در این مقاله از آیرودینامیک خودرو و هر آنچه درباره آن باید بدانید مانند ضریب درگ و تونل باد و … گفته شده است.
بیت ران – تصور کنید که با سرعت ۱۰۰ کیلومتربرساعت با خودروی خود به دیواری آجری برخورد کنید.
مسلماً بدنه فلزی خودرو به شدت آسیب میبیند و شیشه جلوی خودرو نیز خرد میشود و ایربگها باز میشوند.
اما حتی با داشتن چنین امکانات ایمنی که ما در خودروهای مدرن داریم، از این برخورد میتوان به عنوان تصادفی سخت یادکرد.
خودروها برای حرکت در دیواری آجری طراحی نشدهاند.
اما دیوار دیگری وجود دارد که خودروها از بدو ورود برای حرکت در آن طراحیشدهاند؛ دیواری از هوا که در برابر حرکت خودرو در سرعتهای بالا از خود مقاومت نشان میدهد.
در سرعتهای پایین و هنگامی که باد چندانی نمیوزد، بسیار دشوار میتوان به تعامل هوا و وسایل نقلیه پی برد.
اما در سرعت های بالا و در هنگام وزش باد، مقاومت هوا تأثیر بسیاری بر شتابگیری خودرو، کنترل آن و مصرف سوخت خواهد داشت.
این مقاومت هوا که بر وسیلهای که در آن حرکت میکند وارد میشود را بهعنوان نیروی درگ میشناسند.
توسعه راه های بسیار برای رسیدن به نتیجه مطلوب
در این مرحله است که دانش آیرودینامیک وارد عمل میشود.
آیرودینامیک میتواند دانش مطالعه نیروها و نتایج حاصل از حرکت اجسام در هوا دانست.
برای چندین دهه است که خودروها با دیدگاه آیرودینامیکی طراحی میشوند و خودروسازها با به کارگیری نوآوریهای متعدد، حرکت خودرو از میان این دیوار هوایی را آسانتر کردهاند.
به ویژه در طراحیهایی که جریان هوا از قسمتهای مختلف خودرو عبور میکند، مقاومت هوا در شتاب گیری وسیله کمتر میشود.
درنتیجه مصرف سوخت نیز بهبود پیدا م کند.
زیرا موتور در شرایط عملکردی مناسب تری فعالیت میکند و دیگر نیازی نیست تا با حداکثر توان به تولید نیروی لازم برای حرکت خودرو بپردازد.
مهندسان برای رسیدن به چنین نتایجی، روشهای بسیاری را توسعه داده اند.
برای نمونه طراحی کروی تر خودروها و ادوات خارجی آن سبب میشود تا مقاومت هوای عبوری به کمترین مقدار خود برسد.
در خودروهای با عملکرد بالاتر، حتی بخش هایی برای عبور هوا از بخش زیرین خودرو تعبیهشده است.
همچنین در پاره ای از خودروها از اسپویلر (بالچه عقب) برای از بین بردن نیروی لیفت وارد بر خودرو که باعث ناپایداری آن در سرعتهای بالا می شود، استفاده می کنند.
دانش آیرودینامیک
قبل از پرداختن به این موضوع که آیرودینامیک چگونه به صورت کاربردی در خودروها اعمال میشود، به بیان فیزیکی این علم می پردازیم.
با حرکت کردن هر جسمی در اتمسفر، ذرات هوای اطراف آن جابجا میشوند.
این اتفاق تحت تأثیر نیروی جاذبه و درگ رخ میدهد.
هنگامی که یک جسم سخت از درون یک جسم مایع مانند آب یا هوا عبور میکند، نیروی درگ به وجود میآید.
این نیرو با سرعت جسم متناسب است و با افزایش سرعت مقدار آن نیز افزایش پیدا می کند.
برای اندازه گیری حرکت اجسام از قوانین نیوتن استفاده میشود.
در این قوانین المان هایی نظیر جرم، سرعت، وزن، نیروهای خارجی و شتاب در نیروی درگ وجود دارند که بر شتاب گیری جسم تأثیر مستقیم دارند.
شتاب طبق رابطهی F=ma به دست میآید که در اینجا F از تفاضل بین نیروهای وزن و درگ به دست میآید.
