Wiecie, dlaczego samolot wzbija się w powietrze? Ciąg jest generowany przez silniki odrzutowe. Jednak one nadają jedynie prędkość. Za unoszenie się samolotu odpowiada siła aerodynamiczna.
Siła nośna, czyli czemu samoloty latają?
Przytaczając definicje można powiedzieć, że wynika ona z równania Bernoulliego. Wiadomo, że suma ciśnień statycznego i dynamicznego podczas przepływu strugi płynu jest stała. Z tego względu, gdy poruszający się płyn natrafi na zwężenie (np. dysza zbieżna), wzrasta jego prędkość, a co za tym idzie ciśnienie dynamiczne. Spada natomiast jego ciśnienie statyczne.
Tym samym, jeżeli rozpatrzymy to dla przypadku awiacji zauważymy, że przód płata – opływowego skrzydła (nosek), stanowi dla powietrza przeszkodę o kształcie przypominającym dyszę zbieżną. Wypukłość sprawia, że powietrze przemieszczające się nad skrzydłem ma większą prędkość niż pod nim, a co za tym idzie ciśnienie statyczne u góry jest niższe niż na spodzie. Z tych rozkładów ciśnienia wynikają parcia, na grzbiet i spód płata. Parcie na część dolną jest większe niż na górną, więc wypadkowe parcie skierowane jest do góry i nazywa się je siłą nośną.
Właśnie dlatego samoloty wznoszą się w powietrze. Jednak aerodynamika jest ważna nie tylko w lotnictwie. Odgrywa ona dużą rolę w przypadku motoryzacji. Popularnie przytaczanym współczynnikiem oporu powierza jest Cx. Jest to nic innego jak współczynnik oporu aerodynamicznego. Podawany jest jako wartość bezwzględna i określa doskonałość oporu. Tym samym im współczynnik jest mniejszy tym opływowość jest lepsza.
Co to oznacza w praktyce? Otóż im karoseria auta ma bardziej opływowy kształt, tym stawia mniejszy opór i potrzebna jest mniejsza ilość energii, aby przezwyciężyć dany opór. Określa się go w tunelu aerodynamicznym, gdzie na pojazd kierowany jest strumień powietrza.
W kolejnym kroku mierzy się siłę jaka działa na ten obiekt. Im jest ona większa tym gorszy współczynnik oporu powietrza zostanie uzyskany. Należy też zaznaczyć, że opór powietrza jest geometryczny względem przyrostu prędkości. Mówiąc prościej – im szybciej się przemieszczamy tym stawiany jest większy opór.
Aerodynamika - wyzwanie dla projektantów
Wyżej opisane zagadnienia stanowią wyzwanie dla projektantów oraz inżynierów, którzy muszą wziąć pod uwagę nie tylko kształt pojazdu, ale także aerodynamikę.
Karoserie samochodów projektowane są w taki sposób, by przyciągały wzrok, a zarazem były bezpieczne oraz miały opływowe kształty, stawiające jak najmniejszy opór aerodynamiczny. Im mniejszy współczynnik oporu powietrza, tym mniejsze zapotrzebowanie na energię niezbędną do napędzania pojazdu. W praktyce owa energia przekłada się na średnie zużycie paliwa lub prądu (w przypadku pojazdów elektrycznych), co w dobie coraz ostrzejszych norm emisji zanieczyszczeń ma kluczowe znaczenie z puntu widzenia budowy pojazdów.
– komentuje Mikołaj Krupiński, Rzecznik Prasowy Instytutu Transportu Samochodowego.
Zagadnienie aerodynamiczne jest znaczące zwłaszcza w przypadku ultraszybkich pojazdów wyścigowych, których prędkość maksymalna przekracza 300 km/h. Warto zaznaczyć, że jest to prędkość, przy której starują już średniej wielkości samoloty.
