هنر عبور از پیچ‌های مرگبار؛ رانندگان فرمول ۱ چطور با سرعت جنون‌آمیزی می‌پیچند؟

به‌طور حتم با تماشای مسابقات فرمول وان و سرعت بسیار بالای اتومبیل‌ها، به‌ویژه در پیچ‌های بسیار تند شگفت‌زده شده‌اید. در مسابقات فرمول وان، هدف راننده آن است که با بیشترین سرعت ممکن، پیچ‌ها را پشتِ سر بگذارد. برای انجام این کار، آن‌ها باید به بهترین شکل ممکن از مسیر استفاده کنند.

در مسابقات فرمول وان، نحوه‌ی گذشتن از پیچ‌ها، راننده‌ها را از هم متمایز می‌کند. چگونگیِ مدیریت سرعت در ورود به پیچ، حفظ تعادل در میانه‌ی پیچ و شتاب‌گیری قدرتمند در خروج از آن، عوامل کلیدی هنگام عبور از پیچ هستند.

اما این رانندگان چطور می‌توانند پیچ‌های سهمگین را به سلامت پشت سر بگذارند؟ پاسخ این سؤال به ترکیب شگفت‌انگیزی از فیزیک، تجربه و هنر رانندگی برمی‌گردد.

فرض کنید راننده‌ی F1 به پیچی به سمت چپ نزدیک می‌شود. او برای عبور از پیچ ابتدا به سمت راست مسیر می‌رود. دلیل این کار آن است که راننده با ایجاد فضای بیشتر، می‌تواند خطی مستقیم‌تر و نرم‌تر برای پیچیدن به چپ ایجاد کند. این کار به او اجازه می‌دهد سرعت خود را در پیچ حفظ کند و با کمترین کاهش سرعت، پیچ مورد نظر را پشت سر بگذارد.

راننده‌ها از این روش در پیچ‌های مختلف و حتی پیچ‌ها‌ی بسیار تندی مانند Hairpin که بسیار تنگ و تقریباً به شکل U هستند، استفاده می‌کنند. احتمالاً از هندسه‌ی دبیرستان به یاد دارید که کوتاه‌ترین مسیر بین دو نقطه، یک خط راست است. بنابراین، هنگامی‌ که می‌خواهید از نقطه‌ی A به نقطه‌ی B بروید، از کوتاه‌ترین مسیر که همان خط مستقیم متصل‌کننده‌ی دو نقطه است، می‌گذرید.

حال فرض کنید مسیر مستقیمی بین دو نقطه‌ی A و B وجود ندارد و برای عبور از مسیر مستقیم باید از رودخانه یا هر مسیر دشوار دیگری بگذرید؛ حالتی که اتومبیل‌های مسابقات فرمول وان با آن روبه‌رو می‌شوند.

رانندگان مسابقه‌‌ی فرمول وان، هنگام پیچیدن در مسیری از مسابقه، به‌طور تصادفی این کار را انجام نمی‌دهند، آن‌ها با دقت و براساس اصول علوم تجربی و فیزیک، بهترین مسیر را برای طی کردن پیچ‌ها انتخاب می‌کنند. قوانین فیزیک، مانند نیروی مرکزگرا، اصطکاک و نیروی چسبندگی، بر نحوه‌ی حرکت خودرو در پیچ‌ها تأثیر می‌گذارند. رانندگان باید این قوانین را بشناسند و درک عمیقی از آن‌ها داشته باشند تا بتوانند با حداکثر سرعت از پیچ‌ها عبور کنند.

رانندگان مسابقات فرمول وان در پیست‌های مختلف در سراسر جهان مسابقه می‌دهند و با سرعت‌های بسیار بالا، اغلب بیشتر از ۳۰۰ کیلومتربرساعت، حرکت می‌کنند. هر پیست، مسیر متفاوتی دارد و از پیچ‌های تند و مسیرهای مستقیم طولانی تشکیل شده است.

برد فیلپات (Brad Philpot) یکی از بزرگ‌ترین رانندگان مسابقات فرمول وان که از ۸ سالگی رانندگی می‌کند و به مدت ۱۷ سال است که به افراد مختلف فوت‌وفن‌های رانندگی را در مسابقات اتومبیل‌رانی می‌آموزد، می‌گوید:

من فکر می‌کنم خودروی فرمول وان در زمینه‌ی سرعت عبور از پیچ‌ها، نسبت به تمام خودروهای دیگر برتری دارد.

- برد فیلپات

اتومبیل‌های مسابقات فرمول وان، طراحی بسیار متفاوتی نسبت به اتومبیل‌های معمولی و اتومبیل‌های دیگر مسابقات بزرگ مانند ناسکار (Nascar) دارند. اتومبیل‌های معمولی که در اتوبان‌ها و خیابان‌های شهری و بین‌شهری حرکت می‌کنند، هنگام عبور از پیچ‌های تند، برای جلوگیری از تصادف، سرعت خود را کاهش می‌دهند.