با شتاب گرفتن جسم، سرعت و نیروی درگ نیز افزایش پیدا می کنند.
افزایش نیروی درگ تا زمانی ادامه خواهد داشت که این نیرو با نیروی وزن جسم برابر شود.
در این حالت شتاب جسم به صفر میرسد و جسم با سرعت ثابت به حرکت خود ادامه می دهد.
این گزاره به این معناست که هرچه خودرو سریع تر حرکت میکند، مقاومت هوا نیز بیشتر می شود.
افزایش مقاومت هوا باعث محدودیت در شتابگیری وسیله و رسیدن به سرعتهای خاص می شود.
چگونه تمام این المانها در طراحی خودرو در نظر گرفته میشوند؟
بگذارید ابتدا به تعریف یک عدد بسیار مهم به نام ضریب درگ بپردازیم.
ضریب درگ درواقع یکی از فاکتورهای اصلی برای بررسی حرکت جسم در هوا است.
ضریب درگ (Cd) طبق رابطهی زیر محاسبه میشود:
(Cd=D/(A*0.5*rho*V^2
در این رابطه D نیروی درگ، A مساحت جسم، rho چگالی هوا و V سرعت جسم است.
اما این پرسش پیش میآید که طراحان خودرو چه ضریب درگی را در طراحیهای آیرودینامیک خود در نظر میگیرند؟
ضریب درگ
تا به اینجا آموختیم که ضریب درگ تصویری از مقاومت هوای اندازه گیری شده در برابر یک جسم را به ما نشان میدهد.
حال تصور کنید که چه مقدار نیرو در برابر خودرو در حین حرکت آن در جاده به وجود میآید.
در سرعت ۱۰۰ کیلومتربرساعت، نیروی درگ وارد بر خودرو ۴ برابر نیروی وارد بر آن در سرعت ۵۰ کیلومتر بر ساعت است.
ویژگی های آیرودینامیکی یک خودرو ابزارهایی برای رسیدن به ضریب درگ کمتر هستند.
به هر میزان که ضریب درگ کمتر باشد، خودرو آیرودینامیک تر است و راحت تر میتواند از دیوار هوا عبور کند.
حال نگاهی به تعدادی از خودروها و ضریب درگ آنها می اندازیم.
خودروهای جعبه مانند ولوو در دهه ۷۰ تا ۸۰ میلادی را در نظر بگیرید.
مدل سدان ۹۶۰ ولوو ضریب درگی معادل ۰.۳۶ داشته است.
مدل های جدیدتر و امروزی ولوو که طراحی صیقلی و منحنی شکلی دارند مانند سدان S90 ضریب درگ ۰.۲۸ دارد.
این اعداد حقیقتی را اثبات میکند؛ هرچه خودرو طراحی صیقلی تر و منحنی تری داشته باشد، آیرودینامیک تر از خودروهای جعبه مانند اولیه میشود.
اما دلیل این اتفاق چیست؟
ولوو S90 مدل ۲۰۱۷
الهام از اشک
برای درک این مسئله به آیرودینامیک ترین شیء موجود در طبیعت یعنی قطره اشک، نگاهی میاندازیم.
قطره اشک سطحی صاف و منحنی و مخروطی شکلی دارد و هوا بهآرامی تا هنگامی که اشک به زمین میرسد، از کنار آن عبور میکند.
در خودروها نیز این پدیده صادق است.
به هر میزان که طراحی خودرو منحنی شکل و صاف باشد، جریان هوا آرام تر از کنار آن عبور میکند و مقاومت هوا کاهش می یابد.
امروزه بیشتر خودروها ضریب درگی معادل ۰.۳ دارند.
خودروهای اس یو وی (SUV) که به دلیل ویژگیهای خاصی که دارند، ظاهری جعبه مانند دارند و ضریب درگی بین ۰.۳ تا ۰.۴ یا بیشتر دارند.
بهعنوانمثال در تویوتا پریوس، ظاهر منحصربهفرد آن به دلیل طراحی آیرودینامیکی خاص آن است.
