Îți povestim atât de des despre CX, forță de apăsare și turbulențe de aer, dar niciodată nu intrăm în detalii. Acum a sosit acel moment. Ce se întâmplă cu o mașină care se deplasează cu viteză mare? De ce este atât de importantă gestionarea eficientă a curentului de aer? Toate răspunsurile ne sunt date de principiile aerodinamicii! Text: Marco Perucca Orfei. Adaptare: Bogdan Grigorescu. Foto: Quattroruote, Alfa Romeo
Aerodinamica automobilelor este o știință tânără. Abia la sfârșitul anilor ’70 au fost realizate primele studii cu rezultate notabile. Până atunci, eficiența designului unei mașini era încredințată geniului artistic al designerului, care, pe baza propriei experiențe și a tehnicienilor companiei, dădea o formă plăcută foilor de tablă, formând elementele caroseriei. Până atunci au fost folosite inclusiv teoriile dezvoltate pentru avioane (vezi modelele din anii ’50), însă acestea nu erau corect adaptate vehiculelor terestre.
Principiile aerodinamicii – începuturile
Primele studii importante au fost realizate după criza petrolului din 1973, care i-a forțat pe toți producătorii să își revizuiască prioritățile și să pună în prim-plan reducerea consumului de combustibil. Un laitmotiv care a devenit tot mai important în viitorii ani, pentru că este direct legat de emisii și de cantitatea de CO2, probleme foarte importante azi. În paralel, în competițiile auto s-a ajuns la o limită superioară a puterii motoarelor concomitent cu o scădere accentuată a greutății, așa că eforturile s-au concentrat într-un final și pe aerodinamică. Astfel s-au pus bazele unei noi științe.
Principala problemă este că, spre deosebire de avioane, mașinile nu se mișcă într-un spațiu liber, ci sunt permanent în contact cu solul. Un detaliu deloc neglijabil. Așadar a apărut nevoia de a dezvolta programe noi de calcul și de a construi tuneluri de vânt, de multe ori costisitoare, din cauza dimensiunilor mari, care să simuleze cât mai fidel efectul aerului asupra mașinii.
Principiile aerodinamicii – generalități
Fiecare obiect care se deplasează într-un fluid – în cazul nostru, aerul – este supus unei forțe care acționează într-un punct precis, numit centru de presiune. Mașina are un profil simetric față de planul vertical (partea stângă se oglindește în cea dreaptă), dar asimetric în plan orizontal (jumătățile inferioară și superioară sunt diferite). Drept urmare, dacă descompunem forța aerodinamică pe cele trei axe principale ale mașinii, vom găsi o componentă laterală cu valoare aproape zero și două componente foarte importante care acționează de-a lungul axei longitudinale și a celei verticale – rezistența aerodinamică, respectiv portanța (sau deportanța, dacă este negativă, deci îndreptată în jos).
Rezistența aerodinamică de pe axa longitudinală este influențată de două aspecte distincte, forma și dimensiunea caroseriei. Aerul, deși e greu să ne imaginăm asta, aderă perfect la suprafața unui obiect aflat în mișcare, deci, în cazul nostru, la caroserie. Prin urmare, la suprafața caroseriei există o zonă subțire, numită „strat-limită“, unde viteza aerului trece de la zero la cea a mașinii.
sursa foto: mdpi.com
Acolo, straturile de aer au viteze diferite, deci curg unul peste altul, și, din cauza vâscozității, care este o proprietate intrinsecă a oricărui fluid, creează frecare.
Grosimea stratului limită variază de la câțiva milimetri în zona din față a mașinii, ajungând la câțiva centimetri pe măsură ce se deplasează de-a lungul caroseriei spre spate, iar curgerea poate fi laminară sau turbulentă.
