تصور کنید که با سرعت ۱۰۰ کیلومتربرساعت با خودروی خود به دیواری آجری برخورد کنید. مسلماً بدنه ی فلزی خودرو شدیداً آسیب می بیند و شیشه ی جلوی خودرو نیز خرد می شود و ایربگ ها باز می شوند؛ اما حتی با داشتن چنین امکانات ایمنی که ما در خودروهای مدرن داریم از این برخورد می توان به عنوان تصادفی سخت یادکرد. خودروها برای حرکت در دیواری آجری طراحی نشده اند؛ اما دیوار دیگری وجود دارد که خودروها از بدو ورودی برای حرکت در آن طراحی شده اند؛ دیواری از هوا که در برابر حرکت خودرو در سرعت های بالا از خود مقاومت نشان می دهد.
در سرعت های پایین و هنگامی که باد چندانی نمی وزد، بسیار دشوار می توان به تعامل هوا و وسایل نقلیه پی برد؛ اما در سرعت های بالا و در هنگام وزش باد، مقاومت هوا که بر وسیله ای که در آن حرکت می کند وارد می شود و آن را به عنوان نیروی درگ می شناسند، تأثیر بسیاری بر شتاب گیری خودرو، کنترل آن و مصرف سوخت خواهد داشت.
در این مرحله است که دانش آیرودینامیک وارد عمل می شود. آیرودینامیک می تواند دانش مطالعه ی نیروها و نتایج حاصل از حرکت اجسام در هوا دانست. برای چندین دهه است که خودروها با دیدگاه آیرودینامیکی طراحی می شوند و خودروسازان با به کارگیری نوآوری های متعدد، حرکت خودرو از میان این دیوار هوایی را آسان تر کرده اند؛ به خصوص در طراحی هایی که جریان هوا از قسمت های مختلف خودرو عبوری می کند، مقاومت هوا در شتاب گیری وسیله کمتر می شود که درنتیجه مصرف سوخت نیز بهبود می یابد، زیرا موتور در شرایط عملکردی مناسب تری فعالیت می کند و دیگر نیازی نیست تا با حداکثر توان به تولید نیرو لازم برای حرکت خودرو بپردازد.
اولین خودروها با طراحی آیرودینامیک
از همان دهه های آغازین ظهور صنعت خودرو، علم آیرودینامیک و کاربرد آن در کانون توجه طراحان خودرو بوده است. از نخستین خودروهایی که با نگاهی به این علم ساخته شده اند می توان به خودروی آلمانی رامبلر تروپفن واگن در سال 1921 میلادی، خودروی آمریکایی کرایسلر ایرفلو در سال 1934 و همچنین خودرویی از جمهوری چک به نام تاترا 77 اشاره داشت، که البته مورد مذکور نیز در سال 1934 میلادی به بازارهای جهانی معرفی شد. ناگفته نماند که ضریب پسای 0.212 بدنه در خودرو تاترا 77 حتی در دنیای نوین خودرو هم رقمی قابل تأمل است.
آیرودینامیک خودرو
بررسی و درک بهتر آیرودینامیک خودرو، نیازمند دانستن برخی پارامترها و اصطلاحات آیرودینامیکی است که در ادامه، به تعریف برخی از مهم ترین و رایج ترین آن ها پرداخته ایم:
ضریب درگ-پسا یا مقاومت (Drag Force)
ضریب درگ یا پسا، همان طور که از اسم آن نیز مشخص است و به صورت عدد نمایش داده می شود، نشان دهنده میزان مقاومت یک شی ء در برابر حرکت درون یک جریان سیال است. خودرو های در حال حرکت، با جریان سیالی از هوا مواجه هستند که درواقع، همان نیروی مقاومت هوا یا درگ است که اندازه گیری آن در بخش طراحی و ساخت خودرو، اهمیت بسیار زیادی دارد. یکی از اهداف مهم طراحان خودرو فارغ از بحث زیبایی شناسی، اعمال ترفندهایی در جهت کاهش اثرات این نیرو است.
دوان فورس (Downforce)
دوان فورس، نیرویی است که به دلیل نیروی گرانش زمین و جریان هوا به سمت زمین وارد شده و موجب چسبندگی بیشتر خودرو بر روی سطح جاده می شود. در حالت کلی، اگرچه افزایش وزن خودرو سبب افزایش دوان فورس می شود، اما به دلیل کاهش فرمان پذیری و در صورت عدم بهره مندی از پیشرانه ای قوی، مانعی جدی در برابر چالاکی خودرو محسوب می شود. بر این اساس، طراحی خودرو باید به گونه ای صورت گیرد که با هدایت بخشی از جریان هوا به سمت زمین، وزنی مجازی برای خودرو فراهم شود که اصطلاحاً، دوان فورس نامیده می شود.
