السبب المرتبط بالسرعة التكعيبية الذي يفسر لماذا تبدو هذه السيارة الفاستباك ذات الأبواب الأربعة على هذا النحو

ذلك الخط السقفي نتيجة حسابات السحب الهوائي. فالذيل الطويل والزجاج المائل والمؤخرة المتدرجة تساعد السيارة الفاستباك ذات الأبواب الأربعة على شق الهواء بكلفة أقل، وتزداد قيمة هذه التفاصيل كلما ارتفعت السرعة.

تبدو السيارة على هذه الهيئة لأن مقاومة الهواء تصير مكلفة بسرعة كبيرة. توضح معادلة السحب لدى مركز غلين للأبحاث التابع لوكالة ناسا أن قوة السحب تتناسب مع مربع السرعة عند ثبات كثافة الهواء ومساحة المقطع ومعامل السحب. أما القدرة الهوائية اللازمة لمقاومة تلك القوة فتزداد تقريبًا مع مكعب السرعة، لأنها تساوي القوة مضروبة في السرعة.

بعد تجاوز وتيرة السير العادية داخل المدينة، يبدأ الشكل في فرض كلفته على المهندس. ومن هنا تأتي الذيول الممتدة، والفواصل الضيقة بين الألواح، والزجاج شديد الميل، والمؤخرة المصممة كي تغادرها حركة الهواء بأقل قدر ممكن من الاضطراب.

عندما تحوّل السرعة التصميم إلى مسألة فيزيائية

عند السرعات المنخفضة، تستطيع السيارة العمل بهيكل قائم وغليظ نسبيًا، فيما تظل الإطارات والمحامل والوزن عوامل شديدة الأهمية. ومع بلوغ سرعة الطريق السريع، يزداد نصيب مقاومة الهواء من العبء الذي يتعين على منظومة الدفع التغلب عليه.

تظهر حساسية السرعة في مقارنة بسيطة. إذا انتقلت من 48 إلى 97 كيلومترًا في الساعة، فلن تصبح مقاومة الهواء ضعف ما كانت عليه؛ إنها تقترب من أربعة أضعاف ما دامت العوامل الأخرى ثابتة. وقد تبدو السيارة سهلة ومسترخية عند 80 كيلومترًا في الساعة، ثم تبدأ بطلب قدرة أكبر بكثير عند 145 كيلومترًا في الساعة.

هنا تزداد أهمية الهيئة الخارجية. تستطيع القدرة الحصانية دفع السيارة عبر الهواء، لكن الكلفة تظهر في استهلاك الوقود أو طاقة البطارية، كما تؤثر التفاصيل الهوائية في ضجيج الرياح والثبات عند السرعات العالية. وتوضح وزارة الطاقة الأميركية أن خفض مقاومة مركبة تسير بسرعة عالية يخفف الحمل الواقع على المحرك ويحسن اقتصاد الوقود.

انحدار السقف يحافظ على انتظام الجريان

يميل الهواء إلى متابعة السطح أثناء مروره فوق السيارة. فإذا فرض عليه السطح تغيرًا حادًا في الاتجاه، وخصوصًا قرب المؤخرة، قد ينفصل الجريان عن الهيكل. تتكون عندئذ خلف المركبة منطقة مضطربة منخفضة الضغط، ويولد فرق الضغط جزءًا مهمًا من السحب.

يعالج خط سقف الفاستباك هذه المشكلة بحل وسط يتيح للهواء متابعة السطح مدة أطول. ينحدر الزجاج الخلفي تدريجيًا عوضًا عن الهبوط كجدار مقطوع، ويمتد الذيل كي تصبح نهاية السيارة أقل فجائية. يؤدي تقليص المنطقة المضطربة خلفها إلى خفض السحب الضغطي.

عند سرعة الطريق السريع، لا يغير الشعار طريقة حركة الهواء. ما يحددها هو المساحة الأمامية، وانتقالات السطح، واضطراب العجلات، وشكل انفصال الجريان عن المؤخرة. ولهذا يعمل المصمم ومهندس الديناميكا الهوائية على أجزاء قد تبدو للعين منفصلة، مع أنها تتعامل جميعًا مع التيار نفسه.

