تصميم الحواف العجلات عالية الأداء: تقليل مقاومة الرياح

المبادئ الأساسية لعلم الديناميكا الهوائية: كيف يؤثر شكل الحواف على السحب في العجلات عالية الأداء

الاضطرابات عند نقطة التقاء الحواف بالحدبة تحت تأثير الرياح الجانبية

عندما تضرب الرياح الجانبية عجلات الدراجات الهوائية، فإنها تُحدث انفصالًا مفاجئًا في تدفق الهواء بالضبط عند النقاط التي تلتقي فيها الأسلاك الحاملة (الإطارات الشعاعية) بالحدبة. ويؤدي هذا إلى تشكُّل دوامات لفوية تزيد من السحب الهوائي بنسبة تصل إلى ١٨٪ مقارنةً بالعجلات ذات الأسطح الملساء وفقًا لاختبارات نفق الرياح. أما إذا كانت هذه النقاط الواصلة ذات حواف مستديرة بدلًا من الزوايا الحادة، فإن تدفق الهواء حولها يصبح أكثر سلاسة. والنتيجة؟ انتقالات أكثر نعومة بكثير وانخفاض في الطاقة الحركية المضطربة بنسبة تقارب ٤٠٪ وفقًا للمحاكاة الحاسوبية مقارنةً بالملامح المربعة التقليدية. وللعُرَّاد الذين يواجهون غالبًا الرياح الجانبية أثناء المنافسات، فإن تحقيق الشكل الأمثل لهذه النقاط الواصلة يُحدث فرقًا حقيقيًّا. فالتصاميم المُحسَّنة تقلِّل معامل السحب بمقدار يتراوح بين ٠٫٠٣ و٠٫٠٥، وقد لا يبدو هذا المقدار كبيرًا، لكنه يمنح راكبي الدراجات ميزة ملموسة في السباقات التي يُقاس الفوز فيها بالثواني.

عدم التماثل في فرق الضغط وانفصال الدوامات في صفوف الأسلاك الحاملة الدوارة

عندما تدور العجلات، فإن أسلاكها (الإطارات) تُولِّد مناطق متناوبة ذات ضغط عالٍ ومنخفض، مما يؤدي إلى ظاهرة انفصال الدوامات المزعجة التي تسبب مقاومة نابضة. ففي العجلات الاعتيادية ذات الـ24 سلكًا، تحدث هذه الاهتزازات ما بين 80 و120 مرة في الثانية عند السير بسرعة تبلغ نحو 40 كيلومترًا في الساعة، مما يُضيِّع نحو 15 إلى 25 واطًا من الطاقة في هذه العملية. أما الأسلاك الجديدة ذات الشكل المُسطَّح (ذات الحواف المُحدَّبة) فهي تقلِّل من مشكلة انفصال الدوامات بنسبة تقارب 30%، وذلك بسبب أشكالها الأكثر انسيابية التي تحافظ على التصاق تدفق الهواء بالعجلة لفترة أطول. لكن هناك أيضًا تنازلًا في هذا التصميم: فالمقاطع الأعرض لهذه الأسلاك تزيد من الوزن الدوراني، ما يجعل من الصعب تسريع الدراجة بسرعة عند الانطلاق من نقطة التوقف. ولذلك يعتمِد معظم المصمِّمين اليوم على نهج تدرُّجي (تآكل تدريجي في السُمك)، حيث يصبح السلك أدقَّ كلما ابتعد عن مركز العجلة نحو الحافة الخارجية (الهوبي)، مع الحفاظ على نسبة سُمك تتراوح بين ١ إلى ٣ تقريبًا. وهذا يساعد في تقليل اضطرابات الهواء خلف العجلة، مع الحفاظ في الوقت نفسه على متانة كافية لتحمل ظروف القيادة الفعلية، وفقًا لنتائج الاختبارات في أنفاق الرياح والمحاكاة الحاسوبية.

التصميمات الشعاعية ذات الحواف، والدائرية، والمختلطة: المفاضلات المتعلقة بعجلات الأداء

الشعاعات ذات الحواف: مكاسب استقرار المحور عند زوايا الرياح مقابل حدود الصلابة وقابلية التصنيع

