לכדור גולף יש כ-300-500 גומות קטנות המעניקות לו את המראה היחודי שניתן לזהות מיד. גומות אלו נועדו כדי להפחית את הגרר שחווה הכדור וכך לגרום לכדור לעוף עד פי 2 רחוק יותר בהשוואה לכדור חלק. התופעות האווירודינמאיות הקורות על כדור גולף עוזרות למהנדסי זרימה בתכנון של מכוניות ומטוסים הצורכים פחות דלק.

אי פעם תהיתם לעצמכם למה לכדור גולף יש גומות קטנות? למה לא להשתמש בכדור חלק? ומה הקשר בין צורת כדור הגולף לכנפיים של מטוסים?

מקורו של משחק הגולף הוא כנראה באנגליה ובסקוטלנד האריסטוקרטית של המאה ה-18. בתחילה כדורי הגולף היו כדורי עור קטנים וחלקים. האגדה מספרת ששחקנים התחילו לשים לב שדווקא כדורים משומשים וחבוטים עפים רחוק יותר מכדורים חדשים וחלקים. לאחר ניסוי וטעיה, הבינו השחקנים שהכדורים עפים רחוק יותר בשל הגומות שנוצרו עקב המכות שחטפו הכדורים מהמחבטים. כך נבנתה ההבנה שלכדורים עם שקעים יש תכונות אווירודינמיות טובות יותר מכדורים חלקים, מה שגורם לכך שהם יכולים לעבור עד פי 2 מרחק עבור אותה החבטה.

איך ייתכן ששינוי פני השטח של הכדור ישפר את התכונות האווירודינמיות שלו? ומה המשמעות של תכונות אווירודינמיות טובות יותר והקשר לגרר?

נתחיל ונשאל מהו גרר? גרר הוא הכוח המתנגד לתנועתו של גוף הנע בזורם (משמע גז או נוזל כלשהו) ובמקרה שלנו, האוויר מתנגד לתנועתו של כדור הגולף שעף דרכו. אז כאשר אומרים "גוף בעל תכונות אווירודינמיות טובות יותר" הכוונה שהגוף פשוט חווה פחות גרר בהשוואה לגופים דומים.

 את כוח הגרר הפועל על גופים ניתן לחלק לשני סוגים עיקריים: הסוג הראשון הוא 'גרר חיכוך' הנובע מחיכוך הגוף עם הזורם (ממש כמו כוח חיכוך רגיל שאנחנו מכירים), ובמקרה זה החיכוך בין הכדור לאוויר. ככל שהגוף פחות חלק, כלומר עם יותר בליטות ושקעים קטנים, כח הגרר הפועל על הגוף יגדל. הסוג השני הוא 'גרר לחץ' הנובע מהפרשי לחץ בין החלק הקדמי לאחורי של הגוף, ובמקרה זה, מרבית גרר הלחץ קורה כי בגלל הפרש מהירויות בין החלק הקדמי לאחורי של הכדור. הרוח מקדימה לוחצת כנגד כיוון תנועתו של הכדור, אך בשל הצורה של הכדור היא מתנתקת ממנו, ונוצר מאחורי הכדור אזור ללא רוח – כמו שרוח פחות מורגשת מאחורי בניין או אדם אחר. זאת הסיבה לכך שרוכבי אופניים או מכוניות במירוצים רוכבים/נוהגים אחד מאחורי השני. (נקרא גם גרר ניתוק – בשל ניתוק הזרימה מהגוף). ממולץ בחום לראות כמה שניות מהסרטון הבא ולהבחין בהבדלים בקדמת ואחורי גליל [1] .

על סמך זה, הוספת הגומות אמורה לפגוע במרחק שהכדור יגיע אליו מכיוון שהיא מגדילה את גרר החיכוך, אך עבור גופים הנעים באוויר, מקור רוב כח הגרר נובע מגרר לחץ (כתוצאה מניתוקי הזרימה). לכן מהנדסי זרימה, שמנסים להפחית גרר שפועל על גופים שונים (כמו מכוניות או מטוסים נוסעים), בדרך כלל מתרכזים בהפחתת ניתוקי הזרימה מהגוף. כאן נשאלת השאלה: איך הוספת הגומות מורידה את גרר הלחץ?

