لينك التسجيل الصوتي للمقالة علي Sound Cloud:
https://soundcloud.com/user-112011687-312727988/ehjtiamfp4r3?si=ccc5797796014938bc284c2d66c18175
مفيش معجزة هندسية في مجال محركات الإحتراق الداخلي زي عربيات الفورميلا وان Formula-1 .. دي عربية متصممة مخصوص عشان لما السواق يدوس بنزين العربية تسحب معاه لسرعات المفروض إن الطيارات المقاتلة بتطلع بيها من علي حاملات الطائرات .. عربية متصممة عشان تجري بسرعة لدرجة إن المهندسين بيبقي مهم بالنسبة ليهم إن العربية وهي بتجري متطيرش .. بس ورا كل الكلام عن Aerodynamics والكاربون فايبر وكل الهري ده لما تيجي تبص لعربية Formula-1 كمهندس بتلاقيها فعلياً عربية عادية جداً متفرقش كتير عن عربيتك بس بفرق بسيط .. عربيتك إتصممت إنك تركبها تروح بيها شغلك وترجع بس عربية Formula-1 إتصممت إنها تجري في حلبة سباق بسرعات بتوصل 300 كيلومتر في الساعة .. غير كده كلها شكليات .. عشان تفهم هي العربيات دي بتشتغل إزاي؟ وبتتصمم إزاي؟ تعالي ناخدك من إيدك ونعرفك علي الحاجة اللي من غيرها العربية متبقاش عربية .. الموتور.
لو إنت متخيل إن عشان عربية فورميلا وان تجري بالسرعات دي وتعمل الصوت العالي ده فأكيد مركبين فيها موتور ضخم فإنت غلطان .. الموتور اللي بيتركب في العربيات دي هو موتور صغير نسبياً .. هو يدوبك 2400 سي سي حتلاقيه في عربيات ملاكي كتير .. هي الفكرة مش إنك تجيب موتور ضخم .. الفكره إنك تستغل كل حصان ممكن الموتور يديهولك .. أي محرك إحتراق داخلي Internal Combustion Engine في أي عربية سواء عربيتك أو عربية فورميلا وان بيعتمد علي نفس الفكرة وهي إن عندك Piston أو مكبس بيتحرك طالع نازل في Cylinder أو إسطوانة .. كل اللي إنت كمهندس محتاج تعمله إنك تدخل شوية هواء وشوية بنزين في الإسطوانة دي وتفرقعهم ومن هنا جت تسمية محرك إحتراق داخلي.
الفرقعة اللي بتحصل بتخلي Piston يتحرك بسرعة أوي من فوق لتحت .. لما ده بيحصل فحركة Piston بتخلي عمود الكرانك أو Crank Shaft وده حديدة مدورة ورفيعة بتلف ولما بيلف بيخلي Piston اللي جنب الPiston الأولاني يطلع لفوق عشان شوية هواء وبنزين يخشوا ويفرقعوا ويجبروا Piston الثاني إنه ينزل وهكذا .. الفكرة إنك تخلي عمود الكرانك يفضل يلف لإن ده اللي بيخلي العربية تتحرك .. لو حبيت تقارن بين مثلاً عربية فيات 128 وبين عربية أسكودا أوكتافيا من حيث الموتور بس مش أي حاجة تانية فإنت حتلاقي إن موتور السكودا أوكتافيا بيدي باور Power أعلي من الباور بتاعة موتور الفيات 128 .. السؤال دلوقتي هو الموتور ده جاب الباور الزيادة منين؟ .. عندك حل من إتنين .. الحل الأول إنك تزود عدد الإسطوانات Cylinders عشان كده إنت بتسمع مثلاً إن عربيات فيراري أو لامبورجيني فيها مواتير 6 سلندر ويمكن 8 سلندر وحتي 12 سلندر .. لو لقيت إن موتور الأوكتافيا زيه زي موتور الفيات فيهم هم الإتنين 4 سلندر يبقي إنت كده رحت للحل الثاني اللي هو إنك تزود عدد لفات الموتور أو RPM وده العداد اللي إنت لو بتسوق بتشوفه جنب العداد اللي بيوريك سرعة العربية وهي بتمشي وهو ده الفرق بين عربيتك وعربية فورميلا وان.
