هر آنچه باید در مورد سازوکار آیرودینامیکی خودروها بدانیم

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.

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.

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 اندازه‌گیری حرکت اجسام از قوانین نیوتن 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 (Cd) طبق رابطه‌ی زیر محاسبه می‌شود:

(Cd=D/(A*0.5*rho*V^2

در این رابطه D نیروی درگ، A مساحت جسم،  rho چگالی هوا و V سرعت جسم است. اما این پرسش پیش می‌آید که طراحان خودرو چه ضریب درگی را در طراحی‌های آیرودینامیک خود در نظر می‌گیرند؟

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؟

ولوو S90 مدل ۲۰۱۷

برای درک این مسئله به آیرودینامیک‌ترین شی‌ء موجود در طبیعت یعنی قطره‌ی 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 اس‌یو‌وی (SUV) که 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.

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 T، ساخت ۱۹۰۸

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-تروپ‌فِن آتو

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.

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.

آزمایش تونل باد مرسدس‌بنز-برای آشکارسازی جریان هوا از دود استفاده می‌کنند

آزمایش تونل باد پاگانی زوندا

علاوه بر نیروی درگ در دانش آیرودینامیکی نیروهای دیگری نیز وجود دارند؛ نیروی لیفت (Lift) و دان‌فورس (Downforce) ازجمله این نیروها هستند. نیروی لیفت در جهت مخالف نیروی وزن و به سمت بالا به جسم اعمال می‌شود و نیروی دان‌فورس (نیروی عمود بر سطح) در جهت نیروی وزن وارد می‌شود و باعث چسبندگی بیشتر وسیله به سطح زمین می‌شود.

ممکن است فکر کنید که خودروهای مسابقات فرمول ۱  به دلیل سرعت بسیار بالایی که دارند کمترین ضریب درگ را داشته باشند؛ اما درواقع یک خودروی فرمول ۱ معمولی ضریب درگی معادل ۰.۷ دارد؛ اما چگونه این خودروها می‌توانند با سرعتی بیشتر از ۳۰۰ کیلومتر بر ساعت حرکت کنند؟

این توانایی به دلیل وجود نیروی دان‌فورسی است که تولید می‌کنند؛ با توجه به سرعتی که این خودروها دارند و همچنین وزن بسیار پایین آن‌ها، در سرعت‌های خاصی نیروی لیفت به آن‌ها وارد می‌شود که می‌تواند آن‌ها را همانند هواپیما از زمین بلند کند؛ به این منظور نیروی دان‌فورس باید به بیشتر مقدار خود برسد تا خودرو در سرعت‌های بالا چسبندگی خود به جاده را حفظ کند و این امر تنها با افزایش ضریب درگ به مقدار لازم ممکن است. یک خودروی مدرن فرمول یک نیروی دان‌فورسی برابر با ۳.۵ برابر نیروی جاذبه‌ی زمین تولید می‌کند؛ این مقدار نیروی دان‌فورس این قابلیت را ایجاد می‌کند که خودرو به‌راحتی و به‌صورت وارونه بر روی سقف یک تونل حرکت کند.

در خودروهای فرمول یک، ۶۰ درصد نیروی دان‌‌فورس لازم را از طریق اسپویلرهای نصب‌شده در جلو و عقب خودرو تأمین می‌شود. این باله‌ها با تغییر مسیر جریان هوا موجب تأمین نیروی لازم برای چسبندگی بیشتر خودرو به جاده و پشت سر گذاشتن پیچ‌ها با سرعت بالاتر، می‌شوند؛ اما در مسیرهای مستقیم باید تعادل نیرویی بین لیفت و دان‌فورس وجود داشته باشد تا خودرو بتواند به‌سرعت مطلوب دست یابد.

اسپویلر جلو

اسپویلر عقب

فناوری‌های استفاده‌شده در مسابقات فرمول یک، به‌تدریج به شرکت‌های تولیدکننده‌ی خودرو منتقل شد. اکثر خودروهای تولیدی امروزی از افزونه‌های آیرودینامیکی برای تولید دان‌فروس استفاده می‌کنند؛ به‌طور مثال در نیسان GT-R علیرغم انتقادهایی که از سوی منتقدان به طراحی این خودرو وارد شد، تمامی بدنه خودرو به نحوی طراحی‌شده بود تا کانال‌های هوایی عبوری از بدنه‌ را به سمت انتهای بیضی‌شکل خودرو و اسپویلر عقب آن هدایت کند تا نیروی دان‌فورس موردنیاز تأمین شود.

