Aerodinamika: upravljanje strujanjem zraka oko automobila

Aerodinamičko oblikovanje koristi se u estetske, ali i funkcionalne svrhe. Ako se osvrnemo na funkcionalne razloge, kod automobila upravljanje aerodinamikom služi pomicanju (relativne) struje zraka oko automobila. U konačnici se pokušava postići tri cilja: smanjiti otpor zraka, osigurati svježi zrak za hlađenje ili usis (moguće i uz efekt prednabijanja), i umanjiti uzgon ili stvoriti pritisak (eng. downforce). U nastavku teksta pogledajmo kako se ostvaruju i na koji se način te grupe ciljeva preklapaju.

Snižavanje otpora zraka
U dokumentarnom filmu Super Speedway zabilježena je odlična, romantična izjava o aerodinamici trkaćih automobila sredine 20. stoljeća, a parafrazirano glasi: U to vrijeme nisu znali ništa o aerodinamici; mislili su, ako dobro izgleda, ići će brzo. Otpor zraka raste s porastom brzine (točnije, raste razmjerno s kvadratom brzine) pa pri višim brzinama smanjivanje otpora zraka ima znatne efekte na potrošnju goriva, stabilnost i maksimalnu brzinu. Šira upotreba aerodinamičnog dizajna u automobilima počela je 1930ih godina s Art Deco stilom i popularizacijom aero-oblikovanja (eng. streamlining). Fotografija automobila Chrysler Airflow i lokomotive Union Pacific M-10000 lijepo dočarava tu eru; tada su i kamioni bili naglašeno estetsko-aerodinamički zaglađeni (poput Dodgea na fotografiji na kraju teksta). Karoserija (i posebno neki elementi, poput vanjskih retrovizora) današnjih automobila pažljivo se oblikuju kako bi stvarali čim manji otpor zraka, ali i davali neku potisnu silu. Bitan faktor je i onaj koji se obično ne vidi: podnica automobila. Ako se izravna i ako se elementi poput ovjesa ili ispušne cijevi sakriju od protjecanja zraka ispod automobila, smanjuje se otpor i ubrzava zrak ispod auta u odnosu na zrak iznad. To je osnova tzv. ground efekta. Često rješenje (zbog praktičnosti) za smanjivanje otpora zraka je i tzv. Kammov rep, “odrezani” rep automobila nakon krova čija se linija spušta prema kraju kabine i prostoru gepeka.

Ventilacija
Na nekim se mjestima strujanje zraka odvoji od karoserije, što može biti loše ako nastaje nepoželjno vrtloženje. No, nekad treba stvoriti otvore koji poremete vanjski tijek zraka, ali pomažu ventiliranju, tj. hlađenju motora ili kočnica. Brzi zrak (tj. brza vožnja u odnosu na zrak) prelazi preko otvora i stvara potlak pa pomaže izvlačenju vrućeg zraka van, ili pak izvlačenju prljavog (nepoželjna kovitlanja) zraka iz prostora oko kotača (npr. otvori iznad prednjih kotača na Dodge Chargeru Daytona). Još jedan efekt koji se može naglasiti i iskoristiti aerodinamičkim svojstvima je izvlačenje ispušnih plinova iz ispušnog sustava i njihovo (pre)usmjeravanje na aerodinamički korisne elemente karoserije poput difuzora postavljanjem kraja ispušne cijevi tako da zrak koji automobil izmiče oko sebe struji preko nje. Može se iskoristiti i Meredithov efekt, pri čemu se zrak zagrijan otpadnom toplinom (ispuh ili zrak za hlađenje) može nakon zagrijavanja usmjeriti kroz sužavajući kanal, pa proizvodi korisni potisak (korišteno najčešće u sustavima hlađenja u avionima od 1930ih).