Citește pe autoexpert ➡ Toate exemplarele Alfa Romeo Giulia GTA au fost vândute! 💡
În primul caz, viteza diferitelor straturi de aer crește conform unei legi bine definite, de la exterior înspre suprafața caroseriei. În al doilea caz, creșterea vitezei este dezordonată. Dacă stratul-limită e laminar, rezistența la frecare este mai mică. Din păcate, e greu să se mențină o curgere laminară pe toată suprafața caroseriei. Asta, din cauză că, pe zonele curbate, cu forme complexe, pe care le au mașinile din zilele noastre, curentul de aer simbolizat de mica dâră de fum din tunelul aerodinamic se desprinde de suprafața caroseriei. Iar această desprindere trebuie evitată pe cât posibil, deoarece lărgește urma din spatele mașinii.
De aceea, designerii tind să adauge mici deflectoare de aer, adeseori ascunse vederii, care să dirijeze curentul în mod controlat pe lângă caroserie. Acestea formează în spatele mașinii o zonă puternică de depresiune, din cauza faptului că straturile de aer care trec pe lângă caroserie tind să se unească.
Citește pe autoexpert ➡ Cel mai aerodinamic concept Mercedes-Benz! 💡
Acum, să ne concentrăm pe cealaltă componentă, cea de pe axa verticală. Ca urmare a formei bombate în sus și curbelor caroseriei, aerul care trece pe deasupra are de străbătut o distanță mai mare decât cel care trece pe sub mașină. Deci trebuie să accelereze ca să ajungă în spate în același timp cu el. Din teorema lui Bernoulli reiese că presiunea de pe o suprafață scade dacă fluidul cu care e în contact curge mai repede. Deci, aerul accelerează pe capota motorului (iar presiunea scade), apoi încetinește pe parbriz (presiunea crește), accelerează din nou pe plafon (unde, de obicei, presiunea e cea mai mică).
La capătul din spate al caroseriei, situația se inversează, ce-i drept cu diferențe legate de tipul caroseriei. Pe scurt, există o diferență de presiune între partea de sus și cea de jos a mașinii, care dă naștere unei forțe de obicei îndreptate în sus (ridică mașina). Prin urmare, cu cât crește viteza, cu atât mașina tinde să se ridice de pe sol, adică să reducă presiunea cu care anvelopele apasă pe asfalt și, deci, să scadă aderența.
Formula magică
Dacă încă citești și nu te-am plictisit cu principiile, acum e momentul de cotitură, în care ne ocupăm de formule. Așadar, dacă notăm cu P (ro) densitatea aerului (1,225 kg/m3 la nivelul solului), cu V viteza cu care merge mașina și cu S suprafața frontală a mașinii, forța aerodinamică ce se opune înaintării autoturismului poate să fie calculată cu formula din pagina a doua. Singura necunoscută din ecuație este valoarea CX, numită coeficient aerodinamic. O formulă similară, în care apare necunoscuta CP (coeficient de portanță), ne permite să calculăm forța care acționează vertical asupra mașinii.
Practic, aceste două valori reprezintă cheia care rezolvă ceea ce am scris mai sus. Producătorii le măsoară folosind tehnici rafinate, ce implică tuneluri de vânt. Noi le măsurăm prin metode experimentale pe pistă. În zilele noastre, este imperativ ca producătorii să limiteze emisiile de CO2. Iar țelul lor nu se poate realiza decât prin scăderea consumului. Drept urmare, este vital să scadă rezistența aerodinamică, care depinde de suprafața frontală a mașinii și de CX. Deci, SUV-urile, înalte și butucănoase, au un dezavantaj din start.
CX bun, sau aderență crescută?
Pe de altă parte, rezistența la înaintare crește cu pătratul vitezei, adică de patru ori când viteza se dublează. Aviz amatorilor care merg tare pe autostradă. Așadar este esențial ca aerul să curgă peste caroserie fără să se desprindă. Astfel, va fi redusă lățimea urmei lăsate de mașină în spate. Ei bine, fix în spate are designerul cele mai simple mijloace de a reduce CX-ul. Poate folosi eleroane, difuzoare și deflectoare de aer, care să reducă rezistența la înaintare.