در مسابقات ناسکار، پیست‌های مسابقه معمولاً بیضی‌شکل و متقارن هستند و رانندگان بیشتر در یک جهت حرکت می‌کنند. اما همان‌طور که در تصویر بالا مشاهده می‌کنید، پیست‌های مسابقات فرمول وان بسیار متنوع هستند و از پیچ‌های تند یا پیچ‌های ملایم، تشکیل شده‌اند. در نتیجه، رانندگان فرمول وان برای کسب بهترین نتیجه باید بتوانند با سرعت بالا از این پیچ‌های متنوع عبور کنند.

دنیایی ایدئال را در نظر بگیرید که در آن که خودروها چسبندگی بی‌نهایت داشتند و خطر واژگونی وجود نداشت. در این حالت، هنگام حرکت در پیچ‌ها، کوتاه‌ترین مسیر (داخل پیچ)، همیشه سریع‌ترین مسیر بود. اما در دنیای واقعی، چسبندگی لاستیک‌ها محدود است و هرچه بخواهیم تندوتیزتر پیچ بگیریم و فرمان خودرو را بیشتر به سمت داخل پیچ بچرخانیم، باید سرعتمان را بیشتر کاهش دهیم تا از لغزش خودرو جلوگیری کنیم.

پیچ نشان‌داده‌شده در تصویر زیر را در نظر بگیرید. اگر اتومبیل F1 در امتداد مسیر نقطه‌چین از پیچ عبور کند، راننده برای جلوگیری از لغزش و از دست دادن کنترل، باید سرعت خود را تا جایی که می‌تواند کاهش دهد تا بدون دردسر از پیچ عبور کند.

حال فرض کنید راننده برای عبور از پیچ، به‌جای طی کردن مسیرِ فوق، مسیرِ طولانی‌ترِ تصویر زیر را انتخاب کند. از نظر تئوری، راننده با انتخاب این مسیر با سرعت بیشتری می‌تواند از پیچ عبور کند، اما باید مسیر طولانی‌تری را طی کند.

کدام مسیر بهتر است؟ هیچ‌کدام. ایدئال‌ترین مسیر مسابقه برای گذراندن پیچ تصویر بالا، ترکیبی از دو مسیر نقطه‌چینِ یک و دو است. راننده‌ی F1 برای پیمودن این پیچ می‌تواند ابتدا از مسیر نقطه‌چینِ دو شروع به حرکت کند، سپس با تغییر مسیر هنگام پیچیدن، به مسیرِ نقطه‌چینِ یک برود و در پایان، و پس از عبور از نقطه‌ی اوج (Apex)، بارِ دیگر وارد مسیر نقطه‌چینِ دو شود.

مسیر بالا، مسیری است که راننده می‌تواند با کمترین زاویه و با مسیر نرم‌تری پیچ را طی کند. با طی کردن این مسیر، راننده می‌تواند با سرعت تقریباً زیادی از پیچ بگذرد. برای ورود به هر پیچی، حتی پیچِ ساده‌ی تصویر بالا، راننده‌ی F1 باید ترمز کند. هدف از ترمز، کاهش سرعت خودرو به شکلی کنترل شده است تا راننده با اطمینان بیشتری وارد پیچ شود. در این حالت، راننده با اطمینان بیشتری از نقطه‌ی اوجِ پیچ می‌گذرد.

راننده باید قبل از ورود به پیچ و در مسیر مستقیم، به‌صورت خطی و نرم ترمز کند، زیرا در این حالت لاستیک‌ها بیشینه‌ی اصطکاک را با سطح جاده برقرار می‌کنند. ترمز پس از ورود به پیچ می‌تواند باعث قفل شدن لاستیک‌ها و از دست رفتن کنترل خودرو شود. نقطه‌ی اوج پیچ، قلب یک پیچ است. رانندگان حرفه‌ای با کنترل خودرو در بخش میانی پیچ (قبل از نقطه‌ی اوج)، می‌توانند زمان عبور خود را از پیچ کاهش دهند و در مسابقات موفق‌تر باشند. هنگام رانندگی در یک جاده‌ی پر پیچ‌وخم باید بدانیم کجا به کمترین فاصله از مرکز پیچ یا همان نقطه‌ی اوج می‌رسیم.