Potisna sila (downforce)
Ground efekt je rezultat djelovanja nekoliko principa iz dinamike fluida, prvenstveno Bernoullijevog principa i Venturijevog efekta. Ukratko, Bernoullijev princip kaže da s povećanjem brzine fluida pada tlak fluida, a Venturijev efekt je pad tlaka fluida (i povećavanje brzine) kada se cijev kroz koju se fluid kreće sužava. Kada se podnica auta izravnava, pegla, u odnosu na cestu i strujanje vanjskog zraka ostvaruju se takvi uvjeti. K tome se na kraju auta može dodati difuzor, element čija je osnovna svrha stvoriti prijelazni i veći prostor između ceste i automobila kako bi zrak usporio bliže brzini strujanja zraka koji dolazi preko automobila. Tako se te dvije struje mirnije sastaju (u konačnici manje kovitlanja i otpora) i zato su stražnji dijelovi trkaćih i sportskih modela podignuti od tla više nego prednji ili bočni. Kako smo već spomenuli, u dizajniranje strujanja zraka oko (uključujući i ispod) automobila uključuje se i slanje jednih struja u druge, poput ispuha. Očitiji aero elementi za downforce su splitteri i spojleri. Prate slične principe kao avionsko krilo, ali umjesto uzgona, okrenuti su da daju pritisak. Poželjno ih je smjestiti na mjesta visokog pritiska zraka radi povećanja efikasnosti, ali i tu postoji više varijabli, od kuta napada do djelovanja na ovjes. Zato neki automobili imaju tzv. aktivnu aerodinamiku, spojlere koji mijenjaju kut u odnosu na smjer kretanja vozila kako bi smanjili otpor zraka na ravnici ili pojačali otpor (dobivajući korisni pritisak na auto) u zavojima ili drugim predviđenim uvjetima. Tu se mogu ubrojiti i tzv. zračne kočnice, postavljanje spojlera okomito na smjer kretanja vozila. Drugi pak računaju kako je umjesto s karoserijom, spojlere bolje povezati s neovješenim podvozjem tako da manje mijenjaju kut s gibanjem auta i da autu ne varira ponašanje ovjesa ovisno o dodatnom opterećenju koje spojler proizvodi. Kompromis na varijanta je automatsko niveliranje spojlera, a primjer je Zenvo TSR-S koji ima spojler na karoseriji koji se postavlja u optimalni položaj preko elektronički kontroliranih teleskopskih nosača. I sami nosači spojlera remete strujanje zraka pa se pažnja posvećuje i odmicanju aktivne površine spojlera od nosača koji su tada često u obliku labuđeg vrata.

Usis i efekt prednabijanja
Na mjestima visokog pritiska postavljaju se i usisi, a za efekt prednabijanja zraka (tlak usisnog zraka veći od atmosferskog) može se koristit tzv. ram-air sustav. Radi se o posebno oblikovanoj usisnoj grani, od otvora na karoseriji do usisnog ventila, temeljenoj uglavnom na Venturijevom efektu. Ram-air usis smanjuje dinamički pritisak zraka u usisnoj grani kako bi se povećao statički i time se dobio efekt prednabijanja. To se postiže povećanjem presjeka usisne grane kako se bliži komori za izgaranje, budući da fluid usporava razmjerno povećanju presjeka cijevi kroz koju se kreće.

Osim tvorničkih usisnih grana (neki modeli koriste varijabilnu geometriju), za smirivanje usisnog zraka i iskorištavanje Helmholtzove rezonance koriste se usisne cijevi zvane trubice, zbog potrebnog oblika. Njihov se presjek može smanjivati kako se bliže komori za izgaranje. Helmholtzova rezonanca je fenomen rezoniranja zraka preko otvora nekog spremnika, npr. puhanja preko grla flaše, ali i strujanja zraka preko usisne grane motora. Otvaranje usisnog ventila u pravom trenutku može iskoristiti to ponašanje kako bi se u komoru za izgaranje zaletjela veća količina zraka.

Zračni tuneli
Osim računalnih simulacija (Czinger na naslovnoj fotografiji velikim je dijelom dizajniran uz pomoć računala i umjetne inteligencije pa je tako razvijena šasija “presvučena” završnim slojem, aerodinamičnom karoserijom), za projektiranje aerodinamičkih svojstava koriste se i zračni tuneli (eng. wind tunnel). Koriste se od kraja 19. stoljeća, a umjesto pokretanja ispitivanog objekta, pokreće se sami zrak; struji preko testiranog objekta (npr. modela aviona, automobila, broda, zgrade…) i tako se testiraju aerodinamičke karakteristike poput distribucije pritiska na model, uzgona, otpora itd.