מרוץ פורמולה 1. ניתן האות והמכוניות יוצאות לדרכן, פתאום אחת מהן פוגעת במכונית שלפניה, מתהפכת, גולשת על קשת ההתהפכות במהירות גבוהה ולבסוף עפה אל מעבר למעקה. הנהג יוצא ללא פגע (ראו סרטון). איך זה קרה? בפוסט זה נרחיב על המבנה הייחודי של Halo – קשת ההתהפכות שהצילה את חיי הנהג, על צורתה של הקשת, הרכבה, ומדוע הנהגים התנגדו לה בהתחלה.

כתבנו בעבר על תכנון כלי רכב כך שהנוסעים יצאו ללא פגע במקרה התהפכות [1]. כאשר מדובר במכוניות מרוץ תכנון זה חשוב אף יותר, מכיוון שכלי הרכב נוסעים במהירויות גבוהות מאוד, מה שמעלה את הסבירות להתרחשותן של תאונות קשות. ואכן, בעבר היו לא מעט מקרים של פציעות חמורות ואף מוות בתאונות כאלו. בשנים האחרונות מהנדסים משלבים מדע מתקדם בתכנון וייצור כלי הרכב המשתתפים במרוצים, כולל יישום של טכנולוגיות חדשניות ותכנון מדויק בהיבטי בטיחות שונים (מומלץ להאזין לפרק שעוסק בנושא בפודקאסט שלנו, מדברימדע [2]). זה הפחית את חומרת התאונות, ולשמחתנו לא היו בשנים האחרונות מקרי מוות במרוצי פורמולה 1 (F1). נקווה שהמצב יישאר כך [3].

אחד הפיתוחים האחרונים בתחום הוא Halo, קשת התהפכות בעלת מבנה לא שגרתי, שעשויה  מחומרים מיוחדים ומשקלה פחות מ-10 ק״ג. הקשת נוסתה לראשונה ב-F1 בשנת 2016, ושנתיים לאחר מכן הפכה לדרישת חובה בכל מרוצי פורמולה. מדוע היא נראית כפי שהיא נראית? וממה היא מורכבת?

קשת התהפכות היא מבנה המותקן על כלי רכב פתוחים (כגון טרקטורונים ומכוניות מרוץ), שמטרתו העיקרית היא להגן על הנהג בעת תאונה. הקשת מתוכננת כך שכאשר מופעל עליה כוח, התפלגות המאמצים מתחלקת לאורכה בצורה שווה, ואינה מתרכזת בנקודה מסוימת, זאת כדי שהקשת לא תישבר או תתעוות באופן שיגרום לפגיעה בנהג. תהליך התכנון משקלל את האילוצים ואת נתוני הרכב, כגון מידותיו, משקלו, תנאי הנסיעה ועוד. מלבד זאת, נדרשת התחשבות בגורמים נוספים, בהתאם לשימוש הרכב. במקרה של רכבי מרוץ, שיקולים חשובים הם המשקל שהקשת מוסיפה למכונית והשפעתה על האווירודינמיות של המכונית ועל שדה הראייה של הנהג. שיקולים נוספים אלו עושים את תהליך הפיתוח למורכב במיוחד: בתכנון טרקטור, לדוגמה, פגיעה באווירודינמיות או תוספת של 20 ק״ג הן זניחות. ברכב מרוץ, לעומת זאת, גם תוספת של קילוגרם אחד עלולה לפגוע בביצועי המכונית ולהוביל להפסד במרוץ.

תהליך התכנון כולל חישובי אנרגיה, כוחות ומאמצים, אשר מדמים תרחישים אפשריים של תאונות. בעזרת מודלים ממוחשבים וניסויים שונים נקבעת בסופו של דבר הצורה המדויקת של הקשת [4, 5].

המבנה המיוחד שנבחר ל-Halo הוא יותר מסתם קשת התהפכות פשוטה. הקשת מורכבת משלושה מקטעים המסודרים בצורת Y, אחד מול עיניו של הנהג ואחד מכל צד של ראשו. החלק האמצעי הוא הבולט והחשוב ביותר. כאמור, שדה הראייה של הנהג הוא אחד האילוצים שהובאו בחשבון, לכן חלק זה של הקשת צר מספיק כדי לאפשר לנהג לראות מעבר לו. בנוסף, חלק זה מגן על הנהג במקרה שחלקי מכונית או עצמים שונים עפים לעברו בעת תאונה. גם המרווחים בין שלושת המקטעים תוכננו כך שיהיו קטנים מספיק כדי לחסום עצמים שעלולים לפגוע בנהג. החלק העליון של הקשת משמש להגנה על הנהג במקר של התהפכות, בנוסף להגנה שמספקת הקסדה.
אבל רגע, למה לא להתקין שמשה וגג? מכיוון ששמשה תפגע במבנה האווירודינמי ותאט את המכונית. 