لو إنت معاك مثلاً عربية رينو لوجان 4 سلندر فعربية فورميلا وان هي كمان فيها 4 سلندر بس الفرق إن موتور العربية الفورميلا وان بيلف بعدد لفات أعلي بكتير من موتور الرينو اللوجان .. أساساً لو عربية ملاكي عادية حطيت فيها موتور فورميلا وان ومشيت بيها فأول حاجة حتحس بيها هو صوت الفتيس وعمود الكرانك وهم بيتكسروا لإنهم مش متصممين إنهم يتعايشوا مع RPM الفشيخ اللي موتور فورميلا وان بيقدر يطلعه .. طبعاً إنت بتسأل نفسك طب هو أنا إزاي أقدر أخلي موتور عربية فورميلا وان له نفس عدد السلندرات ويمكن نفس السي سي بتاع موتور عربية ملاكي يديني أضعاف RPM؟ إيه الجديد اللي أنا حضيفه؟ .. السر سيادتك في الخلوص أو Windage.
دلوقتي أنا كمهندس عايز البيستون يفضل طالع نازل جوه السليندر بس أنا مش عايز البيستون يتحشر جوه السليندر خصوصاً لو إنت ركنت عربيتك فترة وكنا مثلاً في الشتاء .. أنا عايز يبقي فيه خلوص أو سماحية أو Clearance أو Windage Gap علي حسب إنت عايز تسميها إيه بحيث إن البيستون ميخشش شحط جوه السلندر .. بس ده معناه إن جزء من طاقة الإنفجار اللي بتحصل جوه السلندر بتتسرب في الفراغ اللي داير ما يدور بين السلندر والبيستون .. في عربيات فورميلا وان البيستون بيخش شحط في السلندر وده معناه إن لو العربية باردة يعني الموتور بقالة فترة مبطل وجيت تشغل الموتور حتبوظ السلندر وحتضطر تعمل للموتور عمرة كاملة .. اللي بيحصل قبل أي سباق فورميلا وان إنك بتجيب مياه سخنة أو زيت سخن وتفضل تلففهم في مسارات جوه الموتور عشان براحة يسخنوا الموتور من جوه لحد ما يوصل لدرجة الحرارة اللي بيوصلها وإنت مشغل الموتور وساعتها السواق بيدور العربية عشان يبدأ السباق .. العملية دي بتاخد تقريباً ليلة كاملة قبل السباق .. إنت لو جالك نصيب ودخلت ورشة مواتير عربيات فورميلا وان حتحس إنك داخل أوضة عناية مركزة من كتر الوصلات اللي راكبه في الموتور ودي كلها وصلات مية سخنة أو زيت سخن عشان تفضل مسخنة الموتور لمجرد إن البيستون ميمسكش في السلندر لإنهم زي ما قلتلك داخلين شحط في بعض.
أي عربية فورميلا وان بتقدر تجري بRPM بيوصل 18,000 وده تقريباً 3 أضعاف الRPM بتاع عربيتك وفرق الRPM ده بيترجم في الأخر لباور الموتور أو الموتور بيطلع كام حصان .. عربيتك لما تبقي عفية أوي يعني بتقدر تديك 200 حصان بس عربية فورميلا وان بتقدر تديك 800 حصان .. خليك فاكر إن موتور عربية فورميلا وان له نفس عدد السليندرات ويمكن نفس السي سي بتاع عربيتك .. الفرق كله في الخلوص بين البيستون والسلندر .. بس قبل ما تفرح أوي إفتكر إن ده بيخلقلك كمهندس مشكلة بنت كلب .. دلوقتي الطيارة المقاتلة عشان تطلع من مدرج الإقلاع بتجري بسرعة 219 كيلومتر في الساعة .. أي عربية فورميلا وان في أي سباق عادي ممكن سرعتها وهي بتجري بتوصل 400 كيلومتر في الساعة .. أظن السؤال دلوقتي لو موتور العربية بيقدر يخليك تجري بنفس سرعة إقلاع الطيارة المقاتلة طب ليه عربيات فورميلا وان مش بتطير؟
هنا بيجي الكلام عن Aerodynamic Shape للعربية أو الشكل الخارجي للعربية .. لو ضبط معاك فعربيتك حتكسب سباقات .. لو باظ منك فالعربية حتطير وحتلبس في أقرب حيطة .. اللعب كله في السبويلرز أو Spoilers اللي شبه الجرافات اللي بتبقي قدام وورا أي عربية فورميلا وان واللي لو إنت عندك عربية ميتسوبيشي لانسر حتلاقيه متركب فيها مع إنه في مش بيكون ليه أي ستين لازمة .. خليني أخدك واحدة واحدة أفهمك هي لعبة Aerodynamics دي بتتلعب إزاي؟
