أي شفّافة أمامية للسيارة تحسّن الديناميكا الهوائية للمركبة؟

كيف يحسّن الجزء الأمامي للسيارة الأداء الديناميكي الهوائي: المبادئ الفيزيائية الأساسية والوظيفة

إدارة انفصال تدفق الهواء وتقليل الضغط تحت الهيكل

تؤدي الشفة الأمامية في السيارة وظيفة أساسية تتمثل في كونها حاجزًا يساعد على إعادة توجيه الهواء القادم نحوها. وعند القيادة بسرعات عالية، يميل الهواء إلى الانفصال عن منطقة المصد الأمامي، ما يؤدي إلى إحداث اضطرابات وتكوين مناطق ذات ضغط منخفض أسفل هيكل السيارة. وهذا بدوره يولّد قوى رفع تُقلّل من استقرار المركبة أثناء التشغيل. فما الذي يحدث عند تمديد ملفّة المصد؟ حسنًا، تؤخّر الشفة الأمامية عملية انفصال الهواء هذه، مما يسمح لتدفق الهواء بالالتصاق أكثر بملامح هيكل المركبة بدلًا من الانفصال عنها بسرعة. ومن الفوائد الأخرى أنها تحدّ من كمية الهواء التي تُشفَط إلى منطقة هيكل السيارة السفلي، ما يقلّل الضغط أسفل الهيكل بنسبة تصل إلى ١٢٪ مقارنةً بالسيارات التي لا تمتلك مثل هذه الشفاه. ويؤدي هذا الفرق في الضغط إلى تقليل آثار الرفع غير المرغوب فيها، ما يحافظ على ثبات الإطارات على سطح الطريق. علاوةً على ذلك، يساعد نمط تدفق الهواء الأكثر سلاسة في خفض مقاومة الهواء الناجمة عن تشكّل دوامات عشوائية عندما يتحرك الهواء بشكل غير منتظم عبر الجزء السفلي من المركبات.

توليد القوة السفلية وتقليل الرفع عند المحور الأمامي

تُنشئ شفاه المصد الأمامي قوة سفلية فعلية من خلال التحكم في فروق ضغط الهواء. وعندما يزداد سرعة تدفق الهواء عبر الجزء العلوي المنحني من الشفة، فإنه يُحدث ضغطًا منخفضًا هناك وفقًا لمبدأ برنولي الذي اكتشفه منذ زمنٍ بعيد. وفي الوقت نفسه، يتحرك الهواء الموجود أسفل الشفة بسرعة أبطأ ويظل عند ضغط أعلى. ويؤدي هذا الفرق في الضغط إلى دفع العجلات الأمامية نحو الأسفل باتجاه الطريق. وتُظهر الاختبارات التي أُجريت في أنفاق الرياح أن التصاميم الجيدة يمكنها زيادة قوة التماسك للعجلات الأمامية بنسبة تتراوح بين ١٥ و٣٠ في المئة تقريبًا عند السير بسرعة تبلغ حوالي ٦٠ ميلًا في الساعة. وهذا يساعد في مكافحة الميل إلى فقدان الإطارات الأمامية لتماسكها مع سطح الطريق أثناء المنعطفات الضيقة عند السرعات العالية. وأفضل جزء في ذلك؟ هو أن هذه الكتلة الإضافية الناتجة عن تدفق الهواء لا تأتي من أجزاء ثقيلة، ما يمنح السائقين تغذية راجعة أفضل في التوجيه دون التضحية بكفاءة عمل نظام التعليق أو بالراحة على الطرق العادية.

متغيرات تصميم الشفة الأمامية الآلية التي تؤثر في الأداء

اختيار المادة: ألياف الكربون مقابل البلاستيك المصنوع من أكريلونيتريل بوتادين ستايرين (ABS) من حيث الصلابة والثبات

إن المواد التي نختارها تُحدث فرقًا كبيرًا في مدى كفاءة الأداء الهوائي للقطعة ومدى متانتها مع مرور الزمن. وتتفوق مركبات ألياف الكربون من حيث الصلادة بالنسبة إلى وزنها بشكلٍ ملحوظ، إذ تكون عادةً أفضل بمرتين إلى أربع مرات مقارنةً بالبلاستيك العادي المصنوع من أكريلونيتريل بوتادين ستايرين (ABS). كما أن هذه المركبات لا تتمدد كثيرًا عند ارتفاع درجة الحرارة، وبالتالي تحتفظ بشكلها حتى في ظل ارتفاع درجات الحرارة على المضمار أثناء السباقات الصيفية الطويلة، حيث قد تصل درجة حرارة سطح الطريق إلى أكثر من ٦٠ درجة مئوية. ومن الناحية الأخرى، فإن بلاستيك ABS أرخص ثمنًا ومقاومٌ جيدٌ للصدمات، لكنه يبدأ في الانحناء بمجرد تجاوز السرعة حدًّا يبلغ نحو ١٢٠ كيلومترًا في الساعة. ويؤدي هذا الانحناء إلى اضطراب أنماط تدفق الهواء المحيطة بالسيارة، ما يجعل من الصعب التنبؤ بدقة بمقدار قوة التحميل السفلي (Downforce) الناتجة. ويتفاقم هذا المشكل لأن بلاستيك ABS يتمدد بشكلٍ ملحوظ عند ارتفاع درجة الحرارة، وقد يصل مقدار التمدد أحيانًا إلى ١,٥٪. وهذا التمدد يؤدي إلى تغير مواضع أجزاء مثل الشفاه الأمامية (Lips) أو الجناح الخلفي (Spoilers) بالنسبة إلى المصدات، ما يُفقد الغرض الأساسي من إدارة تدفق الهواء بكفاءة.