في اختبارات نفق الرياح المنشورة في مجلة الديناميكا الهوائية عام ٢٠٢٢، أظهرت الإطارات ذات الأشواك المُجدَّدة خفضاً في مقاومة الهواء بنسبة تقارب ٨٪ مقارنةً بالإطارات التقليدية الدائرية الشكل. ويحدث هذا بفضل شكلها المشابه للجناح الذي يمنع أساساً تكوُّن تلك الدوامات المزعجة عندما تتجاوز الزوايا نحو ١٥ درجة عن المحور المركزي. ومع ذلك، هناك نقطة جديرة بالذكر هنا: فهذه الأشواك رقيقةٌ لدرجة أنها تقلِّل من صلابة العجلة جانبياً، ما يؤدي إلى انخفاض في الصلابة الجانبية بنسبة تتراوح بين ١٥ و٢٠٪ أثناء الجهود القصوى للدواسة. أما تصنيع هذه العجلات فهو قصة مختلفة تماماً. إذ يتطلّب عملية التصنيع تحكُّماً دقيقاً للغاية، مثل الحفاظ على انحرافات الشوكات ضمن نصف درجة في أي اتجاه. ومعظم الشركات لا تمتلك إمكانية الوصول إلى قوالب ألياف الكربون الخاصة المطلوبة لتحقيق هذه الدقة العالية. فما هو الاستنتاج النهائي؟ إن راكبي الدراجات الذين يولون اهتماماً أكبر للحفاظ على السرعات القصوى خلال المسافات الطويلة، مقارنةً بالانطلاقات الانفجارية القصيرة، سيجدون على الأرجح أن المكاسب الديناميكية الهوائية تستحق التحمُّل مقابل هذه التنازلات المتعلقة بالصلابة وتعقيد التصنيع.

تصاميم هجينة بيضاوية الشفرات في عجلات الأداء المعتمدة من الاتحاد الدولي للدراجات (UCI)

يجمع التصميم الهجين للضلع بين هياكل قاعدية بيضاوية تُعزِّز المتانة في منطقة المحور، وأقسام شفرية تتقلَّص تدريجيًّا باتجاه الحافة. ويؤدي هذا المزيج إلى تحقيق توازن جيد بين الديناميكا الهوائية والمتانة والامتثال للاشتراطات التنظيمية الضرورية. وتُظهر الاختبارات التي أُجريت على النماذج المعتمدة من الاتحاد الدولي للدراجات (UCI) أن هذه التصاميم تحقِّق انخفاضًا بنسبة نحو ١٢٪ في تغيُّر السحب عند مواجهة زوايا رياح مختلفة مقارنةً بالعجلات التقليدية ذات الشفرات الكاملة، وفقًا لدراسات التحقق الحديثة لعام ٢٠٢٣. كما تتوافق هذه التصاميم مع متطلبات دليل القواعد الخاص بالاتحاد الدولي للدراجات (UCI) فيما يتعلَّق بأبعاد العجلات، وبخاصة نسبة العرض إلى العمق المحدَّدة بمقدار ٢٫٥:١ في المادة ١٫٣٫٠١٨. وما يجعل هذا النهج المعماري فعّالًا جدًّا هو قدرته على معالجة عوامل الأداء المتعددة في آنٍ واحد دون التفريط في أيٍّ منها.

• انخفاض بنسبة ٥–٧٪ في العطالة الدورانية مقارنةً بالضلع الشفرية التقليدية
• ٩٤٪ من خفض السحب في خط مستقيم الذي تحققه التصاميم ذات الشفرات الكاملة
• الامتثال الكامل لمعايير السلامة الصادرة عن الاتحاد الدولي للدراجات الهوائية (UCI) فيما يتعلق بانحراف الحواف

تكوينات متقدمة للحواف: حواف على شكل حرف Y، وأنظمة متعددة الحواف، والكفاءة الإنشائية

تحسين عدد الحواف وزاوية التفرع لتحقيق انسجام التيار الهوائي المتبقي وعزم القصور الذاتي الدوراني

يُساعد تصميم هياكل العجلات غير المتماثلة، مثل الحواف على شكل حرف Y وأنظمة الحواف المتعددة، في تقليل العطالة الدورانية لأنها تركز معظم الوزن بالقرب من مركز العجلة. ويؤدي ذلك إلى تحسين التسارع مع الحفاظ في الوقت نفسه على صلابة جيدة من الجانب إلى الجانب. ومع ذلك، فإن قلة عدد الحواف في هذه التصاميم تميل إلى توليد دوامات أقوى عند زوايا الهجوم الأعلى إذا لم تكن الزوايا التي تنفصل عندها الحواف مُحكَمة التصميم. وقد كشف الاختبار في أنفاق الرياح أن تدفق الهواء يصبح أكثر سلاسة حول الحافة عندما تتراوح زوايا الانفصال بين ٢٥ درجة و٣٥ درجة، بدلًا من أن ينفصل الهواء مبكرًا جدًّا. والنتيجة هي أن تدفق الهواء يبقى ملتصقًا لفترة أطول على الجزء الخلفي من العجلة قبل أن ينفصل أخيرًا عند الطرف الأخير منها.