تا اینجا، حرکت راننده‌ی مسابقات فرمول وان را برای پیچی با زاویه‌ ۹۰ درجه بررسی کردیم، زیرا با پیچِ ۹۰ درجه به‌راحتی می‌توانیم بهترین مسیر حرکت را توضیح دهیم. اما در بیشتر پیست‌های مسابقه، پیچ‌ها بسیار تندتر از ۹۰ درجه هستند و شکل‌های کاملاً متفاوتی دارند.

پیچ «Stowe» در پیست Silverstone انگلستان یکی از نزدیک‌ترین مثال‌های واقعی از پیچ‌های ۹۰ درجه است؛ اما این پیچ هم تفات‌هایی با پیج ۹۰ درجه در مثال مقاله‌ی ما دارد و طولانی‌تر است. اتومبیل F1 هنگام عبور از نقطه اوجِ پیچِ ۹۰ درجه‌ی فرضی، مسافت کوتاه‌تری را می‌پیماید و مدت زمان کمتری را برای عبور از آن صرف می‌کند؛ اما اوج پیچِ Stowe طولانی‌تر است و اتومبیل برای عبور از آن به مدت زمان بیشتری نیاز دارد. راننده‌ی F1 برای پیمودن این پیچ که شباهت زیادی به پیچ ۹۰ درجه‌ی ایدئال دارد، مسیر ترکیبیِ مسیرهای نقطه‌چینِ یک و دو را می‌پیماید (تصویر بالا).

فراموش نکنید بیشتر پیچ‌ها در مسابقات فرمول وان بسیار چالشی‌تر هستند. هر پیچ را در پیست مسابقه‌ می‌توانیم به‌عنوان بخشی از یک پازل بزرگ‌تر در نظر بگیریم. بنابراین، انتخاب مسیر مناسب برای هر پیچ، فراتر از یک تصمیم آنی است. رانندگان باید کل مسیر را به‌عنوان یک مجموعه در نظر بگیرند و خط مسابقه‌ای را انتخاب کنند که بیشترین بازدهی را برایشان داشته باشد.

این موضوع به معنای پیدا کردن تعادل ظریفی بین سرعت، کنترل و آماده‌سازی برای پیچ‌های بعدی است. به‌عنوان مثال، اگر پس از یک پیچ سریع، یک پیچ تنگ و فنی در انتظار باشد، راننده شاید عمداً سرعت خود را کمی کاهش دهد تا بتواند با اطمینان بیشتری از پیچِ تنگ عبور کند. به بیان دیگر، رانندگان فرمول وان مانند شطرنج‌بازانی هستند که چندین حرکتِ جلوتر را پیش‌بینی می‌کنند.

پیست Silverstone انگلستان را در نظر بگیرید. همان‌طور که در تصویر زیر مشاهده می‌کنید، مسیر این پیست از پیچ‌هایی با شکل‌های مختلف تشکیل شده است.

پیچ بروکلند یکی از آن پیچ‌هایی است که عبور از آن برای رانندگان F1 بسیار چالش‌برانگیز است و پیچ لافیلد، بلافاصله پس از این پیچ شروع می‌شود. به مسیر مسابقه قبل از رسیدن به پیچ بروکلند دقت کنید. راننده‌ی F1 پس از پیمودن مسیری مستقیم و نسبتاً طولانی، با سرعت بسیار زیاد به پیچِ بروکلند (پیچِ چپ) می‌رسد. ویژگی مهم این پیچ آن است که تنگ‌تر و بسته‌تر می‌شود و زاویه‌ی آن به‌تدریج افزایش می‌یابد.

پس از این پیچ، پیچ لافیلد (پیچِ راست) آغاز می‌شود. راننده‌ی F1 پس از عبور از مسیر مستقیم، هنگام نزدیک شدن به پیچِ بروکلند، باید سرعت خود را تنظیم کند و با سرعتِ مناسبی وارد این پیج شود. دلیل این موضوع آن است که پیچِ چالشی‌تر و تنگ‌ترِ لافیلد پس از پیچِ بروکلند قرار دارد. در نتیجه، اگر راننده سرعتش بسیار زیاد باشد، امکان دارد کنترل خودرو را از دست بدهد.

در پیچ‌هایی که به‌تدریج تنگ‌تر می‌شوند، راننده همزمان با ترمز، باید زاویه‌ی فرمان را نیز تغییر دهد تا بهترین خطِ مسیر ممکن را طی کند. معمولاً تصور می‌شود که در پیچ‌هایی مانند بروکلند، باید از خط داخلی به‌سمت بیرون حرکت کرد و سپس به پیچ بازگشت. اما این استراتژی برای پیچ لافیلد که پیچی بسیار طولانی و با زاویه‌ی بیش از ۱۸۰ درجه است، کاربرد ندارد و حرکت به سمت خارجِ پیچ و سپس بازگشت به داخل، مزیت محسوب نمی‌شود، بنابراین باید از ابتدا در خط داخلی باقی ماند.