Dar ce se întâmplă cu aerul de sub caroserie? Dacă îl canalizezi pe sub bara de protecție, aerul este forțat să circule printr-o secțiune redusă. Aceasta accelerează debitul și, implicit, scade presiunea (Bernoulli). Deci, mașina se lipește de șosea, cu prețul unei creșteri a rezistenței la înaintare.
Citește pe autoexpert ➡ Test cu cel mai aerodinamic SUV pe care l-am condus! 💡
Este o problemă care însă poate deveni o oportunitate fantastică dacă e utilizată corespunzător. După ce au fost mereu neglijate de către designeri, podelele mașinilor au intrat brusc în atenția acestora în 1977. Atunci, monopostul de F1 Lotus 78 a luat în calcul efectul de sol, grației genialului designer Colin Chapman. Ferrari a fost prima companie care a folosit efectul de sol la un model de stradă, F355, din 1994. Pe scurt, desenul din zona inferioară trebuie să accelereze cât mai mult aerul în față și să-l frâneze spre spate, fără a-l desprinde de caroserie. Iar asta e greu, dar nu imposibil. Poți să scazi inclusiv CX-ul dacă folosești un difuzor corect desenat în bara spate.
Sigur, există și o cantitate de aer care trece prin mașină. Este folosită la răcirea radiatoarelor și frânelor, precum și pentru admisia de aer a motorului. Aceasta produce rezistență la înaintare. Cel mai important este însă pe unde iese aerul, după ce a răcit subansamblurile. În trecut, era scos la întâmplare pe sub caroserie. Dar acum, nu mai e posibil din cauza scuturilor cu suprafață mare. Așa că se adoptă diverse fante care să elimine aerul, scăzând rezistența la înaintare.
Efectul de sol
Ferrari 348 s-a retras fără prea multe regrete, în 1994. În locul său a apărut F355 (foto), sub conducerea lui Luca di Montezemolo. Noul model oferă numeroase inovații tehnice, inclusiv o soluție aerodinamică fără precedent. Acest coupé are o podea aproape complet plată. Aceasta produce un efect de sol ușor de simțit de la volan. Rezultatul a fost parțial, pentru că F355 a folosit ca bază 348, iar proiectanții nu au avut libertate totală.
Mult mai bine s-a simțit la 360 Modena (1999). Un model complet nou, care a profitat la maximum de curentul de aer de sub caroserie. În locul radiatorului mare instalat central au fost montate două laterale. Acestea au lăsat loc în centru pentru a crește cantitatea de aer care circulă pe sub caroserie. Și suspensia din spate a fost redesenată, pentru a crește zona carenată de sub puntea posterioară. Evacuările au fost special desenate pentru a anula nevoia unui difuzor aerodinamic sub bara de protecție. Rezultatul: mașina „se lipea“ fabulos de asfalt, pe măsură ce creștea viteza.
Testele noastre
Spre deosebire de producători, care obțin valorile CX-ului în tunelul de vânt, Quattroruote calculează coeficientul aerodinamic pe baza testelor experimentale pe circuit. Sunt utilizate diferite date colectate la testele de Coast Down (mașina încetinește cu transmisia în N, de la diferite viteze). Suprafața frontală este calculată folosind un algoritm dezvoltat de tehnicienii noștri. Deci, valorile pe care le publicăm se referă la mașină în condiții reale de utilizare pe șosea, circulând cu 100 km/h. Iată un scurt tabel cu cele mai aerodinamice mașini pe care le-am testat până acum.
| Model | CX determinat |
|---|---|
| Škoda Enyaq iV 80 | 0,257 |
| Mercedes-Benz C 220 d | 0,259 |
| Tesla Model 3 Long R. | 0,269 |
| Audi e-tron Sportback | 0,271 |
| Mercedes-Benz A 180 d Sedan | 0,271 |
| Toyota Prius | 0,273 |
| Opel Astra Sports Tourer | 0,274 |