To właśnie z tego względu konieczne jest odpowiednie opracowanie opływowości samochodu oraz zadbanie o zwiększający się docisk wraz ze wzrostem prędkości, tak aby samochód nie zamienił się w samolot i nie oderwał się od ziemi. Odpowiednia aerodynamika ma jeszcze jeden istotny aspekt. Otóż dobrze zaprojektowana zmniejsza natężenie hałasu. Chodzi nie tylko komfort dla podróżujących, ale też dla otoczenia.
Fakt, że opór aerodynamiczny rośnie geometrycznie w stosunku do prędkości, wymusza projektowanie (z użyciem technik modelowania komputerowego) i budowanie karoserii, które będą minimalizować zużycie paliwa przy większych prędkościach. Aerodynamiczna karoseria ma także inną zaletę – generuje mniejsze natężenie hałasu towarzyszące opływowi powietrza wokół nadwozia, a hałas w miastach w ok. 90 proc. jest udziałem transportu drogowego.
– dodaje Krupiński.
Czasami aerodynamika jest wręcz kluczowa
Wysoce zaawansowanych pojazdów pod względem aerodynamicznym jest na rynku sporo. Nie są to jednak tanie auta. Dla przykładu w modelu McLaren 720S aerodynamika została tak zaprojektowana, aby zapewniać siłę dociskową z przodu. Oczywiście dla lepszych właściwości trakcyjnych.
Do tego w nadwoziu nie ma ostrych przetłoczeń. Są tak zaprojektowane, aby przepływ powietrza po nadwoziu był jak najbardziej płynny i w tylnej części „przyspieszał”. Nie zabrakło też wysuwanego i elektrycznie sterowanego tylnego spojlera, który po wysunięciu generuje dodatkową siłę dociskową.
Wszystko po to, aby zapewnić odpowiedni docisk niezależnie od prędkości poruszania się samochodem oraz po to, aby w razie potrzeby wyhamować nim na jak najkrótszym odcinku drogi.
Samochód w czasie jazdy musi pokonywać pewne opory. Opory powietrza są jednymi z największych. Zależą od wyznaczanego doświadczalnie współczynnika Cx odniesionego do powierzchni czołowej pojazdu i prędkości jazdy. Opory powietrza i utożsamiany z nimi współczynnik Cx mają wpływ na zużycie paliwa, hałas czy np. stabilność prowadzenia. W samochodach pod kątem oporów aerodynamicznych analizuje się siłę oporu oraz siłę nośną. Ta ostatnia (o zwrocie w górę) przy większych prędkościach może powodować tendencję do wpadania pojazdu w poślizg, dlatego też stara się ją ograniczać, a w autach o wyższych osiągach zmieniać zwrot tej siły, aby zapewnić docisk do podłoża. Przy projektowaniu samochodów z niskim współczynnikiem Cx pomagają odpowiednie ukształtowanie elementów nadwozia, ale i podwozia. W przypadku nadwozia nacisk kładzie się na pokrywę silnika i jej krawędź, sposób przejścia z płaszczyzn maski na płaszczyznę szyby czołowej oraz przejścia z szyby czołowej na płaszczyznę dachu oraz szyb bocznych. Nie bez znaczenia pozostaje również sposób zakończenia nadwozia, jego wysokość, czy kształt i wielkość lusterek bocznych.
– komentuje Mateusz Bednarski z Zakładu Silników Spalinowych Instytutu Pojazdów Wydziału Samochodów i Maszyn Roboczych Politechniki Warszawskiej.
McLaren aby zrobić swój samochód jak najlżejszym postanowił wykorzystać do jego budowy stopy aluminium, magnezu i włókna węglowego. To sprawia, że sztywność karoserii zachowana jest na odpowiednim poziomie, przy jednoczesnym zachowaniu jej wytrzymałości oraz lekkości.
Są to tylko niektóre z zabiegów, które wykorzystuje się, aby osiągnąć jak najmniejszy współczynnik Cx oraz jak najlepszą aerodynamikę. W superzaawansowanych modelach, to komputery zarządzają nie tylko tylnym wysuwanym skrzydłem, ale też przednim albo nawet unoszeniem lub opuszczaniem zawieszenia w celu odpowiedniej regulacji prześwitu.