تلاش برای کاهش سرعت یا تغییر مسیر در پیچ چپ باعث هدر رفتن زمان و مسافت می‌شود. این پیچ‌ها، به‌دلیل طولانی بودن و شرایط خاص، نیازمند استراتژی متفاوتی هستند و تصمیم‌گیری در مورد بهترین خط عبور پیچیده است. برخلاف پیچ‌های استاندارد ۹۰ درجه، در لافیلد باید به‌جای لمسِ یک نقطه‌ی اوج، مسیر داخلی را از ابتدا تا انتها حفظ کرد.

همان‌طور که در تصویر زیر مشاهده می‌کنید، راننده‌های F1 هر کدام راه منحصربه‌فردی برای عبور از این دو پیچ دارند. در حالی‌که راننده‌ی پیشرو تلاش می‌کند از ایدئال‌ترین مسیر استفاده کند، خودرو‌های عقب‌تر پخش شده‌اند و در مسیرهای متفاوتی از پیچ می‌گذرند. دو خودرویی که در فاصله‌ی بسیار نزدیکی نسبت به یکدیگر حرکت می‌کنند، هر لحظه ممکن است با یکدیگر برخورد کنند. برای جلوگیری از وقوع هر حادثه‌ی احتمالی، یکی از راننده‌ها باید از مسیر مسابقه خارج شود. در نتیجه، راننده برای عبور از پیچ‌ها، علاوه بر نکات گفته‌شده، باید به خودروهای دیگر نیز توجه داشته باشد.

همان‌طور که توضیح دادیم، راننده برای عبور از پیچ‌ها باید با سرعت کمتری نسبت به خط مستقیم حرکت کند؛ اما سؤال مهمی می‌تواند مطرح شود: محدودیت سرعت به چه صورت است؟ برای پاسخ به این پرسش، نیروهای وارده بر اتومبیل F1 را هنگام عبور از پیچ‌ها بررسی می‌کنیم.

هر پیچ، بخش کوچکی از یک دایره است، بنابراین بهترین نقطه برای شروع آن است که فرض کنیم اتومبیل F1 به شکل نقطه‌ای به جرم M به‌دور مسیر دایره‌ای (مشابه Nascar) به‌صورت نشان‌داده‌شده در تصویر زیر حرکت می‌کند که در آن می‌توانید جهت نیروی مرکزگرا را مشاهده کنید. جهت این نیرو همواره بر مسیر حرکت اتومبیل عمود است.

نیروی مرکزگرا به کمک رابطه‌ی زیر به‌دست می‌آید که در آن v سرعت حرکت اتومبیل و r شعاع دایره است.

لاستیک‌های اتومبیل این نیرو را ایجاد، اما جنس لاستیک و سطح جاده، بزرگی نیروی مرکزگرا را محدود می‌کنند. اگر راننده با سرعت بالایی حرکت کند، به‌گونه‌ای که مقدار نیروی اصطکاک از بیشینه نیروی اصطکاک ایجادشده توسط لاستیک‌ها، بیشتر شود، اتومبیل کنترل خود را از دست می‌دهد و سر می‌خورد. به نیروی بیشینه‌‌ای که لاستیک‌ها می‌توانند تولید کنند، حد چسبندگی می‌گوییم که مقدار آن را می‌توانیم با استفاده از رابطه‌ی زیر به‌دست آوریم که متناسب با ضریب اصطکاک و جرم اتومبیل است:

بیشترین سرعتی که اتومبیل F1 می‌تواند برای عبور از پیچ داشته باشد، بدون آنکه لیز بخورد یا منحرف شود، از برابر قرار دادن دو معادله‌ی بالا به‌دست می‌آید:

در نتیجه، حداکثر سرعتی که اتومبیل می‌تواند بدون انحراف از پیچ، از آن عبور کند، به شعاع پیچ و ضریب اصطکاک بین لاستیک‌ها و مسیر مسابقه وابسته است.

پیچ‌ها قلبِ تپنده‌ی مسابقات فرمول وان هستند. رانندگان حرفه‌ای این مسابقات هنگام عبور از پیچ‌ها، نه‌تنها سرعت خود را حفظ می‌کنند، بلکه باید بر رقبا نیز غلبه کنند. انتخاب مسیر مناسب در پیچ، ترکیبی از علم فیزیک، تجربه و هنر رانندگی است. از یک سو، قوانین فیزیک مانند نیروی مرکزگرا و نیروی اصطکاک، چگونگی حرکت خودرو را در پیچ تعیین می‌کنند. از سوی دیگر، راننده با استفاده از تجربه و درک عمیقی که از خودرو و پیست دارد، بهترین مسیر را برای عبور از پیچ انتخاب می‌کند.