Aerodynamika samochodu – to warto wiedzieć

Mówiąc o aerodynamice auta często słyszy się wyłącznie pojęcie współczynnik oporu powietrza. Ale tak naprawdę daje on informacje tylko o tym, jak bardzo opływowe jest nadwozie danego modelu. Aerodynamika samochodu jest jednak znacznie bardziej skomplikowana.

Patrząc na współczesne samochody aż dziw bierze, jak bardzo ich nadwozia zmieniły się w ciągu ostatnich dziesięcioleci. O ile w latach osiemdziesiątych XX wieku były one proste i pudełkowate, o tyle dziś stały się bardzo smukłe.

To sprawiło, że tylko zyskały. Dzięki odpowiednio opracowanej aerodynamice współczesne auta zużywają mniej paliwa (elektryczne – prądu), a modele sportowe – lepiej prowadzą się nie tylko na prostej, ale i w zakrętach.

Czym jest aerodynamika?

Aerodynamika to w największym skrócie badanie przepływu powietrza wokół poruszającego się obiektu. W naszym przypadku takim obiektem jest samochód (TUTAJ poznasz różnicę między hydraulicznym i elektrycznym wspomaganiem kierownicy).

W dawnych czasach, gdy auta były powolne, wpływ aerodynamiki na nie był niemalże nieistotny. Jednak, gdy do tego równania dodano wysoką prędkość, interakcja pomiędzy przepływem powietrza a samochodem stała się już znacznie bardziej wyraźna.

W rzeczywistości cała teoria aerodynamiki samochodu opiera się na dwóch kluczowych aspektach, które wzajemnie na siebie oddziałują. Są to opór powietrza i siła unoszenia.

Opór powietrza

Opór to w zasadzie przeciwna siła generowana przez poruszający się samochód. Wywołuje ją powietrze, które powoduje tarcie. Z tego względu konstrukcja samochodu i prędkość odgrywają tutaj istotną rolę (TUTAJ poznasz Hyunadaia Genesia Coupe).

Wzór na siłę oporu powietrza

Opór powietrza = Cd x A x 0.5ρ x V2

Przy czym:

Cd = współczynnik oporu samochodu, często obliczany doświadczalnie
A = powierzchnia czołowa samochodu
ρ = gęstość powietrza
V = prędkość samochodu

Z równania wynika, że współczynnik oporu, prędkość i powierzchnia czołowa samochodu są głównymi czynnikami wpływającymi na siłę oporu. Ponieważ rośnie ona wraz z prędkością, staje się ważnym czynnikiem w szybkich autach. Czyli tak naprawdę praktycznie w każdym współczesnym samochodzie.

Unoszenie

Unoszenie jest szczególnie dużym problemem w samochodach wyścigowych. Kiedy prowadzisz go z dużą prędkością, często napotykasz problemy związane z jego kontrolą. Dzieje się tak ze względu na pionową siłę generowaną od podłoża.

W tym miejscu do gry wchodzi aerodynamika. Dzięki odpowiednim rozwiązaniom z jej dziedziny, auto wytwarza siłę skierowaną w dół, co ma zwiększyć jego przyczepność i stabilność podczas pokonywania zakrętów z dużymi prędkościami.

Niestety, siła dociska tworzy również opór, który negatywnie wpływa np. na zużycie paliwa. Dlatego niezbędny jest kompromis pomiędzy dociskiem, a oporem powietrza, wytwarzanym przez samochód (TUTAJ znajdziesz zestawienie szybkości bolidu F1 na tle innych aut).

Wzór na siłę nośną

Siłę nośną oblicza się tak samo jak siłę oporu. Różnica polega na tym, że zamiast współczynnika oporu wykorzystuje się tutaj współczynnik siły nośnej.

Siła nośna = Cl x A x 0.5ρ x V2

Przyczyny powstawania siły nośnej i oporu powietrza

Aby zrozumieć powód powstawania tych przeciwdziałających sobie sił, należy wprowadzić kolejną zmienną. Jest nią ciśnienie powietrza.

Kiedy samochód się porusza, powietrze tworzy strefę wysokiego ciśnienia z przodu i strefę niskiego ciśnienia z tyłu. Przednia część auta blokuje drogę powietrza, przez co powstaje siłą pchająca. Zjawisko to określane jest również jako opór ciśnieniowy.

W przypadku siły nośnej, jest ona generowana z powodu różnicy pomiędzy ciśnieniem powietrza na górze i na dole samochodu. W związku z tym, gdy samochód porusza się szybciej, siła nośna wzrasta.

Przeciwdziałanie siłom oporu i unoszenia

Nie będziemy wchodzić w szczegóły, jak zmiany konstrukcyjne wpływają na opór i siłę nośną. W skrócie, wszystko polega na regulacji ciśnienia powietrza poprzez zmianę jego kierunku. Oczywiście, aerodynamika samochodu jest znacznie ważniejsza w przypadku modeli rozwijających bardzo wysokie prędkości niż w zwyczajnych autach codziennego użytku.

Metody, jakimi projektanci starają się zmniejszyć współczynnik oporu powietrza i unoszenie samochodu:

• dukty powietrzne – zmniejszają siłę oporu i zwiększają siłę docisku, jednocześnie pozwalając powietrzu na chłodzenie silnika
• płyty pod podłogą – poprawiają przepływ powietrza pod samochodem, zmniejszając ciśnienie powietrza i turbulencje
• dyfuzor – umożliwia łagodniejszy przepływ powietrza pod samochodem
• boczne fartuchy – blokują drogę wysokiego ciśnienia do obszaru niskiego ciśnienia pod samochodem, zwiększając tym samym siłę docisku
• spojlery – poprawiają przepływ powierza, zwiększając siłę docisku samochodu