آنچه باید درمورد آیرودینامیک خودرو‌ها بدانیم!

به گزارش مجله خبری نگار، تصور کنید که با سرعت ۱۰۰ کیلومتربرساعت با خودروی خود به دیواری آجری برخورد کنید. مسلماً بدنه‌ی فلزی خودرو شدیداً آسیب می‌بیند و شیشه‌ی 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 به‌عنوان تصادفی سخت یادکرد. خودروها برای حرکت در دیواری آجری طراحی نشده‌اند؛ اما دیوار دیگری وجود دارد که خودروها از بدو ورودی 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 هنگامی‌که باد چندانی نمی‌وزد، بسیار دشوار می‌توان به تعامل هوا و وسایل نقلیه پی برد؛ اما در سرعت‌های بالا و در هنگام وزش باد، مقاومت هوا که بر وسیله‌ای که در آن حرکت می‌کند وارد می‌شود و آن را به‌عنوان نیروی درگ می‌شناسند، تأثیر بسیاری بر شتاب‌گیری خودرو، کنترل آن و مصرف سوخت خواهد داشت.

در این مرحله است که دانش آیرودینامیک وارد عمل می‌شود. آیرودینامیک می‌تواند دانش مطالعه‌ی نیروها و نتایج حاصل از حرکت اجسام در هوا دانست. برای چندین دهه است که خودروها با دیدگاه آیرودینامیکی طراحی می‌شوند و خودروسازان با به‌کارگیری نوآوری‌های متعدد، حرکت خودرو از میان این دیوار هوایی را آسان‌تر کرده‌اند؛ به‌خصوص در طراحی‌هایی که جریان هوا از قسمت‌های مختلف خودرو عبوری می‌کند، مقاومت هوا در شتاب گیری وسیله کمتر می‌شود که درنتیجه مصرف سوخت نیز بهبود می‌یابد، زیرا موتور در شرایط عملکردی مناسب‌تری فعالیت می‌کند و دیگر نیازی نیست تا با حداکثر توان به تولید نیرو لازم برای حرکت خودرو بپردازد.

مهندسان برای رسیدن به چنین نتایجی، روش‌های بسیاری را توسعه دادند؛ به‌عنوان‌مثال طراحی کروی‌تر خودروها و ادوات خارجی آن سبب می‌شود تا مقاومت هوای عبوری به کمترین مقدار خود برسد؛ در خودروهای با عملکرد بالاتر حتی بخش‌هایی برای عبور هوا از بخش زیرین خودرو تعبیه‌شده است. همچنین در پاره‌ای از خودروها از اسپویلر (بالچه‌ی عقب) برای از بین بردن نیروی لیفت وارد بر خودرو که باعث ناپایداری آن در سرعت‌های بالا می‌شود، استفاده می‌کنند.

دانش آیرودینامیک

قبل از پرداختن به این موضوع که آیرودینامیک چگونه به‌صورت کاربردی در خودروها اعمال می‌شود، به بیان فیزیکی این علم می‌پردازیم.

با حرکت کردن هر جسمی در اتمسفر، ذرات هوای اطراف آن جابجا می‌شوند؛ این اتفاق تحت تأثیر نیروی جاذبه و درگ رخ می‌دهد. هنگامی‌که یک جسم صلب 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 می‌یابد.

برای اندازه گیری حرکت اجسام از قوانین نیوتون استفاده می‌شود؛ در این قوانین المان‌هایی نظیر جرم، سرعت، وزن، نیروهای خارجی و شتاب. 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 می‌یابند؛ افزایش نیروی درگ تا زمانی ادامه می‌یابد که این نیرو با نیروی وزن جسم برابر شود که در این حالت شتاب جسم به صفر می‌رسد و جسم با سرعت ثابت به حرکت خود ادامه می‌دهد. این گزاره به این معناست که هرچه خودرو سریع‌تر حرکت می‌کند، مقاومت هوا نیز بیشتر می‌شود که باعث محدودیت در شتاب‌گیری وسیله و رسیدن به ‌سرعت‌های خاص می‌شود.

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

تا به اینجا آموختیم که ضریب درگ تصویری از مقاومت هوای اندازه‌گیری 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. ویژگی‌های آیرودینامیکی یک خودرو ابزارهایی برای رسیدن به ضریب درگ کمتر هستند. به هر میزان که ضریب درگ کمتر باشد، خودروی آیرودینامیک‌تر است و راحت‌تر می‌تواند از دیوار هوا عبور کند.

حال نگاهی به تعدادی از خودروها و ضریب درگ آن‌ها می‌پردازیم. خودروهای جعبه مانند ولوو در دهه‌ی ۷۰ تا ۸۰ میلادی را در نظر بگیرید؛ مدل سدان ۹۶۰ ولوو ضریب درگی معادل ۰.۳۶ داشته است. مدل‌های 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 صیقلی‌تر و منحنی‌تری داشته باشد، آیرودینامیک‌تر از خودروهای جعبه مانند اولیه می‌شود؛ اما دلیل این اتفاق چیست؟

برای درک این مسئله به آیرودینامیک‌ترین شی‌ء موجود در طبیعت یعنی قطره اشک نگاهی می‌اندازیم. قطره‌ی اشک سطحی صاف و منحنی و مخروطی شکلی دارد و هوا به‌آرامی تا هنگامی‌که 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 آرام‌تر از کنار آن عبور می‌کند و مقاومت هوا کاهش می‌یابد.