المصدر: مجلة هندسة الرياح والأيروديناميكا الصناعية، ٢٠٢٣

بينما توفر العجلات ذات الأشواك على شكل حرف Y أقصى خفض في السحب (بمتوسط ١٢٪)، فإن أنظمة الأشواك المتعددة تقدم مقاومةً فائقةً للتأثيرات. وأفضل تكوينٍ هو دمج أقل عددٍ ممكنٍ من الأشواك مع نقاط تفرّعٍ هندسية دقيقةٍ— وقد تم التحقق من صحتها باستخدام ديناميكا الهواء الحاسوبية (CFD)— لتعظيم الكفاءة الديناميكية الهوائية. و المتانة في ظروف الاستخدام الفعلي.

التحقق من الديناميكا الهوائية للأشواك: الاختبارات في نفق الرياح وديناميكا الهواء الحاسوبية (CFD) للعجلات عالية الأداء

الحصول على نتائج دقيقة فيما يتعلّق بأيروديناميكية الحواف يتطلّب دمج الاختبارات الفعلية في أنفاق الرياح مع عمليات المحاكاة الحاسوبية التفصيلية المُسمّاة «نمذجة ديناميكا السوائل الحاسوبية» (CFD). فأنفاق الرياح تقيس فعليًّا مقدار المقاومة التي تواجهها عجلات الأداء عند تعرضها للرياح العرضية والرياح الجانبية في ظروف الحياة الواقعية، مما يُظهر جميع تلك التفاعلات المعقدة بين الحواف، والأطواق، والهواء. أما النماذج الحاسوبية فهي تكمل هذه البيانات من خلال تحليل فروق الضغط وأنماط تدفّق الهواء الدوّار على مقاييس دقيقة جدًّا. فهي تحدّد النقاط التي تبلغ فيها الاضطرابات أشدها عند مواضع اتصال الحواف بالأطواق، وتبيّن كيف تؤثّر تغييرات أشكال الحواف في «السحابة الخلفية» (Wake) الناتجة خلف العجلة. وتعتمد كبرى شركات مكوّنات الدراجات الهوائية على هاتين الطريقتين خلال دورات تطوير منتجاتها، حيث تُجري تعديلات على التصاميم بشكل أسرع مع الحفاظ في الوقت نفسه على متانة كافية لتحمل ظروف القيادة الفعلية. وبموجب دراسات حديثة (مجلة الهندسة الميكانيكية، ٢٠٢٣)، فإن أفضل الشركات تحقّق توافقًا بين نماذجها الحاسوبية ونتائج اختبارات أنفاق الرياح بنسبة تصل إلى نحو ٣٪. وهذا التوافق الوثيق يعني أن أي تحسينات تُلاحظ في المختبر تظهر فعليًّا على شكل انخفاض في مقاومة الهواء عندما يقود راكبو الدراجات على الطرق.

قسم الأسئلة الشائعة

• ما هو انفصال الدوامات في صفوف الأشواك الدوارة؟ يشير انفصال الدوامات إلى المناطق المتناوبة ذات الضغط العالي والمنخفض الناتجة عن حركة الأشواك، مما يؤدي إلى مقاومة نابضة ويؤثر على الأداء الهوائي للعجلة.
• كيف تؤثر الأشواك ذات الشفرات على أداء ركوب الدراجات؟ تقلل الأشواك ذات الشفرات من المقاومة من خلال تشكيل أشكال أكثر انسيابية تساعد في الحفاظ على التصاق تدفق الهواء، ما يُنتج استقرارًا أعلى عند زوايا الرياح الجانبية (yaw)، لكنها تتطلب تنازلًا يتمثل في انخفاض الصلابة الجانبية.
• ما الفوائد التي توفرها التصاميم الهجينة للأشواك البيضاوية ذات الشفرات؟ توفر التصاميم الهجينة توازنًا بين خفض تغير المقاومة، والكفاءة الهوائية، والمرونة مع معايير السلامة الصادرة عن الاتحاد الدولي للدراجات (UCI)، وذلك عبر دمج أقسام بيضاوية وشفرات متدرجة.
• لماذا تُعد الاختبارات في نفق الرياح ضرورية لدراسة الديناميكا الهوائية للأشواك؟ توفر اختبارات نفق الرياح بيانات واقعية حول المقاومة التي تواجهها العجلات عالية الأداء في ظل ظروف رياح مختلفة، مما يمكّن من تقييم دقيق وتحسين تصاميم الأشواك.
• هل تتمتع العجلات عالية الأداء ذات عدد الأشواك الأقل بمزايا؟ يقلل عدد أقل من الحواف من العطالة الدورانية، مما يعزز التسارع، لكنه يتطلب زوايا فرعية دقيقة للحفاظ على تدفق الهواء السلس ومنع تشكل دوامات قوية.