التجاوُزات الهندسية: تأثير ارتفاع الحافة وعرضها وزاويتها على قوة السحب لأسفل والمقاومة الهوائية

يتطلب تحسين هندسة الحافة تحقيق توازن بين الأهداف الهوائية المتنافسة:

• الارتفاع : الحواف التي يقل ارتفاعها عن ٥٠ مم لا توفر فائدة ملحوظة من حيث قوة السحب لأسفل وقد تؤدي إلى زيادة الرفع؛ أما الحواف التي يزيد ارتفاعها عن ٧٥ مم فهي تولِّد قوة سحب لأسفل قوية لكنها ترفع المقاومة الهوائية بشكل كبير. وتُعَدّ المجموعة الواقعة بين ٥٠ و٧٥ مم أفضل حل وسطٍ للتطبيقات الأداء المسموح بها قانونيًّا على الطرق.
• العرض : تحسِّن الحواف الكاملة العرض التحكم في تدفق الهواء العرضي، لكنها تضيف مقاومة هوائية تتراوح بين ٢٪ و٤٪ مقارنةً بالتصاميم المدببة أو تلك المقطوعة حسب عجلات السيارة.
• الزاوية : الزوايا الأمامية الواقعة بين ٦٠° و١٠٠° هي الأكثر فعالية في توجيه تدفق الهواء حول الإطارات وكبح الاضطرابات تحت الهيكل— مما يحقِّق أقصى قوة سحب لأسفل لكل وحدة مقاومة هوائية.

حتى التعديلات الطفيفة في الموقع — مثل إعادة تحديد الوضع الرأسي بمقدار ٥ مم — يمكن أن تُغيِّر قوة السحب لأسفل على المحور الأمامي بنسبة تصل إلى ٨٪، ما يبرز أهمية التركيب الدقيق والمحاذاة الدقيقة مع ارتفاع الركوب الأصلي للمصنع وملامح المصد.

مقارنة الأداء الهوائي الفعلي بين الحافة الأمامية الآلية وحاجز الهواء

بيانات نفق الرياح الخاصة بسيارة BMW M2 Competition: زيادة بنسبة 12% في قوة التحميل الأمامي

أظهرت الاختبارات التي أُجريت في نفق الرياح أنه عند تركيب شفة أمامية مدمجة بشكلٍ مناسب، حقّقت سيارة BMW M2 Competition قوة تحميل أمامية أعلى بنسبة 12% عند السرعات المحيطة بـ 160 كم/ساعة مقارنةً بما كانت عليه عند تركيب حاجز الهواء القياسي فقط. فما السبب وراء ذلك؟ إن التصميم الممتد للشفة يوفّر إغلاقاً أفضل في المقدمة، كما يدفع الهواء المتحرك بسرعة بعيداً عن الجزء السفلي لهيكل السيارة. وهذا يساعد في الحد من قوى الرفع غير المرغوب فيها ويحافظ على استقرار الشعور بالقيادة حتى أثناء الدوران بسرعات عالية تولّد قوى جاذبية (g-forces) كبيرة. ومن النتائج العملية لذلك أن السائقين يشعرون بسلوك أكثر انتظاماً وإمكانية تنبؤٍ من الإطارات، لأن مناطق التلامس تحافظ على توزيع ضغطٍ ثابت عبر مختلف ظروف القيادة.

بيانات القياس عن بُعد لسيارة Porsche 911 GT3 RS على الحلبة: استقرار عالٍ عند السرعات فوق 180 كم/ساعة

أظهر الاختبار على المضمار مع سيارة بورش 911 GT3 RS أمرًا مثيرًا للاهتمام بشأن تلك الشفاه الأمامية الأوتوماتيكية. فعند المرور بالمنعطفات الواسعة الكبيرة بسرعات تجاوزت ١٨٠ كم/ساعة، سجّلت السيارات المزودة بهذه الشفاه انخفاضًا في الحركة الجانبية (من جانب إلى آخر) بنسبة تقارب ٢٣٪ مقارنةً بالسداد الهوائي العادي. ويعود سبب أداء هذه الشفاه بشكل أفضل إلى قدرتها على إبقاء تدفق الهواء ملتصقًا بالسيارة حتى عند السرعات الفائقة التي يبدأ عندها السداد الهوائي العادي في فقدان فعاليته. وهذا يعني تقليلًا في ظاهرة «الطَّفو» عند المقدمة، وعدم حدوث اهتزازات مزعجة ناتجة عن الرياح. ولقد لاحظ السائقون الحقيقيون الذين خضعوا لهذا الاختبار أنهم لم يضطروا إلى تعديل مقود السيارة بشكل متكرر أثناء الكبح العنيف من سرعة ٢٠٠ كم/ساعة. ووفقًا لتقاريرهم، فإن مقدار التعديل المطلوب انخفض بنسبة تقارب ١٥٪، ما يشير إلى شعورٍ أكثر اتساقًا وتنبؤًا عند المقدمة، وتوازنٍ عامٍّ أفضل عند دفع السيارة نحو حدود التصاق الإطارات.