חוזרים לשנות השמונים - צוות לעניין
16/08/2020
מה ההסבר הפיזיקלי להתהפכות כלי רכב? מה הקשר ללוליינים בקרקס? ולמה לא מומלץ לשים הרבה ציוד על גג הרכב?
למי שלא זוכר, סדרת הטלוויזיה האגדית "צוות לעניין" (The A team) משנות ה-80 (האגדיות גם הן) כללה ארבעה חיילים מיחידה מיוחדת של צבא ארצות הברית שהואשמו בפשע שלא ביצעו. לאחר שברחו מהכלא, בכל פרק הם עזרו לחסרי ישע תוך כדי שהם נמלטים מאנשי המשטרה הצבאית.
במהלך הצפייה בסדרה עולות שאלות רבות, כגון: איך B.A, אדם ענק בגובה 2 מטר עם כ-30 ק"ג שרשראות זהב, מצליח להתחבא? האם מרדוק היה מצליח להטיס כל כך הרבה כלי טיס בהתחשב במצבו הנפשי השביר? איך חניבעל, מנהיגם המתוחכם, לא מפתח סרטן עם כמות הסיגרים הבלתי נגמרת שהוא מעשן? והשאלה החשובה מכל - כיצד זה אפשרי שבכל פרק לפחות כלי רכב אחד מתהפך - ולעיתים אף עולה באש - אבל אף אחד לא נפגע? [1]
בפוסט זה נתמקד בשאלה מדוע בכלל כלי רכב מתהפכים? לשם כך חשוב להכיר שני מונחים: מרכז מסה ומומנט כוח.
מי שעלה ראשון על רעיון מרכז המסה הוא חובב האמבטיות הידוע ארכימדס. במרכז מסה נעשה שימוש לפישוט פתרון של בעיות פיזיקליות והנדסיות - זוהי נקודה דמיונית המייצגת מבחינה פיזיקלית את המיקום המשוקלל של כל מסת הגוף. כלומר, הנקודה מהווה ממוצע משוקלל של מיקומיהם של החלקיקים המרכיבים את המערכת. בניסוח עממי יותר: אם אקח את כלי הרכב ואמחץ אותו לנקודה אחת - מה שאולי יכול להקל על חיפושי חנייה בת"א - אז זה יהיה מיקום הנקודה. נהוג לסמן את מרכז המסה בשרטוטים על ידי מעגל שבמרכזו הסימן פלוס. [2]
דוגמאות הממחישות את שינוי מרכז המסה הן איזון של מזלג על האצבע או להטוטן שהולך על חבל בקרקס. הרבה פעמים הלהטוטן נעזר במקל ארוך, מדוע? מרכז המסה שלנו הוא באזור הבטן התחתונה- דבר שמקשה ללכת על חבל דק - שימוש בחפץ כבד גורם להורדת מרכז המסה כלפי מטה ומגדיל את היציבות של ההולך על החבל (ראו איור 1). האם ניתן לשנות לכלי רכב מרכז מסה? כן. לדוגמא, אם אתקין גגון עם צמיג רזרבי ומיכל מים על גבי גג הרכב, אז אגדיל גם את "מקדם הפוזה" (מכונה לעיתים גם "מקדם השופוני") של הרכב, אבל גם אזיז את מרכז המסה כלפי למעלה.
מיקום מרכז המסה משפיע על יציבות הרכב, כלומר אם נשווה בין שני רכבים במשקלים זהים: מכונית ספורט רחבה ונמוכה ורכב שטח גבוה - מרכז המסה ברכב השטח יהיה גבוה יותר ולכן הוא יהיה פחות יציב. מה הסיבה? לשם כך עלינו להכיר את המונח השני - מומנט כוח (Torque, Moment). הפעלת מומנט, המוגדר כמכפלת הכוח המופעל במרחקו מציר הסיבוב, גורמת לתנועה סיבובית של גוף ו. אנו עושים שימוש רב במומנט בחיי היום יום, לדוגמא - בפתיחת בורג: ככל שהידית של מפתח הברגים תהיה ארוכה יותר, המומנט יהיה גדול יותר, ולכן כוח שאצטרך להשקיע יהיה נמוך יותר. [3]
מה הקשר להתהפכות כלי רכב? על מנת שהרכב יהיה יציב ולא יתהפך, נדרש שסכום המומנטים הכולל על מרכז המסה יהיה אפס. בדומה לחוקי ניוטון שאולי למדתם בתיכון, כדי לבדוק אם גוף במנוחה יחל להאיץ אנו בודקים את סכום הכוחות הפועל על מרכז המסה. אם סכום הכוחות הוא אפס, גוף שהיה במקור במנוחה ישאר במנוחה.. עבור מומנטים האנלוגיה דומה: אם בפרק של "צוות לעניין" BA יסובב רוטור של מסוק ימינה ומרדוק יסובב אותו שמאלה, ינצח זה שהפעיל כוח חזק יותר, מאחר והמרחק למרכז המסה יהיה זהה. אבל, אם פנים וחניבעל יצטרפו למרדוק ויפעילו בדיוק את אותו הכוח כמו BA - סכום המומנטים סביב מרכז המסה יתאפס והרוטור לא יזוז.
במקרה של התהפכות, אם כלי הרכב נוסע בצורה רגילה על כביש ישר, הוא יהיה בשווי משקל ואין שום סיבה שהוא יתהפך. אבל אם אותו רכב יסע בשיפוע צד, יבצע תמרון חד או יתקע במכשול שחניבעל שתל שם - גם אם שקול הכוחות הפועל על הרכב ישאר זהה, הזרוע תהיה ארוכה ולכן יפעל על הרכב מומנט גדול יותר, כלומר יופר שווי המשקל ולכן הרכב יתהפך. כמובן שיש גורמים נוספים המשפיעים על התהפכות כלי הרכב - כגון צמיגים, מתלים, תנאי השטח, אמצעי בטיחות אקטיביים המותקנים בכלי רכב מודרנים ועוד.
רוצים לנסות את זה בבית ? קחו ספר או משטח שטוח אחר, הניחו עליו רכב צעצוע ולאט לאט תגדילו את הזווית ותמדדו באיזו זווית התרחשה ההתהפכות. לאחר מכן העלו את מרכז המסה של כלי הרכב- לדוגמא על ידי הדבקת פלסטלינה על הגג - ותראו כי הזווית בה הרכב מתהפך נמוכה יותר. אז אם אתם יוצאים למרדף אחרי "צוות לעניין" - תחגרו חגורת בטיחות, אל תעמיסו את הגג, סעו בזהירות ותיזהרו מהטריקים של חניבעל.
מקורות וקריאה נוספת:
[3] מומנט כוח - Automotive Systems | Rollover mechanics for commercial vehicles
סמנכ״ל ניו-מדיה של העמותה. בעל תואר ראשון בהנדסת מכונות ותואר שני בהנדסת מערכות (שניהם בטכניון).