در کنار سایر فاکتورهای عملکردی، تویوتا پریوس ضریب درگ ۰.۲۶ دارد تا بتواند مسافتهای بالایی را طی کند.
درواقع به ازای هر ۰.۰۱ کاهش ضریب درگ حدود ۰.۰۹ کیلومتر به ازای مصرف هر لیتر سوخت به شعاع حرکتی پریوس افزوده میشود.
تاریخچه طراحی آیرودینامیک خودرو
باوجوداینکه دانشمندان کم و بیش از فاکتورهایی که باعث آیرودینامیک شدن طراحیها میشد آگاه بودند، اما اجرا کردن این اصول روی طراحی خودروها مدتزمان زیادی به طول انجامید.
در خودروهای اولیه تقریبا هیچچیز آیرودینامیکی نبود.
برای نمونه محصول اولیه فورد بانام مدل T با طراحی جعبه شکلی که داشت همانند یک کالسکه بدون اسب بود.
بسیاری از این خودروهای اولیه نیاز چندانی به ابزارهای آیرودینامیکی نداشتند زیرا نسبتاً بسیار آهسته حرکت میکردند.
با این حال، خودروهای مسابقهای در اوایل سال ۱۹۰۰ میلادی، طراحی مخروطی شکل و ویژگیهای اولیه آیرودینامیکی داشتند.
فورد مدل T، ساخت ۱۹۰۸
در سال ۱۹۲۱، اِدموند رامپِلر، مخترع آلمانی، خودرویی با طراحی مخروطی شکل با نام رامپلر-تروپفِن آتو را تولید کرد.
این خودرو که بر اساس آیرودینامیک ترین شکل در طبیعت طراحیشده است، ضریب درگ معادل ۰.۲۷ داشت.
اما ظاهر منحصربه فرد آن مورد توجه عموم قرار نگرفت و تنها ۱۰۰ دستگاه از این خودرو ساخته شد.
رامپلر-تروپفِن آتو
ظاهر غیرمتعارف خودروهای قدیمی با آیرودینامیک مناسب
در آمریکا اما یکی از بزرگ ترین شرکتها در طراحی آیرودینامیکی با طرح کرایسلر ایرفلو در سال ۱۹۳۰ به میدان آمد.
این طرح که با الهام از پرواز پرندگان طراحیشده بود، یکی از اولین خودروهای با طراحی اولیه آیرودینامیکی بود.
علاوه بر این خودرو با تکنیکهای خاص ساختمانی و توزیع وزن تقریبی ۵۰-۵۰ به بازار عرضه شد.
اما همانند طرح آلمانی این خودرو نیز به دلیل ظاهر غیرمتعارفی که داشت، مورد اقبال عمومی قرار نگرفت.
کرایسلر ایرفلو
در دهه های ۵۰ تا ۶۰ میلادی، پیشرفت ها در آیرودینامیک خودرو آغاز شد.
مهندسان با آزمایش تجربی طراحی های مختلف پی بردند که با استفاده از ابزارهایی می توانند به سرعت های بالاتر و پایداری بهتری در خودروهای مسابقهای دست یابند.
ابزارهایی مانند اسپویلرهای جلو و عقب، دماغه بیلچه مانند و استفاده از کیت های مورداستفاده در هواپیماها، در طراحی خودروها استفاده شدند.
اما این طرحها با تولید جدید آئودی بانام Audi 100 در سال ۱۹۸۰ میلادی وارد بازار خودروهای تجاری شد.
و امروزه به صورت گسترده از این ابزارها در تولید خودروها استفاده می شود.
اندازهگیری درگ با استفاده از تونل باد
برای اندازه گیری راندمان آیرودینامیکی یک خودرو در شرایط واقعی، مهندسان از ابزاری مشابه که در صنایع هواپیماسازی استفاده میشود، استفاده میکنند.
این ابزار تونل باد نام دارد.
تونل باد اساساً هندسه لوله شکل بزرگی دارد که یک فن باعث ایجاد جریان هوا در آن میشود.
مهندسان با قرار دادن جسم موردنظر که در اینجا خودرو است در تونل باد، به اندازهگیری مقاومت هوا میپردازند.