حضرتك عارف الجناح طبعاً بتاع أي طيارة .. الجناح فكرته إنه مرسوم بشكل إحنا كمهندسين بنسميه إيرو- فويل Aerofoil .. لما شوية هواء يعدوا علي الجناح فطبيعة شكله بتجبر الهواء إنه يعدي شوية هواء فوقه وشوية تحته وسبحان الله يعني الهواء فوق الجناح ضغطه بيبقي أخف من الهواء تحت الجناح فالجناح بيبدأ يطلع لفوق وده إسمه ليفت Lift .. لحد دلوقتي سهلة .. جرب تعكس شكل Aerofoil إنك تنيمه الناحية التانية حتلاقي إن حركة الهواء حوليه بدل ما كانت بتطلعه لفوق حتنزله لتحت وده اسمه داون فورس Down Force وده اللي مهندسي تصميم عربيات فورميلا وان بيعملوه .. الSpoiler اللي بيتركب علي العربية قدام بياخد شكل Aerofoil معكوس عشان يخلق Down Force تخلي العربية ثابتة علي الأرض ومتطيرش .. بس متفرحش أوي كده .. إنت لما بتخلق Down Force فإنت غصب عنك بتزود مقاومة الهواء ليها أو زي ما بنسميها دراج Drag وهنا إنت محتاج تفهم إن عربيات الفورميلا وان عامله زي الناس بتوع برج الجوزاء كده اللي هي كل حاجة وعكسها .. إنت عايز تركب Spoilers تكون علي شكل Aerofoil مقلوب عشان تزود Down Force بس في نفس الوقت شكل العربية نفسه يزود الLift عشان تقلل Drag .. الشركات اللي بتصمم عربيات فورميلا وان جزء كبير من فلوسها رايح علي تجارب إزاي نوصل للوصفة السحرية دي؟ أو إزاي نفهم برج الجوزاء؟ .. إزاي تستغل الRPM الفشيخة اللي الموتور بيديهالك عشان تزود Down Force وفي نفس الوقت تقلل Drag؟
سباقات الفورميلا وان الثواني فيها بتفرق .. أنا لو معايا عربية فيها موتور كويس ومتصممه بAerodynamics كويسة فده مش معناه إني عملت عربية تكسب سباقات لإن العربية الكويسة ده نص الأية .. النص الثاني هو السواق .. إنت عايز سواق فعلياً مبياخفش لإن السواق اللي مبيخافش ده سواق بيدوس بنزين في الوقت اللي سواقين تانيين بيدوسوا فرامل وده الفرق اللي بيكسب سباقات .. أنا هنا بتكلم عن حتة نفسية شوية إنك وإنت سايق تكون متؤكد إن العربية حتحميك .. إن مهما حصل إنت حتعيش وده بيديك ثقة إنك تدوس بنزين من غير ما تخاف .. ده حيخليني أرجع لتشبيه عربيات الفورميلا وان ببرج الجوزاء .. إنت عايز عربية خفيفة عشان تجري بسرعة وفي نفس الوقت تكون قوية إنها تحمي السواق في الحوادث .. موضوع الحوادث ده لوحده حيخليني أسالك سؤالين أصعب من السؤال اللي بتتسأله في أي قعدة تعارف مع واحدة متعرفهاش وتسألك إنت عايز تتجوزني ليه؟ .. اللي هو تخاف تقولها أصل شكلك حلو تبان قدامها إنك بتفكر بنصك التحتاني أو تقولها عشان أخلاقك فتبان قدامها علي إنك مش شايفها حلوة .. إزاي تصنع شاسيه عربية يكون خفيف وقوي ومبيتكسرش؟ .. ده السؤال الأول .. السؤال الثاني بقي إزاي تصنع تانك بنزين مينفجرش لو عملت حادثة بالعربية وإنت بتجري علي 400 كيلومتر في الساعة؟
خليني أبدأ معاك بالسؤال بتاع الشاسيه .. إزاي تعمل شاسيه خفيف وقوي ومبيتكسرش؟ .. لو صنعت الشاسيه بتاع العربية من مادة ناشفة مش بتتكسر فده معناه إنك وإنت بتاخد ملف تقدر تاخده بسرعه لإن العربية مش بتتني مع الدوران والعجل مش حيطلع بره الأكس بتاعه .. لو صنعت الشاسيه بتاع العربية من مادة خفيفة فده معناه إنك طول ما إنت ماشي في خط مستقيم العربية بتسحب معاك وبتفرمل بسرعة .. لو صنعت الشاسيه بتاع العربية من مادة قوية فإنت حتقدر تحمي السواق وساعتها هو مش حيخاف يجيب أخر العربية بس لو خد ملف جامد بسرعة عالية إحتمال العربية يا تتقلب به يا إما العجل يطير بره الأكس بتاعه .. نرجع تاني للسؤال .. إيه هي المادة اللي ناشفة وقوية وخفيفة؟ .. عروستي.