افزایش دوان فورس، موجب چسبندگی بیشتر خودرو بر سطح زمین می شود و به راننده این امکان را می دهد که با سرعت بیشتری به خصوص در پیچ ها حرکت کند. کم بودن یا زیادبودن دوان فورس، موجب ازدست دادن چسبندگی چرخ های عقب یا جلوی خودرو و درنتیجه، منجر به بیش فرمانی یا کم فرمانی می شود. به عنوان مثال، در خودروهای فرمول یک، خودروها اغلب دوان فورسی در حدود 5 برابر وزن خودشان تولید می کنند.
اسلیپ استریم- خلأ بخش پشتی Slipstream
«اسلیپ استریم» و «درتی ایر»، دو مورد از اصطلاحات آیرودینامیک خودرو هستند که در مسابقات فرمول یک زیاد شنیده می شوند. این دو اصطلاح، از لحاظ ماهیتی بسیار به هم شبیه هستند؛ اما تنها نکته مهمی که آن ها را از هم متمایز می کند، محل رخ دادن آن ها است. زمانی که یک خودرو در مسیر مستقیم در پشت سر خودروی دیگر قرار می گیرد، پدیده اسلیپ استریم رخ می دهد.
جک چیلورز Jack Chilvers، متخصص آیرودینامیک در فرمول 1، اسلیپ استریم را این طور توضیح می دهد: خودروی در حال حرکت، با ایجاد دانفورس، جریان هوایی کم فشار را در پشت سر خود برجای می گذارد که برای خودرویی که از پشت به آن نزدیک شود، کار غلبه بر مقاومت جریان هوا را آسان تر می کند.
به زبان ساده تر، با استفاده از این تکنیک، خودرویی عقبی درصورتی که به اندازه کافی به خودرویی که در تعقیبش است، نزدیک شود و در این منطقه کم فشار قرار بگیرد، کار غلبه بر مقاومت هوا را برای خود آسان تر می کند و با استفاده از مزیت نسبی سرعت، موقعیت سبقت گیری خود را بهبود می بخشد؛ بنابراین، هنگامی که در شرایط محدودی نیستید، استفاده از slipstreaming می تواند به نفع شما باشد. اسلیپ استریم، تنها برای خودروی عقبی منفعت ندارد و نیروی مکش فضای خلأ در قسمت عقب خودروی جلویی نیز به دلیل قرارگیری شی ء در این ناحیه، از بین می رود و موجب افزایش سرعت آن می شود؛ اگرچه که این افزایش سرعت به نسبت خودروی عقبی، ناچیز است.
هوای آشفته (Dirty Air)
این اختلال در جریان هوا، عملکرد آیرودینامیکی خودروی عقبی را کاهش می دهد. یکی از چیز هایی که موجب آزار راننده می شود، اختلال در تغییر احساس خودرو است. ازدست دادن تعادل هوا و تغییر رفتار خودرو، باعث افت قابل توجهی در عملکرد و کارایی آن می شود؛ بنابراین، هنگامی که ماشین شروع به ازدست دادن تعادل هوایی می کند، راننده مجبور است با کاهش سرعت از خودرو جلویی فاصله بگیرد و شانس سبقت گیری را از دست بدهد.
علی رغم تصور عمومی که از دست دادن عملکرد آیرودینامیکی بزرگ ترین آسیب «هوای کثیف» است، مسئله اصلی خنک کاری است که اغلب می تواند دردسری بیشتری برای خودرو عقبی ایجاد کند. چیلورز در خصوص این معضل این طور توضیح می دهد که: زمانی که رانندگان در تعقیب خودرویی هستند، فشار مضاعفی به خودرو خود وارد می کنند که موجب تولید حرارت بیشتری در اجزایی مانند موتور و ترمزها می شود. دریافت جریان هوای کم فشار، روی همه سیستم های خنک کننده نیز تأثیر می گذارد. این بدان معنی است که رادیاتورها نمی توانند به اندازه کافی کار کنند، جریان هوای خنک کننده برای مجاری ترمز نیز کافی نیست و درنتیجه باعث گرم شدن بیش ازحد همه سیستم ها می شود. به همین دلیل است که رانندگان برای مدیریت این سیستم ها نیز مجبور به عقب نشینی می شوند.
ازاین رو در رقابت های فرمول یک یا F1 تلاش زیادی شده است تا با تصویب یک قانون انقلابی که از سال 2022 لازم الاجرا می شود، از این پدیده تا حد زیادی جلوگیری کند. این قوانین ایرودینامیکی جدید علاوه بر کاهش ایجاد جریان هوای کثیف؛ این هدف را دنبال می کند که هوای متلاطم به داخل مکش شود و از قسمت بالایی خودرو به بالا پرتاب شود تا از بالای سر خودرو عقبی عبور کند. در چنین حالتی، امکان تعقیب کردن خودرو ها توسط یکدیگر در فاصله های کم و سبقت بر سرپیچ ها میسر می شود.