هواپیما یا خودرویی که در تونل باد قرار دارد در جای خود ثابت است و باد با سرعتهای مختلف برای شبیه سازی شرایط واقعی بهوسیله فن تولید میشود.
در پاره ای از موارد حتی از مدل واقعی خودرو برای انجام آزمایش های تونل باد استفاده نمیشود و از مدل با ابعاد واقعی این خودرو برای بررسی جریان هوا استفاده میشود.
با عبور هوا از روی خودرو، کامپیوترها بهاندازه گیری ضریب درگ می پردازند.
آزمایش تونل باد مرسدسبنز– برای آشکارسازی جریان هوا از دود استفاده میکنند
آزمایش تونل باد پاگانی زوندا
افزونههای آیرودینامیکی
علاوه بر نیروی درگ در دانش آیرودینامیکی نیروهای دیگری نیز وجود دارند.
نیروی لیفت (Lift) و دان فورس (Downforce) ازجمله این نیروها هستند.
نیروی لیفت در جهت مخالف نیروی وزن و به سمت بالا به جسم اعمال میشود.
از طرفی نیروی دانفورس (نیروی عمود بر سطح) در جهت نیروی وزن وارد میشود و باعث چسبندگی بیشتر وسیله به سطح زمین میشود.
ممکن است فکر کنید که خودروهای مسابقات فرمول ۱ به دلیل سرعت بسیار بالایی که دارند، کمترین ضریب درگ را داشته باشند.
اما درواقع یک خودروی فرمول ۱ معمولی، ضریب درگی معادل ۰.۷ دارد.
چگونه خودروهای فرمول وان میتوانند با سرعتی بیشتر از ۳۰۰ کیلومتر بر ساعت حرکت کنند؟
این توانایی در خودروهای مسابقه ای به دلیل وجود نیروی دانفورسی است که تولید میکنند.
با توجه به سرعتی که این خودروها دارند و همچنین وزن بسیار پایین آنها، در سرعتهای خاصی نیروی لیفت به آنها وارد میشود که میتواند آنها را همانند هواپیما از زمین بلند کند.
به این منظور نیروی دانفورس باید به بیشترین مقدار خود برسد تا خودرو در سرعتهای بالا چسبندگی خود به جاده را حفظ کند.
در این شرایط حفظ چسبندگی تنها با افزایش ضریب درگ به مقدار لازم ممکن است.
یک خودروی مدرن فرمول یک نیروی دان فورسی برابر با ۳.۵ برابر نیروی جاذبه زمین تولید میکند.
این مقدار نیروی دان فورس این قابلیت را ایجاد میکند که خودرو به راحتی و به صورت وارونه روی سقف یک تونل حرکت کند.
در خودروهای فرمول یک، ۶۰ درصد نیروی دان فورس لازم را از طریق اسپویلرهای نصبشده در جلو و عقب خودرو تأمین می کنند.
این باله ها با تغییر مسیر جریان هوا موجب تأمین نیروی لازم برای چسبندگی بیشتر خودرو به جاده و پشت سر گذاشتن پیچها با سرعت بالاتر، میشوند.
اما در مسیرهای مستقیم باید تعادل نیرویی بین لیفت و دانفورس وجود داشته باشد تا خودرو بتواند بهسرعت مطلوب دست یابد.
اسپویلر جلو
اسپویلر عقب
فناوری فرمول وان در خودرو سواری
فناوری های استفادهشده در مسابقات فرمول یک، به تدریج به شرکت های تولیدکننده خودرو منتقل شد.
اکثر خودروهای تولیدی امروزی از افزونه های آیرودینامیکی برای تولید دانفروس استفاده میکنند.
برای نمونه در نیسان GT-R با وجود انتقادهایی که از سوی منتقدان به طراحی این خودرو وارد شد، تمامی بدنه خودرو به نحوی طراحیشده بود تا کانالهای هوایی عبوری از بدنه را به سمت انتهای بیضیشکل خودرو و اسپویلر عقب آن هدایت کند.
با این طراحی به دنبال این بودند تا نیروی دانفورس موردنیاز تأمین شود.
همچنین از فناوری که آن را با نام آیرودینامیک فعال میشناسند، بهطور گسترده در خودروهای اسپرت و سوپر اسپرت استفاده می شود.
