Az aerodinamika jelentősége

15 nov 2022

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.

Drag equation - Wikipedia
A közegellenállás kiszámítása (forrás: wikipedia.org)

 

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.

Drag coefficient - Wikipedia
Különböző alakzatok légellenállási együtthatója – a kisebb a jobb (forrás: wikipedia.org)

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).

Ingyenes fotók Tatra kategóriában
Tatra 87 (forrás: pixabay.com)

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.

Ingyenes fotók Autó kategóriában
Alfa Romeo Giulia (forrás: pixabay.com)

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.

Calibra team av.jpg
Opel Calibra (forrás: wikipedia.org)

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.

 

Mercedes-Benz V297 Classic-Days 2022 DSC 0016.jpg
Mercedes-Benz EQS (forrás: wikipedia.org)

 

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:

RELATED POST

Írj egy választ