Az aerodinamika jelentősége
Ma már alapvető tényezőnek tekintjük, mégis az egyik utolsó tudományterület volt, amelyet a járműipar felfedezett magának. Nehéz elhinni, hogy hamarabb készült elektromos autó, mint olyan, amelynek figyelembe vették a légellenállását, pedig ez tény.
Ahogy a járművek gyorsultak, egyre kevésbé lehetett a fizikának ezen ágát figyelmen kívül hagyni. Ebben a cikkben az aerodinamika általános jellemzőit, az iparra gyakorolt hatását és a jelenlegi fejlesztési módszereket foglaljuk össze.
Miért kell legyőznünk a levegőt?
Bár a szemünkkel képtelenek vagyunk érzékelni, a körülöttünk lévő tér soha nem üres földi körülmények között. A levegő, melyet belélegzünk, ugyanúgy atomokból és azok kapcsolataiból, kötéseiből épül fel, mint az összes többi anyag (ebben a konkrét esetben javarészt nitrogénből és oxigénből).
Így az tán a levegő is egy közeg, hasonlóképp, mint a víz, vagy bármi, amiben haladni akarunk. A járművünknek útban vannak ezek a részecskék, amelyeket „el kell tolnia” az útjából. A légellenállás mértéke attól függ, hogy ehhez az adott sebességnél mekkora erő szükséges.
Jelen ismereteink szerint ez az erő (FD) a következőktől függ:
- A közeg sűrűsége (ρ)
- A jármű sebessége a közeghez képest (v)
- A hosszirányú alaktényező (CD)
- A homlokfelület a haladásra merőlegesen (A)
A járműgyártók az első két paraméterrel nehezen tudnak bármit is kezdeni: a levegő sűrűsége adott, a sebességet pedig közúton a hatóságok szabályozzák. Fontos ugyanakkor megemlíteni, hogy a légellenállás mértéke a sebesség emelésével négyzetesen növekszik. Ebből következően nem jó taktika kevés üzemanyagnál felgyorsítani, hogy minél előbb célhoz érjünk.
A másik két tényező viszont lehetőséget adott az autóiparnak arra, hogy a kocsitest alakját és méretét kihasználva előnyösebb menettulajdonságokkal ruházza fel a termékét.
A jármű homlokfelülete kevesebb szabadságot enged a fejlesztők számára, ugyanakkor a szabály ebben az esetben egyértelmű: minél kisebb a szemből látható felület, annál kisebb lesz a légellenállás mértéke.
Az alaktényező vagy légellenállási együttható esetében teljesen más a helyzet.
Röviden összefoglalva ez a szám azt mutatja meg, hogy a test alakja mennyire simul bele a közeg áramlásába. Minél inkább „megtöri” a levegő útját – azaz minél nagyobb az esély a turbulens áramlásra a lamináris helyett, annál nagyobb számot kapunk az együtthatóra.
Ha alaposan megfigyeljük a fenti testeket, jól látható, hogy nem csak a belépés, hanem az áramlás kilépésének a minősége is számít a légellenállásnál – a elforgatott kocka hiába ugyanaz a test, másképp találkozik a levegővel, és ezáltal a légellenállási együtthatója is kisebb.
Az aerodinamikai szempontból ideális alak megtalálása sokkal egyszerűbb, mint ahogy azt elsőre gondolnánk. Erre a kérdésre a természet a közvetlen közelünkből adja meg a választ.
Amikor a víz eső formájában közeledik a talajhoz, ugyanúgy légellenállással találkozik. Azonban folyékony halmazállapotban képes felvenni bármilyen alakot, amely segíti az előre (azaz a Földfelszín) felé való haladásban. Így alakul ki az ideális cseppforma.
Gyakorlati megvalósítások
Egy személygépkocsinál persze ennél sokkal több szempontot kell figyelembe venni, de ez az alak a mai napig irányadó a karosszéria-tervezésben.
Valószínűleg sokaknak jut eszébe a legendás Volkswagen Bogár, mint az aerodinamika úttörője. Valójában mégsem ez a modell volt az első közúti autó, amelyet kifejezetten ennek szellemében építettek.
A Tatra már a harmincas évek eleje óta kísérletezett áramvonalas autókkal a Zeppelinhez hasonló léghajókat tervező Járay Pál közreműködésével. A márka korabeli csúcsmodellje az 1936-ban bemutatott 87-es volt, amit a nagy sebességű német autópályákra szántak (0,36-os alaktényező).
2,9 literes V8-asa az akkoriban jónak számító 85 lóerőre volt képes, amivel 160 km/órás sebességet ért el, és szintén az aerodinamikájának köszönheti, hogy a korabeli értékek felét, 12,5 litert fogyasztott száz kilométeren.
Az ideális cseppformának a közúton azonban vannak hátrányai is. A túl hosszú karosszéria kevésbé praktikus a szűk fordulóknál, a parkolásoknál, és igazából a rendelkezésre álló extra teret is csak kompromisszumokkal lehet kihasználni.
Hiába tűnik például abszolút kocka formájúnak a 60-as évek Alfa Romeo Giuliája, mégis ez számított a hatvanas évek egyik legjobb alaktényezőjű szériamodelljének (0,33). Wunibald Kamm mérnök bebizonyította, hogy a hirtelen levágott farrész is lehet hatékony, mert ennél is csökkenthető a turbulencia lehetősége. Az Alfa Romeo a versenyautói után az utcai modelleken is alkalmazta a Kamm-formát, amivel a Giulia egészen hihetetlen eredményt ért el.
Ha aerodinamika, akkor mindenképp meg kell emlékeznünk az Opel Calibráról.
Már a kilencvenes évek stílusát hordta magán az Opel ’89-ben bemutatott sportkupéja. A karcsú formájú kétajtós a szűkre szabott fényszórókkal és hűtőmaszkkal valóban nagyon aerodinamikus volt, az ívelt tetővonala és a süllyesztett kilincsei is hozzájárultak az alapkivitel 0,26-os légellenállási együtthatójához. A Vectra alapjára épülő Calibra egy évtizeden keresztül tartotta a legáramvonalasabb szériagyártású modell rekordját.
Szemmel látható, hogy az idő előrehaladtával ismét a cseppforma felé vette az irányt az iparág. A jelenlegi rekordtartó is ezt az iskolát képviseli: a Mercedes-Benz EQS 0,2-es értékkel büszkélkedhet.
A tervezés is megváltozott
Mint minden más fejlesztési terület, az autók aerodinamikája is egyre inkább támaszkodik a virtuális tervezéstámogató rendszerekre.
Míg korábban az egész fejlesztést a szélcsatorna és a valós autóra elhelyezett áramlásmérők határozták meg, ma már ezek legfeljebb a végső stádiumot jelentik a számos CFD szimulációt (Computational Fluid Dynamics) követően. Eleinte ezek a szoftverek kezdetlegesek voltak és rengeteg utólagos ellenőrzést, korrekciót követeltek. Jelenleg viszont olyannyira jól működnek, hogy valamennyi autógyártó ezekre támaszkodik.
Ennek oka, hogy a módszer gyors és rendkívül költséghatékony. Ma pedig már a pontosság sem hiányzik az eszköztárából.
Az alábbi videóban egy vizualizált virtuális, versenyautó körüli áramláskép látható:
