نکاتی درباره علم آیرودینامیک در طراحی خودرو

مطالعه و بررسی علمی برخورد یک جسم در مقابل جریان هوا را علم آیرودینامیک می‌گویند. امروزه محاسبه ضریب آیرودینامیک خودروها در مکان‌هایی به نام تونل باد صورت می‌گیرد. نزدیک به نود سال است که مقاومت هوا در مقابل حرکت بدنه خودرو، ذهن طراحان آن را در سرتاسر جهان درگیر خود نموده است. زمانی که بحث کاهش مصرف سوخت و آلاینده‌های هوا به میان می‌آید، نقش آیرودینامیک در بدنه خودرو پر رنگ‌تر نیز می‌شود. هر چند که کاربرد این علم در کاهش صدای باد در درون کابین نیز تأثیر بسزایی دارد.

از همان دهه‌های 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 شده‌اند 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.

هوا همانند آب خاصیت چسبندگی دارد. برای مثال، اگر دستمان را لحظاتی چند در درون بطری آب قرار دهیم می‌بینیم که پس از خروج، مقداری از این سیال به آن می‌چسبد و به همین سبب، آب را دارای خصلت چسبندگی دانسته و مولکول‌های آن دارای ویژگی کشش مولکولی هستند. فشار هوا نیز بر حسب ارتفاع محل تغییر می‌کند و هر چه ارتفاع بیشتر شود فشار هوا نیز کمتر می‌شود. اگرچه کمبود فشار هوا در مناطق مرتفع و کوهستانی موجب می‌شود که فشار کمتری به دماغه جلویی خودرو وارد شود ولی در عوض به علت کمبود اکسیژن، شاهد افت راندمان و کارایی پیشرانه آن هستیم و به اصطلاح خودرو کم‌جان‌تر از حد معمول خود می‌شود.

مقاومت هوا در مقابل حرکت بدنه خودرو، بر تحرک و در نتیجه دینامیک و پویایی آن بر روی سطوح متفاوت جاده‌ای تأثیرگذار است. البته این مقاومت در برابر توده هوا، در سرعت‌های پایین مثلاً بین 20 تا 50 کیلومتر چندان محسوس نیست ولی هر چه سرعت خودرو بالاتر رود، بخش بیشتری از توان و نیروی پیشرانه‌اش صرف غلبه بر جریان هوا می‌شود.

در این میان، گذر جریان هوا از روی بدنه یک خودرو یک خلاء در بخش پشتی آن به وجود می‌آورد که به موجب نیروی پسا یا drag می‌شود. رابطه بین سرعت و نیروی مقاومت هوا را به این صورت می‌توان تشریح نمود که مقاومت هوا در سرعت‌های بالای 80 کیلومتر با مجذور سرعت یک خودرو رابطه مستقیم دارد و اینطور می‌توان گفت که اگر سرعت خودرو دو برابر شود مقاومت هوا هم چهار برابر افزایش می‌یابد تا آن حد که خودرو به دیوار یا سد آیرودینامیکی برخورد نموده و در آن حالت، خودرو دیگر توان افزایش سرعت را پیدا نمی‌کند. در اصطلاح آیرودینامیکی، ماکزیمم سرعت یک خودرو را سرعت حد آن می‌گویند که هر خودرویی برحسب فرم آیرودینامیکی خود توان فراتر رفتن از آن سرعت را نخواهد یافت. فرضاً با در نظر گرفتن یک نوع پیشرانه برای دو خودرو مختلف می‌توان گفت آن خودرویی که آ‌یرودینامیک‌تر است، از مصرف سوخت کمتر و چالاکی بیشتری برخوردار است.

در خودروهای اسپرتی نام آشنا از جمله بوگاتی، لامبورگینی، فراری و غیره، همیشه سعی طراحان بر این بوده که تا جای ممکن فاصله کف بدنه خودرو، به ویژه دماغه آن را با سطح زمین به حداقل ممکن برسانند. چرایی این کار بدان سبب است که در زمان حرکت خودرو بیشترین پسا (drag) در بخش زیرین بدنه آن ایجاد می‌شود. به عبارتی، بیشترین تراکم هوای عبوری را ما در این بخش از خودرو شاهد هستیم و همین پدیده خود موجب می‌شود که خودرو یک نیروی برا یا حالت خیز (lift) به سمت بالا پیدا نماید و در صورت استمرار این وضع نیز واژگونی خودرو تسریع خواهد شد.

برای حل نیروی برا (lift) در خودروهای مدرن امروزی، اسپویلرها و دیفیوزرهایی در قسمت های جلو و عقب خودرو و همچنین پنل‌هایی در بخش کناری آن‌ها نصب شده تا از تراکم هوا در بخش زیرین چنین خودروهایی جلوگیری و همزمان، فشار بیشتری به بخش عقب خودرو وارد و تا جای ممکن دماغه خودرو به سمت پایین هدایت شود. از همین رو است که می‌بینیم در خودروهایی با ضریب آیرودینامیک مناسب، دماغه خودرو به سمت پایین و صندوق عقب آن‌ها به سمت بالا طراحی شده است و به اصطلاح با طرح گوه‌ای شکل در آن‌ها مواجه هستیم. در عین حال، رفع لبه‌های تیز در آینه‌های کناری و لبه پنجره‌ها و همچنین آنتن‌ها به بهبود ضریب آیرودینامیک خودرو کمک محسوسی نموده و از مصرف سوخت و صدای پیچش باد در درون کابین می‌کاهد.

در خودروهای شاسی‌بلند، از آنجایی که شکل و فرم بدنه این خودروها به حالت جعبه‌ای شکل بوده و ارتفاعشان نیز ازکف زمین بیشتر از سواری‌های روتین اعم از سدان/کوپه و یا هاچ‌بک/استیشن است، لذا شاهد این قضیه هستیم که مقاومت هوا در بدنه این دسته از خودروها بیشتر بوده و در عین حال، این خودروها از ضریب آیرودینامیک بالاتری هم در قیاس با خودروهای مذکور برخوردارند. در این خودروها با فرض وجود پیشرانه‌ای همسان با نمونه‌های سدان/کوپه یا هاچ‌بک/استیشن مصرف سوخت بالاتر و همچنین، سرعت پایین‌تری را هم شاهد هستیم که این مورد هم از ضریب پسای بالاتر بدنه آن‌ها نسبت به سواری‌های مذکور نشأت می‌گیرد.

امروزه کاهش بیشتر ضریب پسا به عرصه‌ای برای رقابت بین طراحان عمده خودرو در سرتاسر جهان درآمده است. از جمله آیرودینامیک‌ترین خودروها در دنیای مدرن امروزی می‌توان به فولکس‌واگن XL1 با ضریب پسا 0.19 که در سال 2013 معرفی شد و همچنین جنرال‌موتورز EV1 با ضریب پسای 0.19 اشاره نمود که خودروی اخیر در سال 1996 به جهانیان معرفی شد. اما از این دو نمونه خاص که بگذریم؛ در دنیای شلوغ خودروهای تولید انبوه، مرسدس‌بنز CLA180، ب‌ام‌و 520D و پورشه تایکان، هر سه با ضریب پسای 0.22 در زمره آیرودینامیک‌ترین خودروهای مدرن در دنیای پیشروی صنعت حمل و نقل هستند.