו את כובד המשקל שנתנו לשיקולי חסכון בדלק ובמחיר לשיקולים שימושיים. כלי הרכב המבוקשים יותר היו כאלו שסיפקו מספר מושבים שענה למכנה המשותף הרחב של צורכי תחבורה משפחתיים, ולא כלי רכב קטנים שהיו מסוגלים להניע נהג ונוסע בודד נלווה.

עיצוב ישיבה טורית מופיע עד היום במטוסים ומסוקי קרב ובכלי רכב דו-גלגליים, אך נעלם משוק הרכב המסורתי. מי שמאותת על סיכויים לתחייתו המחודשת של רכב דו-מושבי טורי, (“טנדם”), היא חברת “וולבו”. מעצבי חברת הרכב השבדית “וולבו” מפתחים רכב קונספט חדש המיועד לנהג ונוסע היושבים בטור. מראהו של הרכב שונה, יצירתי, ומושך מבטים – הוא דומה לאופנוע שהתחפש למכונית. הנוסעים ברכב מכוסים בחופה בדומה לתא טייס במטוסים קלים או מטוסי קרב, המספקת שדה ראייה פנורמי. רוחבה של חזית הרכב המתוכנן היא 1.45 מטר בלבד, והמעצבים טוענים שגם מידה זו ניתנת לכיווץ נוסף. אם מידה זו תהפוך לתקן הרי ניתן יהיה לקצץ בחצי את רוחבו של נתיב תחבורה תקני. יתרון נוסף לממד הצר הוא כושר תמרון גבוה. גם משקלו של הרכב המתוכנן קל והוא שוקל כ – 600 ק”ג בלבד. מרכז הכובד של הרכב נמוך כדי לשפר את יציבותו ולמנוע גלגול.

רכב חריג בגודלו ובצורתו מהגודל והמבנה הממוצע מעורר כמובן פחדים בלב הצרכנים הפוטנציאליים. אחד הפחדים הוא חשש מבטיחות הנסיעה בתוך כלי רכב נמוך וצר מכלי הרכב בסביבתו.  מהנדסי הרכב של חברת “וולבו” טוענים כי רכב הקונספט החדש לא יפגע במוניטין שהיצרן צבר בתחום הבטיחות. כהגנה מהתנגשויות מלפנים או מאחור, הרכב כולל אזורים סופגי אנרגיה מוט הגה בעל נקודת שבירה, ומושבי הנוסעים מרוחקים מחזית הרכב ומאחוריו. אשר לפגיעה צדית בממד הרחב של כלי הרכב, נטען כי דווקא משום שהנוסעים אינם יושבים כתף אל כתף, אלא בטור, נוצר מרווח גדול יותר בין הנוסעים לבין מעטפת הרכב גם באגפים. בנוסף הרוכבים יהיו חגורים בחגורות בטיחות צולבות בעלות ארבע נקודות עגינה ומוגנים על ידי כריות אוויר.

מעצבי “וולבו” תולים תקוותיהם בכך שמרבית התנועה בארצות המערב נערכת ברכב הנהוג על ידי נהג בודד, ולעיתים עם מלווה יחיד. אלא שרכישת כלי רכב היא בדרך כלל רכישה משפחתית, שנעשית כדי לענות למכנה משפחתי משותף, גם כאשר השימוש בו נדיר. כדי שכלי רכב טוריים דמוי “הבועה של מסרשמידט” יהיו אופנתיים נדרשים שינויים תרבותיים וחברתיים. יתכן ששינוי הרגלי צריכה ומעבר משפחות להעדפת מספר כלי רכב קטנים וזולים במקום כלי רכב משפחתי אחד, המשמש מכנה משותף, יסייע למימוש השינוי. האם צרכני הרכב ימשיכו לנוע לעתיד בשמרנות מכוח ההתמדה, או יגלו פתיחות לכלי רכב טוריים בעלי עיצוב חדשני ויעיל? האם כלי רכב צרים יצברו מסה קריטית כדי שיזכו לנתיבים צרים מיוחדים, אולי מעורבים עם כלי רכב דו-גלגליים? עד היום יצרני כלי הרכב והשווקים דחקו הצידה את ערכם של שיקולי היעילות האווירודינמית לטובת שיקולים אחרים, ובהם בטיחות, יציבות ושיקולי אופנה ועיצוב. האם העיצוב מעורר ההשראה של כלי הרכב הרזים, הקלים והיעילים יחליף את אפנת רכבי השטח המגושמים והבזבזניים?

מקורות וחומר לעיון:

 http://www.motortrend.com/future/concept_cars/112_0408_volvo_tandem/index.html

 http://blog.cardomain.com/blog/2008/05/ultra-sweet-vol.html

http://dvice.com/archives/2008/05/volvos_sleek_tw.php

 http://aerodyn.org/Frames/1roadv.html

 http://en.wikipedia.org/wiki/Tandem_bicycle

http://www.et3.com/intro.htm

Leave a Reply