לפני שנענה על השאלה הקשה, נדבר על פרמטר חשוב שמשפיע על גרר הלחץ, והוא 'אופי הזרימה'. ניתן להגדיר שני סוגים עיקריים של 'אופי זרימה' – זרימה למינארית (שכבתית) בה שכבות הזרימה מקבילות אחת לשנייה, וזרימה טורבלנטית (ערבולית)  בה שכבות הזרימה אינן מקבילות, מתערבלות זו בזו ויוצרות מערבולות. אם תתבוננו בעשן העולה ממקל קטורת, תראו שהעשן מתחיל את דרכו בזרימה למינרית של שכבות חלקות, אך בהמשך שכבות אלו מתערבבות והעשן עובר לזרימה טורבולנטית (ראו תמונה באתר מדע גדול, בקטנה). באופן לא אינטואיטיבי, לרוב, הגרר בזרימה טורבולנטית נמוך יותר, זאת כיוון שהמערבולות הקטנות 'מכריחות' את הזרימה להיצמד לגוף יותר ומקטינות את ניתוקי הזרימה. עבור כדור שעף באוויר, אופי הזרימה נקבע על פי גודלו ומהירותו של הכדור, ככלל שאלו גדולים יותר, כך אופי הזרימה טורבלנטי יותר.

אופי הזרימה מסביב לכדור גולף הינו זרימה למינרית אך מאוד קרוב להפוך לזרימה טורבלנטית - כלומר, אם הכדור היה גדול יותר או מהיר יותר הזרימה מסביבו הייתה טורבלנטית. פה מגיעה ההפתעה שעדיין מדהימה חוקרי זרימה רבים עד היום: כיוון שאופי הזרימה מאוד קרוב להיות טורבלנטי והגומות הקטנות עליו מייצרות הפרעות ומערבולות קטנות -הן מאלצות את הזרימה מסביב לכדור להפוך לטורבולנטית וכך להפחית את הניתוקים שהוא חווה. באם הכדור היה שונה מהותית בגודל או במהירותו, הוספת הגומות לא היתה עוזרת להפחית את ניתוקי הזרימה אלא רק מעלה את הגרר בשל תוספת החיכוך עם האוויר. כך, עבור תנאים ספציפיים אלו, הגרר של הכדור עם הגומות יהיה דווקא יהיה נמוך יותר מאשר של כדור חלק, עד פי שתיים [2].

כך נראה שעל ידי שינוי מינורי יחסית הצליחו לייצר הישג אווירודינאמי אדיר ושיפור המשחק. בעקבות תגלית זאת, בין היתר, מהנדסים חוקרים כיצד שינויים קטנים בפני השטח של גופים אווירודינאמיים כמו מכוניות, מטוסים ואף טורבינות רוח יכולים להפחית גרר וכך לחסוך בכסף ובדלק אשר מזהם את הסביבה. לדוגמא, אם תסתכלו על כנף של המטוס שאתם טסים בו, תבחינו (בחלק מהמטוסים) בבליטות או לוחות קטנית בחלק האחורי של הכנף (הנקראות vortex generators). בליטות אלו מייצרות מערבולות רוח אשר, כמו בכדור הגולף, עוזרות למנוע ניתוקי זרימה מהכנפיים בתנאי תעופה שונים ואף יכולים לעזור מבחינה בטיחותית [3].

לסיכום, הגרר העיקרי המשפיע על כדור הגולף הינו גרר לחץ. הגומות שעל פני כדור הגולף מאלצות את הזרימה מסביב לכדור להפוך מזרימה למינרית לזרימה טורבלנטית וכך מפחיתות את גרר הלחץ שהוא חווה. תגלית זאת, בין היתר, הובילה חוקרים רבים להבין ששינויים קטנים בפני השטח של גופים אוויטרודינאמים יכולים לשפר את הביצועים שלהם בהרבה.

קישורים ומקורות:

[1] ניתוק זרימה מאחורי גופים

[2] מאמר קצר על אווירודינמיקה של כדורי גולף

[3] מאמר על הוספת VG למל"טים