در ادامه به نمونههایی از این فناوری ها نگاهی می اندازیم.
شرکت BMW
شرکت بی ام و در طی برنامه بهبود عملکرد خودروهای خود به طور گسترده از قابلیت های آیرودینامیکی استفاده کرده است.
در ادامه به تعدادی از آن ها اشاره می کنیم.
اسپویلر عقب هوشمند
در سرعت ۱۱۰ کیلومتر بر ساعت، اسپویلر عقب به صورت هوشمند بالا میآید.
این تغییر وضعیت باعث کاهش نیروی درگ و لیفت و بهبود فرمان پذیری خودرو در جاده میشود.
در سرعت ۷۰ کیلومتر بر ساعت، این اسپویلر به صورت خودکار جمع میشود.
ایر بریزِر
ایر بریزر که درواقع کانال خروجی هوا در چرخهای جلو است.
با استفاده از ایر بریزر با افزایش شتاب و سرعت خودرو مقاومت هوا تغییر چندانی نمیکند.
زیرا این کانال خروجی باعث کاهش جریان آشفته هوا و همچنین خروج جریان چرخشی هوا در گلگیر و زیر گلگیر خودرو می شود.
ایر کارتِین
هنگامیکه شما خودروی خود را کنترل میکنید، ایر کارتین با کاهش مقاومت هوا با راهحلی ساده اما کاربردی، جریان هوا را برای شما کنترل میکند.
ایر کارتین یک کانال باریک هوایی است که به جریان هوا و و هدایت آن برای عبور از چرخها سرعت می دهد.
این امر باعث کاهش جریان آشفته (Turbulence) در گلگیر و زیر گلگیر خودرو و کاهش نیروی درگ وارد بر بدنه می شود.
همچنین کاهش Turbulence باعث کاهش مصرف سوخت و انتشار گاز کربن دیاکسید می شود.
ورودیهای هوای هوشمند در جلوپنجره ها
دریچه های تعبیهشده در جلوپنجره در حالتی که نیازی به ورود هوا نیست بسته هستند.
سیستم در هنگامیکه پیشران، ترمزها و سایر قطعات خودرو به هوا نیاز دارند، دریچههای را باز می کند.
این عمل موجب افزایش عملکرد آیرودینامیکی خودرو و کاهش مصرف سوخت آن می شود.
رینگهای آیرودینامیکی
رینگ های آیرودینامیک با بهبود جریان عبوری از کنار چرخها، باعث بهبود عملکرد آیرودینامیکی خودرو می شود.
در طراحی این رینگ ها از پره های توربین موتورهای هوایی الهام گرفته شده است.
شرکت Bugati
ابر خودروی بوگاتی شیرون باقدرت ۱۵۰۰ اسب بخاری و سرعت بسیار بالایی که دارد بهشدت نیازمند سیستمی برای خنک کاری موتور و بهبود هندلینگ آن در سرعتهای بالا است.
بنابراین با روش هایی که در ادامه می بینید این نیاز خود را برطرف کردهاند:
جریان هوای عبوری از قسمت جلویی بوگاتی شیرون
جریان هوای عبوری از قسمت انتهایی بوگاتی شیرون
شرکت Porsche
این شرکت نیز در پورشه ۹۱۸ از آیرودینامیک فعال به فراوانی استفاده کرده است.
ازجمله آن می توان به کنترل دریچه های ورودی جلو، اسپویلر عقب و صفحه های متحرک در زیر خودرو اشاره کرد.
مطالب بیان شده تنها بخشی از اقدامات انجام شده در دنیای خودرو است.
با نگاهی به اطراف، تاثیرات دانش آیرودینامیک بر تمامی بخشهای زندگی را می توانیم مشاهده کنیم.
بیشتر بخوانید:
خودرو و مقاومت هوا ؛ تست خودرو در تونل باد چه تاثیری بر پایداری دارد؟
تکنولوژی اتومبیل های مسابقه ای در خودروهای شهری را بشناسید
هندلینگ خودرو چیست و چه تفاوتی با کیفیت سواری دارد؟
آیرودینامیک خودروهای رالی چه راهی برای تکامل طی کرد؟
منبع: زومیت