Nie trzeba być szczególnie spostrzegawczym, żeby zauważyć, że pożądamy prędkości, a dynamiczne, sportowe wozy przyprawiają nas o szybsze bicie serca. Czy jednak to, co pod maską, jest jedynym wyznacznikiem zadziornego, sportowego ducha stojącej przed nami maszyny?
Ilekroć spojrzymy na stuningowane pojazdy, wydaje się, że ich właściciele największą wagę przykładają do tak zwanego tuningu optycznego. Dodatkowe płaty montowane w tylnej części nadwozia, spoilery na przednim zderzaku, boczne osłony czy obniżone zawieszenie to standard. Mało kto jednak w tym pamięta, gdzie i po co takie elementy w ogóle powstały.
Otóż - jak w większości przypadków - tak i tym razem technologia wprowadzana do samochodów montowanych seryjnie została zaczerpnięta z pojazdów rekordowych i wyścigowych. A tam wcale nie chodziło o zadziorny czy atrakcyjny wygląd, lecz o surowe wymagania aerodynamiki! Jest to jednak bardzo ogólne stwierdzenie i należałoby się zastanowić, jakie konkretnie parametry podlegają optymalizacji. W świecie samochodów osobowych przywykliśmy do tego, by na hasło „aerodynamika” w mgnieniu oka przywołać w myślach współczynnik Cx i dążenia do osiągnięcia jak najniższej jego wartości. Należy jednak zdać sobie sprawę z tego, że jest to jedynie niewielki fragment pełnej aerodynamicznej charakterystyki pojazdu, na którą składają się między innymi współczynniki Cy, Cz mówiące o siłach działających na pojazd w pionie i na boki oraz wiele innych. Współczynnik Cz pozwala określić, jaka siła będzie działać na pojazd w kierunku pionowym, odpowiada zatem za siłę zwaną zależnie od jej zwrotu siłą nośną lub siłą docisku aerodynamicznego.
Zasadniczą różnicą między projektowaniem pojazdów codziennego użytku i bolidów wyścigowych jest jednak to, że w przypadku samochodów osobowych dąży się do zmniejszenia Cx, a co za tym idzie do redukcji zużycia paliwa, podczas gdy w przypadku bolidów Formuły 1 niewielki Cx jest kwestią drugorzędną (bolidy F1 mają współczynnik Cx równy w przybliżeniu jedności, czyli około 3 razy wyższy niż dzisiejsze konstrukcje osobowe!!!), za to dużo dbałości poświęca się uzyskaniu jak najsilniej ujemnych wartości współczynnika Cz, czyli uzyskaniu dużej wartości siły docisku.
Przez analogię do współczynnika oporu możemy z następującego wzoru obliczyć siłę oporu aerodynamicznego:
Współczynnik siły nośnej Cz zdefiniowany jest poniższym wzorem:
gdzie Fx oznacza siłę oporu aerodynamicznego, ρ - gęstość powietrza, A – powierzchnię czołową, v – prędkość opływu nadwozia, zaś Fz siłę nośną (czyli skierowaną ku górze). Warto w tym momencie zauważyć, że współczynnik Cx ma zawsze wartość dodatnią i wbrew temu, co niektórzy sądzą, może przekraczać jedność. Natomiast współczynnik siły nośnej może przyjmować wartości zarówno dodatnie jak i ujemne, gdy siłę Fz nazywamy siłą docisku. Ciekawostką jest to, że Cz nie jest odnoszony do powierzchni nadwozia w rzucie z góry, mimo że jest to istotnie powierzchnia, na którą oddziałuje różnica ciśnień między górną i dolną częścią nadwozia, lecz dla wygody obliczeń Cz (choć nieco sztucznie) jest tak jak Cx odnoszony do powierzchni czołowej pojazdu.
Co jednak z tego wszystkiego wynika? Tory Formuły 1 dość często są torami nie tyle szybkimi (o długich odcinkach prostych), co raczej krętymi, zatem jeśli chce się uzyskiwać najlepsze czasy, należy opracować technikę pozwalającą na pokonywanie zakrętów z dużymi prędkościami. Z autopsji dobrze wiemy, że grozi to naturalnie wypadnięciem z zakrętu z powodu utraty przyczepności opon. A jak dobrze pamiętamy z lekcji fizyki, siła tarcia zależy wprost proporcjonalnie od nacisku na daną oś. Zwiększenie masy bolidu tak, aby dociążyć osie, nie ma oczywiście najmniejszego sensu, gdyż spowodowałoby po pierwsze pogorszenie dynamiki, a po drugie zwiększenie sił bezwładności na zakrętach, więc w rezultacie zniwelowałoby efekt większego nacisku. Rezultat? Zakręty wciąż pokonywalibyśmy z dokładnie taką samą prędkością.