امروزه اکثر خودروها ضریب درگی معادل ۰.۳ دارند. خودروهای اس یووی ه به دلیل ویژگی‌هایی خاصی که دارند، ظاهری جعبه مانند دارند 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 ی طراحی آیرودینامیک خودرو

باوجوداینکه دانشمندان کم‌وبیش 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. به‌عنوان‌مثال محصول اولیه‌ی فورد بانام مدل T با طراحی جعبه شکلی که داشت همانند یک کالسکه‌ی بدون اسب بود. بسیاری از این خودروهای اولیه‌ی 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 اولیه‌ی آیرودینامیکی داشتند.

فورد مدل تی،ساخت1908

در سال ۱۹۲۱، اِدموند رامپِلر، مخترع آلمانی، خودروی با طراحی مخروطی شکل بانام رامپلر-تروپ‌فِن آتو را تولید کرد. این خودرو که بر اساس آیرودینامیک‌ترین شکل در طبیعت طراحی‌شده است، ضریب درگ معادل ۰.۲۷ داشت؛ اما ظاهر منحصربه‌فرد مورد توجه عموم قرار نگرفت و تنها ۱۰۰ دستگاه از این خودرو ساخته شد.

رامپلر تروپ فِن اتو

در آمریکا اما یکی از بزرگ‌ترین 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 اولیه‌ی 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 به دلیل ظاهر غیرمتعارفی که داشت مورد اقبال عمومی قرار نگرفت.

کرایسلر ایرفلو

در دهه‌های ۵۰ تا ۶۰ میلادی، پیشرفت‌ها در آیرودینامیک خودرو آغاز شد. مهندسان با آزمایش تجربی طراحی‌های مختلف پی بردند که استفاده از ابزارهایی مانند اسپویلرهای جلو و عقب، دماغه‌ی بیلچه‌ مانند و استفاده از کیت‌های مورداستفاده در هواپیماها، می‌توانند به سرعت‌های بالاتر و پایداری بهتری در خودروهای مسابقه‌ای دست یا‌بند؛ اما این طرح‌ها با تولید جدید آئودی بانام Audi 100 در سال ۱۹۸۰ میلادی وارد بازار خودروهای تجاری شد و امروزه به‌صورت گسترده از این ابزارهای در خودروها استفاده می‌شود.

اندازه‌گیری درگ با استفاده از تونل باد

برای اندازه‌گیری 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 هندسه‌ی لوله‌شکل 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 شبیه‌سازی شرایط واقعی به‌وسیله‌ی فن تولید می‌شود.

در پاره‌ای از موارد حتی از مدل واقعی خودرو برای انجام آزمایش‌های تونل باد استفاده نمی‌شود و از مدل با ابعاد واقعی این خودرو برای بررسی جریان هوا استفاده می‌شود؛ با عبور هوا بر روی خودرو کامپیوترها به‌اندازه گیری ضریب درگ می‌پردازند.

در ادامه کار طراحی، خودروسازان مطرح، طرح‌هایی را برای کاهش ضریب درگ بدنه وسیله‌شان به کار می‌برند؛ برای مثال، با کاستن از فرم جعبه‌ای و افزودن انحنا به بدنه، استفاده از کانال‌های عبور هوا، نصب رینگ‌های مسطح با منافذ کم، استفاده از لاستیک‌هایی با فاق کوتاه، افزودن باله (اسپویلر) و دیفیوزر، نصب آینه‌های بغل آئرودینامیک و موارد دیگر، در تلاشند تا مقاومت خودرو را در برابر جریان هوای عبوری در خلاف جهت حرکت، بکاهند.

شاید جالب‌ترین ابتکار، دریچه‌های هوای کناری بوگاتی باشد. سازنده هایپرکارها، در مدل ویرون و شیرون ابتکار جالبی داشته که با جای‌گذاری کانال‌های عبوری متعدد در دریچه کناری، بی‌نظمی جریان هوا را خنثی کرده و برای پایداری بهتر در سرعت بالا از آن بهره می‌کشد.

و البته مورچیه‌لاگوی لامبورگینی را نباید فراموش کرد که باله‌های کناری منحصر به فردی را در طراحی‌اش پذیرفت که نمونه آن در هیچ خودروی دیگری دیده نشده. این باله‌ها به نوعی دریچه‌های هوایی بودند که سه حالت به خود می‌گرفتند؛ تا سرعت ۱۳۰ کیلومتر بر ساعت بسته بودند، تا ۲۲۰ کیلومتر بر ساعت تا نیمه و بالای ۲۲۰ کامل باز می‌شدند.

با وجود علاقه خودروسازان به این موضوع، به نظر نمی‌رسد که تسلا در طراحی سایبرتراک توجهی به قوانین آئرودینامیک کرده باشد.