الإجابة عن السؤال ده في مادة إخترعتها شركة رولز رويس Rolls Royce في السبعينات عشان تصنع بيها الTurbine Blade أو شفرات المحركات بتاعة الطيارات النفاثة والمادة دي سموها كاربون فايبر Carbon Fiber .. الكاربون فايبر كمادة خام هو زيه زي القماش اللي أي بنت بتشتريه عشان تفصل منه فساتين .. كل اللي إنت كمهندس بتعمله إنك بتجيب حتة القماش من الكاربون فايبر تدخلها في حلة برستو كبيرة شوية زي اللي إنت بتسوي فيها الفراخ دي وتسيبها شوية .. إنت بس محتاج تعرض القماش ده لضغط فشيخ ودرجة حرارة أفشخ .. لما بتطلع من الحلة بتكون متشكلة زي ما إنت عايز كشاسيه عربية والشاسيه بيبقي خفيف وجامد فشخ .. خليني أديلك مثال بسيط بعمود الكرانك .. في عربيتك عمود الكرانك بيتصنع من الصلب وغالباً بيتصمم إنه يستحمل إجهادات إلتواء أو Torque بتوصل 1300 نيوتن.متر .. عشان بس أحطك في الصورة بنطة الشونيور لما إنت بتخرم في الحيطة بتتعرض لTorque بيتقدر بحوالي 200 نيوتن.متر .. ولو عربية نظيفة أوي قدرة عمود الكرانك إنه يستحمل Torque بتوصل 1400 نيوتن.متر .. في عربيات فورميلا وان عمود الكرانك بيتصنع من كاربون فايبر مش من الصلب وبيقدر يستحمل إجهادات بتوصل 4500 نيوتن.متر وطبعاً مش محتاج أقولك إنه أغلي بكتير .. عمود الكرانك الواحد المتصنع من الكاربون فايبر ثمنه بيوصل 2500 جنيه إسترليني .. كل حاجة في شاسيه العربية بتتصنع من الكاربون فايبر بس يمكن أهم جزء هو اللي قمرة القيادة بتاعة السواق.
هنا يجي دور السؤال الثاني .. حنعمل إيه في تانك البنزين؟ .. أي عربية فورميلا وان بتستخدم نفس البنزين اللي حضرتك بتمول بيه عربيتك بس الفرق إن عربية فورميلا وان بتجري بسرعات بتوصل 300 كيلومتر في الساعة يعني إنت كسواق راكب صاروخ ومهم إن لو حضرتك لبست في الحيط تانك البنزين ميفرقعش .. هنا إنت عندك حل من إتنين .. يا تعمل تانك بنزين قوي يستحمل الصدمات زي مثلاً تانك البنزين اللي بيتركب في مدرعات الجيش .. أو إنك تعمل تانك بنزين ماشي بنفس المبدأ بتاع السوست والمساعدين بتوع عربيتك اللي هو تانك من مادة مرنة تقدر تمتص الصدمات بس في نفس الوقت قوية بما يكفي إنها متتخرمش في حالة إن جت فيه شاظية بسرعة عالية بسبب الحادثة .. رجعنا تاني لمأساة برج الجوزاء .. إزاي تعمل تانك بنزين مرن وفي نفس الوقت ميتخرمش؟
الحل كان في مادة إخترعتها واحدة ست سنة 1965 اسمها (ستيفاني كواليك Stephanie Kwolek) عشان تبقي بديل رخيص لأسلاك الصلب اللي بتتحط في كاوتش العربيات عشان تزود من قوته والمادة دي اسمها كيفلار Kevlar .. لما بدأنا ندرس المادة دي لقينا إن فيها ميزتين .. أول ميزة إنها أقوي تقريباً 5 مرات من الصلب .. تاني ميزة إنها مش بتتخرم مهما حصل .. عشان كده المادة دي دلوقتي بقي بيتصنع منها الدروع الواقية من الرصاص وأي دروع بتتركب علي أي مدرعة أو عربية مصفحة .. اللي بيحصل إن مهندسين تصميم فورميلا وان بيجيبوا الكيفلار يحطوه مع المطاط ويضربوه في الخلاط عشان يصنعوا منه حاجة اسمها Rubberized Kevlar وده اللي بيتحط فيه البنزين .. تانك البنزين بيتركب حشر بين السواق وبين الموتور والتانك بيبقي مرن شوية تقدر تحشره بس حيطلع عين المهندس اللي بيحطه وعشان يسهل عليه الدنيا شوية بيغرقه في بودره التالك اللي إنت بتحطها لأي طفل عنده تسلخات عشان تعرف تحشره جوه شاسيه العربية.
