Choć dziś ma znaczenie fundamentalne, to historycznie była dziedziną najbardziej zaniedbaną przez przemysł motoryzacyjny. Mowa tu oczywiście o aerodynamice. Trudno uwierzyć, że wcześniej powstał samochód elektryczny niż taki, który uwzględniał opór powietrza, ale to prawda.

W miarę jak pojazdy stawały się coraz szybsze, ignorowanie tej gałęzi fizyki zaczęło nastręczać problemów. W tym artykule poruszamy temat aerodynamiki, jej rozwoju i wpływu na przemysł motoryzacyjny.

Dlaczego musimy pokonać powietrze?

Choć nie jesteśmy w stanie dostrzec powietrza gołym okiem, to przestrzeń wokół nas nigdy nie jest pusta. Powietrze, którym oddychamy, składa się z atomów (głównie azotu i tlenu) i ich wiązań, tak jak całość materii. Powietrze – tak jak woda dla ryb – jest medium, w którym się poruszamy. Nasz samochód ma przed sobą cząsteczki, które musi „wypchnąć” ze swojej drogi. Wielkość oporu zależy od siły potrzebnej do wykonania tego zadania przy danej prędkości.

Siła F_D  zależy od następujących czynników:

• Gęstość ośrodka (ρ)
• Prędkość pojazdu względem ośrodka (v)
• Współczynnik kształtu (C_D )
• Powierzchnia czołowa prostopadła do kierunku jazdy (A)

Producentom pojazdów trudno jest cokolwiek zrobić z pierwszymi dwoma parametrami: gęstości powietrza nie da się zmienić, a prędkość na drodze regulują władze. Należy jednak zauważyć, że opór wzrasta czterokrotnie wraz ze wzrostem prędkości. W związku z tym gwałtowne przyspieszanie nie jest dobrą taktyką.

Pozostałe dwa czynniki dały jednak przemysłowi samochodowemu możliwość wykorzystania kształtu i wielkości nadwozia w celu zapewnienia pojazdowi lepszych właściwości jezdnych. Powierzchnia czołowa pojazdu daje mniejszą swobodę projektantom, ale zasada jest jasna: im mniejsza powierzchnia z przodu, tym niższy współczynnik oporu powietrza.

Zupełnie inaczej wygląda sytuacja w przypadku współczynnika kształtu czy współczynnika oporu. Poniższy rysunek pokazuje w uproszczeniu, jak dobrze przedmiot o danym kształcie przemieszcza się przez medium. Im wyższy współczynnik tym większe ryzyko wywołania przepływu turbulentego, nielaminarnego.

Obserwując uważnie powyższe przedmioty, możemy zauważyć, że dla oporu liczy się nie tylko wlot, ale również wylot powietrza – obrócenie sześcianu nie zmienia co prawda jego właściwości, ale zmienia sposób, w jaki styka się on z powietrzem, przez co jego współczynnik oporu może ulec zmianie.

Znalezienie idealnego pod względem aerodynamicznym kształtu jest znacznie łatwiejsze niż mogłoby się wydawać. Odpowiedź podała nam bowiem matka natura.

Kiedy woda spada na ziemię w postaci deszczu, napotyka również opór powietrza. Jednak w postaci płynnej może przyjąć dowolny kształt, dzięki czemu może poruszać się swobodniej. W ten sposób powstał idealny pod względem aerodynamicznym kształt – kształt kropli.

Praktyczne wdrożenia zasad aerodynamiki

Oczywiście w przypadku samochodu osobowego należy wziąć pod uwagę o wiele więcej aspektów, ale ten kształt do dziś jest wiodącą zasadą w projektowaniu nadwozia.

Wiele osób zapewne pamięta legendarnego „Garbusa” jako pioniera aerodynamiki. W rzeczywistości nie był to pierwszy samochód osobowy, który został zbudowany z myślą o aerodynamice.

Tatra eksperymentowała z opływowymi samochodami już od początku lat 30-tych, z pomocą Pála Járaya, który projektował sterowce w stylu Zeppelina. Topowym modelem marki był wówczas model 87, wprowadzony w 1936 roku i przeznaczony na dobre niemieckie autostrady (współczynnik oporu 0,36).

Jego silnik V8 o pojemności 2,9 litra dawał moc 85 KM i rozpędzał się maksymalnie do 160 km/h, co jak na tamte czasy było dobrym wynikiem. Dzięki opływowemu kształtowi auto zużywało o połowę mniej paliwa niż standardowy ówczesny samochód – 12,5 litra na 100 kilometrów.

Jednak idealny kształt kropli ma swoje wady. Zbyt długie nadwozie jest mniej praktyczne przy ciasnych zakrętach i parkowaniu, a dodatkowa dostępna przestrzeń może być wykorzystana tylko częściowo.

Choć Alfa Romeo Giulia z lat 60. ma kanciasty wygląd, była jednym z najlepszych modeli produkcyjnych lat 60. pod względem aerodynamiki (współczynnik 0,33). Inżynier Wunibald Kamm udowodnił, że ostro ścięty tył również może być dobrym pomysłem, ponieważ zmniejsza ryzyko turbulencji. Alfa Romeo zastosowało taki kształt w swoich samochodach wyścigowych, a także w modelach drogowych, a Giulia osiągnęła niesamowite rezultaty.

Jeśli chodzi o aerodynamikę, to na pewno powinniśmy pamiętać o Oplu Calibrze.

Sportowe coupé Opla, wprowadzone na rynek w 1989 roku, miało już styl lat dziewięćdziesiątych. Elegancki dwudrzwiowy samochód z wąskimi reflektorami i grillem był bardzo aerodynamiczny, a jego zakrzywiona linia dachu i zagłębione progi pozwoliły uzyskać współczynnik oporu powietrza równy 0,26 w wersji standardowej. Oparta na Vectrze, Calibra przez dekadę dzierżyła rekord najbardziej opływowego modelu produkcyjnego.

Widać wyraźnie, że wraz z upływem czasu branża powróciła do kształtu kropelkowego. W ten trend wpisuje się również aktualny rekordzista Mercedes-Benz EQS z współczynnikiem kształtu równym 0,2.

Ewolucja designu samochodów

Podobnie jak wszystkie inne dziedziny, aerodynamika samochodowa w coraz większym stopniu opiera się na systemach projektowania wspomaganych wirtualnie.

Kiedyś kluczową rolę odgrywał tunel aerodynamiczny i przepływomierze zamontowane na prawdziwym samochodzie. Dziś jest to co najwyżej końcowy etap następujący po licznych symulacjach CFD (Computational Fluid Dynamics – obliczeniowa dynamika płynów). Początkowo programy te były toporne i wymagały wielu resetów i korekt – teraz działają świetnie, dlatego polegają na nich wszyscy producenci.

Dzieje się tak dlatego, że metoda ta jest szybka i niezwykle opłacalna oraz wysoce precyzyjna. Poniższy film pokazuje wirtualną wizualizację przepływu wokół samochodu wyścigowego: