Je nepříjemné na to myslet, ale představte si, co by se stalo, kdybyste najeli svým autem do cihlové zdi rychlostí 65 mil za hodinu (104,6 kilometrů za hodinu). Kov by se zkroutil a roztrhl. Sklo by se rozbilo. Airbagy by vybuchly, aby vás ochránily. Ale i přes všechny pokroky v oblasti bezpečnosti, které máme na našich moderních automobilech, by to byla pravděpodobně těžká nehoda, od níž by se dalo uniknout. Auto prostě není navrženo tak, aby projelo cihlovou zdí.
Existuje však další typ „stěny“, kterou jsou auta navržena tak, aby se přes ně pohybovala, a to již dlouhou dobu – vzduchová stěna, která tlačí na vozidlo vysokou rychlostí.
Většina z nás nepovažuje vzduch nebo vítr za zeď. Při nízkých rychlostech a ve dnech, kdy venku příliš nefouká, je těžké si všimnout, jak vzduch interaguje s našimi vozidly. Ale při vysokých rychlostech a za mimořádně větrných dnů odpor vzduchu (síly, které působí na pohybující se objekt vzduchem – také definované jako táhnout ) má obrovský vliv na to, jak auto zrychluje, řídí se a dosahuje spotřeby paliva.
Zde vstupuje do hry věda o aerodynamice. Aerodynamika je studium sil a výsledného pohybu objektů vzduchem [zdroj:NASA]. Po několik desetiletí byla auta navrhována s ohledem na aerodynamiku a výrobci automobilů přicházeli s řadou inovací, které usnadňují prosekávání této „stěny“ vzduchu a mají menší dopad na každodenní jízdu.
To, že je vůz navržen s ohledem na proudění vzduchu, v podstatě znamená, že má menší potíže s akcelerací a může dosáhnout lepších čísel spotřeby paliva, protože motor nemusí pracovat zdaleka tak tvrdě, aby protlačil auto vzduchovou stěnou.
Inženýři vyvinuli několik způsobů, jak toho dosáhnout. Kulatější designy a tvary na exteriéru vozidla jsou například navrženy tak, aby usměrňovaly vzduch tak, aby proudil kolem vozu s co nejmenším odporem. Některá vysoce výkonná auta mají dokonce díly, které plynule pohybují vzduchem po spodní části vozu. Mnohé také obsahují spoiler -- také známé jako zadní křídlo -- aby vzduch nezvedal kola vozu a nestal se nestabilním při vysokých rychlostech. I když, jak se dočtete později, většina spoilerů, které na autech vidíte, je spíše pro okrasu než cokoli jiného.
V tomto článku se podíváme na fyziku aerodynamiky a odporu vzduchu, na historii toho, jak byla auta navrhována s ohledem na tyto faktory, a na to, jak s trendem k „zelenějším“ vozům je aerodynamika nyní důležitější než kdy předtím.
Obsah
Než se podíváme na to, jak je aerodynamika aplikována na automobily, zde je malý opakovací kurz fyziky, abyste pochopili základní myšlenku.
Jak se objekt pohybuje atmosférou, vytlačuje vzduch, který jej obklopuje. Objekt je také vystaven gravitaci a tažení. Přetáhněte vzniká, když se pevný předmět pohybuje tekutým médiem, jako je voda nebo vzduch. Tažení se zvyšuje s rychlostí – čím rychleji se objekt pohybuje, tím větší je tažení.
Pohyb objektu měříme pomocí faktorů popsaných v Newtonových zákonech. Patří mezi ně hmotnost, rychlost, hmotnost, vnější síla a zrychlení.
Drag má přímý vliv na zrychlení. Zrychlení (a) předmětu je jeho hmotnost (W) mínus odpor (D) děleno jeho hmotností (m). Pamatujte, že hmotnost je hmotnost objektu krát síla gravitace, která na něj působí. Vaše hmotnost by se na Měsíci změnila kvůli menší gravitaci, ale vaše hmotnost zůstává stejná. Jednodušeji řečeno:
a =(W - D) / m
(zdroj:NASA)
Jak objekt zrychluje, jeho rychlost a odpor se zvyšují, případně až do bodu, kdy se odpor rovná hmotnosti – v takovém případě nemůže dojít k žádnému dalšímu zrychlení. Řekněme, že naším objektem v této rovnici je auto. To znamená, že jak auto jede rychleji a rychleji, tlačí na něj stále více vzduchu, což omezuje, o kolik více může zrychlit, a omezuje jej na určitou rychlost.
Jak se to všechno týká designu aut? No, je to užitečné pro zjištění důležitého čísla - koeficientu odporu vzduchu. To je jeden z primárních faktorů, které určují, jak snadno se objekt pohybuje vzduchem. Koeficient odporu vzduchu (Cd) se rovná odporu vzduchu (D), děleno množstvím hustoty (r), krát polovina rychlosti (V) na druhou krát plocha (A). Aby to bylo čitelnější:
Cd =D / (A * 0,5 * r * V^2)
[zdroj:NASA]
Takže realisticky, o jaký koeficient odporu se autoři snaží, když vyrábí auto s aerodynamickým záměrem? To zjistíte na další stránce.
Právě jsme se dozvěděli, že koeficient odporu vzduchu (Cd) je údaj, který měří sílu odporu vzduchu na předmět, jako je auto. Nyní si představte sílu vzduchu, která tlačí na auto, když se pohybuje po silnici. Při rychlosti 70 mil za hodinu (112,7 kilometrů za hodinu) působí na auto čtyřikrát větší síla než při rychlosti 35 mil za hodinu (56,3 kilometrů za hodinu) [zdroj:Elliott-Sink].
Aerodynamické schopnosti automobilu se měří pomocí koeficientu odporu vozidla. V zásadě platí, že čím je Cd nižší, tím je auto aerodynamičtější a tím snáze se může pohybovat vzduchovou stěnou, která na něj tlačí.
Podívejme se na několik čísel Cd. Pamatujete na stará krabicová auta Volvo ze 70. a 80. let? Starý sedan Volvo 960 dosahuje Cd 0,36. Novější Volva jsou mnohem uhlazenější a křivější a sedan S80 dosahuje Cd 0,28 [zdroj:Elliott-Sink]. To dokazuje něco, co jste možná již dokázali uhodnout – hladší, efektivnější tvary jsou aerodynamičtější než krabicovité. Proč přesně?
Podívejme se na nejaerodynamičtější věc v přírodě – na slzu. Slza je hladká a kulatá na všech stranách a nahoře se zužuje. Vzduch kolem něj plynule proudí, když padá na zem. Je to stejné jako u aut – hladké, zaoblené povrchy umožňují proudění vzduchu nad vozidlem, čímž se snižuje "tlak" vzduchu na karoserii.
Dnes většina aut dosahuje Cd asi 0,30. SUV, která bývají krabicovitější než auta, protože jsou větší, pojme více lidí a často potřebují větší mřížky, které pomáhají chladit motor, mají Cd od 0,30 do 0,40 nebo více. Pickupy – účelově hranatý design – obvykle stojí kolem 0,40 [zdroj:Siuru].
Mnozí zpochybňovali „unikátní“ vzhled hybridní Toyoty Prius, ale z dobrého důvodu má extrémně aerodynamický tvar. Mezi další účinné vlastnosti, jeho Cd 0,26 pomáhá dosáhnout velmi vysokého kilometrového výkonu. Ve skutečnosti snížení Cd auta o pouhých 0,01 může vést ke zvýšení spotřeby paliva o 0,2 míle na galon (0,09 kilometrů na litr) [zdroj:Siuru].
Na další stránce prozkoumáme historii aerodynamického designu.
Zatímco vědci si byli víceméně vědomi toho, co je potřeba k vytvoření aerodynamických tvarů již dlouhou dobu, chvíli trvalo, než byly tyto principy aplikovány na automobilový design.
Na prvních autech nebylo nic aerodynamického. Podívejte se na Fordův klíčový Model T – vypadá spíše jako koňský povoz bez koní – opravdu velmi krabicový design. Mnoho z těchto raných vozů se nemuselo starat o aerodynamiku, protože byly relativně pomalé. Některá závodní auta z počátku 20. století však do té či oné míry obsahovala zužující se a aerodynamické prvky.
V roce 1921 vytvořil německý vynálezce Edmund Rumpler Rumpler-Tropfenauto, což v překladu znamená „slza“. Na základě nejaerodynamičtějšího tvaru v přírodě, slzy, měl Cd pouhých 0,27, ale jeho jedinečný vzhled se u veřejnosti nikdy neujal. Bylo vyrobeno pouze asi 100 [zdroj:Cena].
Na americké straně jeden z největších skoků vpřed v aerodynamickém designu přišel ve 30. letech 20. století s Chrysler Airflow. Airflow, inspirované ptáky v letu, bylo jedním z prvních vozů navržených s ohledem na aerodynamiku. Přestože používal některé unikátní konstrukční techniky a měl rozložení hmotnosti téměř 50 na 50 (stejné rozložení hmotnosti mezi přední a zadní nápravu pro lepší ovladatelnost), veřejnost unavená velkou depresí si jeho nekonvenční vzhled nikdy nezamilovala a vůz byl považován za propadák. Jeho efektivní design však daleko předběhl svou dobu.
Když přišla padesátá a šedesátá léta, některé z největších pokroků v automobilové aerodynamice pocházely ze závodů. Původně inženýři experimentovali s různými konstrukcemi, protože věděli, že aerodynamické tvary mohou pomoci jejich autům jet rychleji a lépe se ovládat při vysokých rychlostech. To se nakonec vyvinulo ve velmi precizní vědu o vytvoření co nejaerodynamičtějšího závodního vozu. Přední a zadní spoilery, lopatovité čumáky a aero sady se staly stále běžnějšími, aby udržely proudění vzduchu přes horní část vozu a vytvořily potřebný přítlak na přední a zadní kola [zdroj:Formula 1 Network].
Na straně spotřebitele vyvinuly společnosti jako Lotus, Citroën a Porsche některé velmi zjednodušené návrhy, ale ty byly většinou aplikovány na vysoce výkonné sportovní vozy a ne na každodenní vozidla pro běžného řidiče. To se začalo měnit v 80. letech s Audi 100, sedanem pro cestující s tehdy neslýchaným Cd 0,30. Dnes jsou téměř všechna auta navržena nějakým způsobem s ohledem na aerodynamiku [zdroj:Edgar].
Co pomohlo k té změně? Odpověď:aerodynamický tunel. Na další stránce prozkoumáme, jak se aerodynamický tunel stal životně důležitým pro automobilový design.
K měření aerodynamické účinnosti automobilu v reálném čase si inženýři vypůjčili nástroj z leteckého průmyslu – aerodynamický tunel.
Větrný tunel je v podstatě masivní trubice s ventilátory, které vytvářejí proudění vzduchu nad předmětem uvnitř. Může to být auto, letadlo nebo cokoli jiného, co inženýři potřebují měřit odpor vzduchu. Z místnosti za tunelem inženýři studují způsob, jakým vzduch interaguje s objektem, jak proudí vzduch přes různé povrchy.
Auto nebo letadlo uvnitř se nikdy nepohybuje, ale ventilátory vytvářejí vítr o různých rychlostech, aby simulovaly skutečné podmínky. Někdy se skutečné auto ani nepoužije - konstruktéři často spoléhají na přesné modely svých vozidel, aby změřili odpor větru. Jak se vítr pohybuje nad autem v tunelu, počítače se používají k výpočtu koeficientu odporu vzduchu (Cd).
Větrné tunely opravdu nejsou žádnou novinkou. Byly tu od konce 19. století, aby měřily proudění vzduchu u mnoha raných pokusů o letadla. Dokonce i bratři Wrightové měli jeden. Po druhé světové válce je začali konstruktéři závodních vozů, kteří hledali náskok před konkurencí, používat k měření účinnosti aerodynamického vybavení svých vozů. Tato technologie se později dostala do osobních a nákladních automobilů.
V posledních letech se však velké aerodynamické tunely v hodnotě mnoha milionů dolarů využívají stále méně. Počítačové simulace začínají nahrazovat aerodynamické tunely jako nejlepší způsob měření aerodynamiky automobilu nebo letadla. V mnoha případech jsou aerodynamické tunely většinou využívány jen proto, aby se ujistil, že počítačové simulace jsou přesné [zdroj:Day].
Mnozí si myslí, že přidání spoileru na záď auta je skvělý způsob, jak ho udělat aerodynamičtější. V další části prozkoumáme různé typy aerodynamických doplňků k vozidlům a prozkoumáme jejich roli ve výkonu a poskytování lepší spotřeby paliva.
Aerodynamika zahrnuje více než jen odpor – existují i další faktory, kterým se říká vztlak a přítlak. Zvedněte je síla, která působí proti váze předmětu a zvedá jej do vzduchu a udržuje jej tam. Potlačit sílu je opakem vztlaku – síly, která tlačí objekt ve směru k zemi [zdroj:NASA].
Možná si myslíte, že koeficient odporu u závodního vozu Formule 1 by byl velmi nízký – super-aerodynamické auto je rychlejší, že? V tomto případě ne. Typický vůz F1 má Cd asi 0,70.
Proč je tento typ závodního vozu schopen jet rychlostí více než 200 mil za hodinu (321,9 kilometrů za hodinu), a přitom není tak aerodynamický, jak jste možná hádali? To proto, že vozy Formule 1 jsou konstruovány tak, aby generovaly co největší přítlak. Při rychlostech, kterými se pohybují, as jejich extrémně nízkou hmotností se tato auta skutečně začínají zvednout při určitých rychlostech - fyzika je nutí vzlétnout jako letadlo. Je zřejmé, že auta nejsou určena k tomu, aby létala vzduchem, a pokud se auto dostane do vzduchu, může to znamenat zničující havárii. Z tohoto důvodu musí být přítlak maximalizován, aby vůz zůstal na zemi při vysokých rychlostech, a to znamená, že je vyžadováno vysoké Cd.
Vozy Formule 1 toho dosahují pomocí křídel nebo spoilerů namontovaných na přední a zadní části vozidla. Tato křídla směřují proudění do proudů vzduchu, které tlačí auto k zemi – lépe známé jako přítlak. Tím se maximalizuje rychlost v zatáčkách, ale musí být pečlivě vyvážena se vztlakem, aby vůz také umožňoval odpovídající rychlost v přímém směru [zdroj:Smith].
Mnoho sériových vozů obsahuje aerodynamické doplňky pro generování přítlaku. Zatímco supersportovní vůz Nissan GT-R byl v automobilovém tisku poněkud kritizován za svůj vzhled, celá karoserie je navržena tak, aby odváděla vzduch nad vozem a zpět skrz oválný zadní spoiler, čímž generuje spoustu přítlaku. Ferrari 599 GTB Fiorano má létající opěrné B-sloupky navržené tak, aby také usměrňovaly vzduch dozadu – pomáhají snižovat odpor [zdroj:Classic Driver].
Ale na běžných autech, jako jsou sedany Honda a Toyota, vidíte spoustu spoilerů a křídel. Skutečně přidávají vozu aerodynamickou výhodu? V některých případech může přidat trochu stability ve vysokých rychlostech. Například původní Audi TT nemělo spoiler na zadním krytu palubní desky, ale Audi jej přidalo poté, co se zjistilo, že jeho zaoblená karoserie vytváří příliš velký zdvih a mohl být faktorem u několika vraků [zdroj:Edgar].
Ve většině případů však přišroubování velkého spoileru na záď běžného auta příliš nepomůže výkonu, rychlosti ani ovladatelnosti – pokud vůbec. V některých případech by to mohlo dokonce způsobit větší nedotáčivost nebo neochotu zatáčet. Pokud si však myslíte, že obří spoiler vypadá na kufru vaší Hondy Civic skvěle, nenechte si nikým říkat opak.
Pro více informací o automobilové aerodynamice a dalších souvisejících tématech přejděte na další stránku a postupujte podle odkazů.