What Is A Halo In F1? - One Stop Racing

לאחר שקבענו את צורתה של הקשת, נעבור לבחירת החומר. הבחירה נעשית על פי תכונותיו של החומר, תוך איזון בין משקלו לבין יכולתו לעמוד בעומסים ובמאמצים. הקשת עשויה מבנה טיטניום, המצופה סיבי פחמן בתוך מטריצה פולימרית. שילוב כזה מכונה "חומר מרוכב". מה זה אומר, בעברית? חומר מרוכב הוא חומר המורכב משני חומרים שונים או יותר, כל אחד בעל תכונות מסוימות, כאשר החיבור בין החומרים מוביל לשיפור של חלק מן התכונות, לדוגמה חוזק או מוליכות חשמלית. הרחבה על הנושא ניתן למצוא בפוסט שלנו על חומרים מרוכבים [6].

בחירת החומרים המרכיבים את הקשת אינה מקרית: טיטניום הוא מתכת קלה וחזקה, אשר יכולה לספוג מכות פתאומיות וחזקות מבלי להינזק (עמידות גבוהה בפני נגיפה ולחיצה). פחמן כיסוד הוא חומר קל מאוד, וסידורם המרחבי של אטומי הפחמן בצורת משושים (ראו תמונה) מקנה לו מה שמכונה חוזק כניעה גבוה, כלומר נדרש כוח רב מאוד כדי לשבור אותו, ולכן ניתן להשתמש ביריעה דקה וקלת משקל.

סידור מרחבי של אטומי פחמן מקור: https://pslc.ws/macrog/carfib.htm

למה תכונות אלו טובות עבורנו? יש לכך שלוש סיבות עיקריות: ראשית, מכונית מרוץ צריכה להיות קלת משקל ככל האפשר, כדי להגיע למהירויות גבוהות בזמנים קצרים ובצריכת דלק נמוכה, ולכן חשוב לבחור בחומרים קלים. שנית, בעת תאונה המבנה נפגע בכוח רגעי גבוה, מה שמצריך שימוש בחומרים עמידים בפני לחיצה, נגיפה וכפיפה, כדי למנוע שינויים בצורתו של המבנה. לבסוף, חשוב החיבור בין החומרים. ב-Halo נעשה שימוש באפוקסי, פולימר שנדבק בקלות למגוון רחב של חומרים, מה שמסייע לשמור על הקשת כמקשה אחת למרות שהיא עשויה מכמה חומרים שונים. 

שילוב כל התכונות האלו מוביל לקשת הגנה קלה וחזקה: משקלה 9-7 ק"ג, והיא יכולה להחזיק שווה ערך ללחץ של 12 טון. אם נכתוב זאת בבריטית, זה שקול לאוטובוס אדום דו-קומתי אשר מונח על הקשת מבלי לשבור אותה [7]. והכי חשוב, כמובן: הקשת מגינה על הנהג כך שיצא בלי שריטה מכמה התהפכויות במהירות של מעל ל-300 קמ"ש [8].

אגב, בתחילה התנגדו נהגי מרוץ רבים לקשת ההתהפכות והתלוננו על צורתה, מדוע? בעיקר מסיבה אסתטית. הם טענו שהקשת מכערת את המכונית. אחרים טענו שהמרוץ צריך לשמור על ''מידה מסוימת של סיכון''.
אבל ככל שהזמן עובר והקשת מוכיחה את עצמה בהצלת חיי הנהגים, הוויכוח נראה מטופש. לפני כשנה אמר מנהל קבוצת מרצדס טוטו וולף (Toto Wolff) שהוא שמח שהפסיד בקרב נגד הקשת [9].

לסיכום, לפנינו דוגמה נוספת לכך שיישום של חידוש מדעי בתחומי ההנדסה והחומרים מסייע להציל חיים – גם במסלולי המרוצים.

עריכה: סמדר רבן

מקורות והרחבות

[1] תכנון קשת התהפכות

[2] פרק 120 בפודקאסט "מדברימדע": בוועז קרפל – המדע מאחורי מרוצי פורמולה 1 

[3] מקרי מוות בפורמולה 1

[4] פוסט על אנליזת אלמנטים סופיים 

[5] פוסט על ניסויים דינמיים

[6] פוסט על חומרים מרוכבים

[7] קשת Halo חזקה דיה כדי לשאת אוטובוס

[8] על התהפכות במהירות 200 קמ"ש

[9] נהגים שהתנגדו לקשת בתחילה

[10] מדוע בכלל כלי רכב מתהפכים?

ארבעה מקרים שבהם קשת Halo הצילה חיי נהגים בוודאות:

1. Zhou Guanyu, F1 Silverstone 2022
2. Max Verstappen/Lewis Hamilton, F1 Imola 2021
3. Romain Grosjean, F1 Bahrain 2020 (this is the big one)
4. Roy Nissany/Dennis Houger, F2 Silverstone 2022

כמה מן המקרים אפשר לראות כאן