لماذا تستمر سيارات الفاستباك ذات الأبواب الأربعة؟

الهيئة الانسيابية المثالية لا توفر وحدها سيارة عائلية عملية. يحتاج الركاب إلى حيز رأسي ومقاعد خلفية، وتحتاج السيارة إلى وصول سهل للأمتعة وبنية مقاومة للصدمات وممرات هواء لتبريد المكابح والمشعات. كما تتطلب مهمتها إطارات كبيرة بما يكفي لتحمل العمل المطلوب منها. التصميم النهائي موازنة بين الجريان الهوائي وأجساد البشر والتجهيزات الميكانيكية.

تمنحك هيئة الفاستباك ذات الأبواب الأربعة أحد أنظف هذه الحلول الوسط. يبدأ السقف مرتفعًا بما يكفي للركاب، ثم يتناقص بانحدار يحد من الانفصال المبكر للجريان. وتظل الأبواب والمرايا وفتحات العجلات والواجهة الأمامية غير الحادة مصادر للاضطراب، لكن الفاستباك يبدأ غالبًا بأفضلية هوائية مقارنة بسيدان أكثر صندوقية أو مركبة كروس أوفر.

ولهذا اتجهت سيارات كهربائية كثيرة إلى واجهات أمامية ملساء، ومقابض مستوية، وهياكل سفلية مغطاة، ومؤخرات متدرجة. السحب الذي يكلف سيارة البنزين وقودًا يسحب من السيارة الكهربائية جزءًا من طاقة بطاريتها ومدى سيرها، ولذلك تحمل كل فتحة أو حافة أو سطح مكشوف كلفة تتضح أكثر على الطريق السريع.

المقصود بارتفاع القدرة مع مكعب السرعة

قوة السحب تتناسب مع مربع السرعة، بينما تتناسب القدرة اللازمة للتغلب على السحب الهوائي تقريبًا مع مكعبها. ويقرر تقرير تقني محفوظ لدى ناسا عن الخصائص الهوائية للمركبات الكهربائية والهجينة والصغيرة أن القدرة المطلوبة لمقاومة السحب الهوائي تتناسب مع مكعب السرعة.

لنفترض أن السيارة تحتاج إلى مقدار معين من القدرة لشق الهواء عند 80 كيلومترًا في الساعة. إذا ارتفعت السرعة إلى 161 كيلومترًا في الساعة، أي إلى الضعف تقريبًا، يصبح السحب قريبًا من أربعة أمثاله، وتبلغ القدرة المخصصة للتغلب على ذلك السحب نحو ثمانية أمثالها عند ثبات بقية العوامل. الحديث هنا عن جزء القدرة الذي يواجه السحب الهوائي، لا عن القدرة الإجمالية التي تشمل مقاومة التدحرج والخسائر الميكانيكية والأحمال الأخرى.

لهذا ينشغل المصممون وخبراء الديناميكا الهوائية بمكاسب صغيرة في المرآة أو الحافة الخلفية أو الأرضية أسفل السيارة. كل تعديل منها يخفض مقدارًا محدودًا من السحب، لكن اجتماعها يقلل ما تطلبه السيارة من المحرك أو البطارية في كل ثانية تقضيها على سرعة مرتفعة.

حين ترسم الحسابات هيئة السيارة

هذا هو الجزء الذي يعجبني أكثر: كثيرًا ما تبدو السيارة الانسيابية جذابة لأن خياراتها الخارجية تحل مشكلة حقيقية. عندما تستبعد الفيزياء الأشكال التي تفصل الجريان مبكرًا أو تعرض مساحة أمامية أكبر، يبقى نطاق أضيق من الخطوط القادرة على الجمع بين المقصورة العملية والسحب المنخفض.

لهذا تتشارك سيارات فاستباك أنيقة كثيرة عناصر أساسية: مقدمة منخفضة، وزجاجًا أماميًا مائلًا إلى الخلف، وسقفًا ممتدًا فوق المقصورة، ومؤخرة تنتهي بحواف مدروسة. التشابه هنا نتيجة لتعامل المصممين مع القيود الهوائية نفسها، إلى جانب متطلبات الركاب والأبواب والأمتعة والسلامة والتبريد.

الخط الجميل الذي تراه هو الحافة المرئية لقرار يتعلق بتدفق هواء غير مرئي. فكل انتقال أكثر انتظامًا، وكل مؤخرة تحدد انفصال الجريان بعناية، يخفضان الطاقة التي يلزم أن تنفقها السيارة لمقاومة الهواء عند السرعة نفسها.