همچنین از فناوری که آن را بانام آیرودینامیک فعال می‌شناسند به‌طور گسترده در خودروهای اسپرت و سوپر اسپرت استفاده می‌شود. در ادامه به نمونه‌هایی از این فناوری‌ها نگاهی می‌اندازیم.

شرکت بی ام و در طی برنامه‌ی بهبود عملکرد خودروهای خود به‌طور گسترده از قابلیت‌های آیرودینامیکی استفاده کرده است که به تعدادی از آن‌ها اشاره می‌کنیم.

در سرعت ۱۱۰ کیلومتر بر ساعت، اسپویلر عقب به‌صورت هوشمند بالا می‌آید و باعث کاهش نیروی درگ و لیفت و بهبود فرمان پذیری خودرو در جاده می‌شود. در سرعت ۷۰ کیلومتر بر ساعت، این اسپویلر به‌صورت خودکار جمع می‌شود.

‌با استفاده‌ از ایر بریزر که درواقع کانال خروجی هوا در چرخ‌های جلو است، با افزایش شتاب و سرعت خودرو مقاومت هوا تغییر چندانی نمی‌کند زیرا این کانال خروجی باعث کاهش جریان آشفته‌ی هوا و همچنین خروج جریان چرخشی هوا در گلگیر و زیر گلگیر خودرو می‌شود.

هنگامی‌که شما خودروی خود را کنترل می‌کنید، ایر کارتین با کاهش مقاومت هوا با راه‌حلی ساده اما کاربردی، جریان هوا را برای شما کنترل می‌کند. ایر کارتین یک کانال باریک هوایی است که با سرعت دادن به جریان هوا و هدایت آن برای عبور از چرخ‌ها باعث کاهش جریان آشفته‌ (Turbulence) در گلگیر و زیر گلگیر خودرو و کاهش نیروی درگ وارد بر بدنه و همچنین کاهش مصرف سوخت و انتشار گاز کربن دی‌اکسید می‌شود.

دریچه‌های تعبیه‌شده در جلوپنجره در حالتی که نیازی به ورود هوا نیست بسته هستند و سیستم در هنگامی‌که پیشران، ترمزها و سایر قطعات خودرو به هوا نیاز دارند، دریچه‌های را باز می‌کند. این عمل موجب افزایش عملکرد آیرودینامیکی خودرو و کاهش مصرف سوخت آن می‌شود.

‌طراحی رینگ‌های آیرودینامیکی که از پره‌های توربین موتورهای هوایی الهام گرفته‌شده است با بهبود جریان عبوری از کنار چرخ‌ها، باعث بهبود عملکرد آیرودینامیکی خودرو می‌شود.

ابر خودروی بوگاتی شیرون باقدرت ۱۵۰۰ اسب بخاری و سرعت بسیار بالایی که دارد به‌شدت نیازمند سیستمی برای خنک کاری موتور و بهبود هندلینگ آن در سرعت‌های بالا است؛ لذا با روش‌هایی که در ادامه می‌بینید این نیاز خود را برطرف کرده‌اند.

جریان هوای عبوری از قسمت جلویی بوگاتی شیرون

جریان هوای عبوری از قسمت انتهایی بوگاتی شیرون

این شرکت نیز در پورشه 918 از آیرودینامیک فعال به فراوانی استفاده کرده است که ازجمله‌ی آن می‌توان به کنترل دریچه‌های ورودی جلو، اسپویلر عقب و صفحه‌های متحرک در زیر خودرو اشاره کرد.

مطالب بیان شده تنها بخشی از اقدامات انجام شده در دنیای خودرو است. با نگاهی به اطراف، تاثیرات دانش آیرودینامیک بر تمامی بخش‌های زندگی را می‌توانیم مشاهده کنیم.