كده إنت الحمد لله فهمت إزاي عربية فورميلا الموتور بتاعها بيشتغل وفهمت هي إزاي بتثبت علي الأرض ومش بتطير وفهمت إزاي إحنا بنحمي السواق من الحوادث وإزاي بنحمي تانك البنزين إنه ينفجر .. كده إنت مفاضلش ليك في ذمتي إلا حاجة واحدة وهي العجل .. زيها زي عربيتك فأي عربية فورميلا وان بتجري علي4 عجلات .. الفرق إن العجلات مش متصممة إنها تفضل مكملة طول السباق إنما الأربع عجلات بيتغيروا علي الأقل مرة واحدة في السباق بس إذا كنت إنت لما بتغير عجلة عربيتك بتاخد ربع ساعة ففي سباقات فورميلا وان الأربع عجلات بيتغيروا في أقل من 10 ثواني .. ده بيحصل إن بيبقي عندك فريق كامل مدرب علي إزاي يفك مسمار العجلة القديمة ويشيلها ويركب العجلة الجديدة ويقرط علي المسمار بتاعها في أقل وقت ممكن .. إذا كان كاوتش عربيتك بيتثبت في العجلة بأربع أو خمس مسامير ففي حالة عربيات فورميلا وان الكاوتش بيتثبت بمسمار واحد كبير شوية بيتفك ويتقرط عليه بAir Gun .. مهم تكون فاهم إن من أكتر الأجزاء في عربيات فورميلا وان اللي بتتفشخ في السباقات هي العجل .. العجلة الواحدة بتلف في السباق الواحد بمعدل 150,000 لفة .. عربية بتجري علي سرعة 300 كيلومتر في الساعة لو جيت تفرملها حتلاقي إن درجة حرارة تيل الفرامل بتوصل ألف درجة مئوية .. إذا كان عجل عربيتك بيتصنع من الصلب فالصلب ده كوكو خالص مينفعش مع عربيات فورميلا وان .. مش لإنه تقيل .. لإنه ضعيف مش حيستحمل ظروف الشغل دي .. الحل إنك بتعمل العجلات من الماغنيزيوم واه سامعك يا اللي بتقول هو مش الماغنزيوم ده بيولع يا أسطي .. أيوه بيولع ولو حصل والكاوتش إتخرم والعجل مشي علي الأرض حيولع وحصلت قبل كده كتير بس حنعمل إيه .. الماغنيزيوم أقوي بكتير من الصلب وأخف منه بمراحل ويعتبر المادة المثالية إنك تصنع منه العجلات حتي لو إضطريت تخاطر بإن إحتمال لو الكاوتش إتخرم العجل يولع.
شركات عربيات فورميلا وان بينهم خناقة ما يعلم بيها إلا ربنا في إزاي يكسبوا بعض في شوية ثواني في السباقات .. إزاي تعلي من كفاءة الموتور بتاعك .. إزاي تحسن من Aerodynamic Performance بتاع العربية .. فوق ده كله براعة السواق إنه يقدر يجيب أخر العربية .. عارف إننا كمهندسين فاهمين الكلام ده وحاسينه بس لو إنت مش مهندس وجه قدامك في التليفزيون بالصدفة جولة سباق فورميلا وان أرجوك متقولش لنفسك إيه الهبل ده .. إزاي بيسموا دي رياضة.
المصدر:
- حلقة من برنامج Engineering Connections with Richard Hammond إتعرض علي قناة National Geographic وده لينك الحلقة علي YouTube لو حبيت تتفرج عليها:
/www.youtube.com/watch?v=1OziCDoox5Y&t=83s