Potrzebny byłby zatem efekt, który zwiększałby siłę nacisku na osie bez zwiększania masy pojazdu. Siła aerodynamiczna jak najbardziej spełnia te warunki. Jakie korzyści przynosi to kierowcy bolidu F1? Możliwość uzyskiwania na zakrętach bocznych przeciążeń rzędu 3g (a nawet większych), a więc przejazd z większą prędkością. Dla porównania warto wspomnieć, że w przypadku samochodów osobowych opony charakteryzują się współczynnikiem przyczepności na poziomie 0,9, co umożliwia uzyskiwanie bocznych przyspieszeń dochodzących do 1g. Skąd więc aż taka duża różnica? Po pierwsze - samochody wyścigowe wyposażone są w specjalne opony o współczynniku przyczepności nawet około 1,5. Po drugie - przy prędkości zbliżonej do 300km/h przy dobrej konstrukcji bolidu udaje się uzyskać wartość aerodynamicznej siły docisku przekraczającej jego ciężar, co daje efekt zwiększenia nacisku na opony nawet do ponad dwukrotności ciężaru samochodu! We wczesnych latach 90. przeciętnie bolidy charakteryzowały się powierzchnią czołową około 1,4m2, a udawało się osiągać Cz równy nawet -1,95. Przy prędkości 300km/h pozwalało to uzyskać siłę docisku aerodynamicznego przekraczającą ciężar jednej tony, co przy masie bolidu wynoszącej ok. 600kg daje niemal dwukrotność jego ciężaru!
Umieszczony pod nosem nadwozia płat przedni i w oddali płat tylny
Teraz jednak pojawia się jeszcze pytanie, jak zmusić samochód do tego, by przyssał się do jezdni. Inżynierowie wymyślili sporo sposobów uzyskania tego efektu, jednak wiele z nich - po serii wypadków - zabroniono regulaminem. Przyjrzyjmy się więc tym stosowanym obecnie.
Chyba najbardziej znaną wszystkim miłośnikom samochodów sportowych metodą wpływania na aerodynamikę pojazdu jest dodanie tak zwanych spoilerów, czyli faktycznie płatów dociskowych. Działają one na tej samej zasadzie, co profil lotniczy, z tą jednak różnicą, że muszą być obrócone do góry nogami aby wytwarzały siłę docisku. W tym stwierdzeniu jest jednak duże uproszczenie, gdyż w przeciwieństwie do skrzydła samolotu znajdującego się w niemal niezaburzonym powietrzu, płat samochodu pracuje w bliskości ziemi, gdzie dość silne są przepływy poprzeczne, a nie tylko równoległe do kierunku jazdy. Niemniej jednak płat przez swój odpowiedni profil wymusza na jednej powierzchni przepływ ze zwiększoną prędkością w stosunku do drugiej powierzchni. W rezultacie z równania Bernoulliego wynika, że na powierzchni szybciej opływanej pojawia się podciśnienie, zatem w efekcie różnicy ciśnień na dolnej i górnej powierzchni płata zjawia się siła unosząca samolot lub - w przypadku samochodu - siła dociskająca. Warto przyjrzeć się bolidom Formuły 1, w których płaty konstruowane są z niezmierną precyzją, gdyż regulaminy dokładnie określają ich maksymalne rozmiary. I tak też w przypadku przedniego płata umieszczonego przed przednią osią ciekawostką od kilku lat jest wygięcie go w centralnej części ku dołowi (pod zadarty ku górze nos). Umożliwia to wykorzystanie wpływu ziemi, gdyż w jej bezpośredniej bliskości płat generuje większą siłę dociskającą. Samo wygięcie jest zabiegiem mającym na celu obejście regulaminu, który tylko w środkowej części płata nie określa jego odległości od nawierzchni. Na jego krańcach wymagane jest stosunkowo dalekie od ziemi umiejscowienie, co zmniejsza wpływ pionowych ruchów nadwozia na niebezpieczeństwo nagłej utraty siły docisku.
Widoczne przedni i tylny płat dociskowy
Tylny płat oprócz generowania siły docisku ma też dodatkowe zadanie - intensyfikację przepływu pod nadwoziem. Jest to uzyskiwane przez umieszczenie płata w odpowiednim miejscu na ściśle określonej wysokości nad nadwoziem. Wyznacza się ją na podstawie długotrwałych badań w tunelach aerodynamicznych. Stąd też spoilery montowane dodatkowo na prywatnych samochodach mogą mieć, nawet przy doskonałych osiągach płata w przepływie niezakłóconym, znikomy, lub może nawet odwrotny wpływ niż ten, którego byśmy oczekiwali. Należy bowiem pamiętać, że zależności między poszczególnymi, pozornie niemającymi ze sobą nic wspólnego elementami nadwozia są bardzo skomplikowane, a opływ powietrza wokół nadwozia jest daleki od przepływu niezakłóconego.
Tak czy inaczej dobrze zestrojony tylny płat pozwala zintensyfikować przepływ powietrza pod nadwoziem i w połączeniu z działaniem dyfuzora zwiększa tak zwany efekt przyziemny. Dyfuzor to kanał w spodniej części nadwozia którego przekrój zwiększa się ku tyłowi. Czasem stosowane są nawet dodatkowe kierownice stabilizujące przepływ. Natomiast efekt przyziemny opiera swoje działanie również na równaniu Bernoulliego. Część napływającego od przodu na bolid powietrza przepływa pod pojazdem, wobec czego musi przyspieszyć, aby zachowana była ciągłość przepływu. Z równania Bernoulliego wynika natomiast, że w miejscu zwiększonej prędkości przepływu spada ciśnienie. Za to ciśnienie na wierzchniej części nadwozia jest wyższe, zatem ponownie pojawia się siła docisku. Kogo naukowe zaufanie do równania Bernoulliego nie przekonuje, może sam doświadczyć jego słuszności, przeprowadzając zaproponowany na końcu artykułu eksperyment!
Dyfuzory z kierownicami stabilizującymi przepływ
Jednak konstrukcja nawet takich pojazdów jak wyścigówki Formuły 1 nie ma samych zalet. Wymogiem regulaminowym jest stosowanie odkrytych kół, co nie jest uwarunkowane żadnymi konkretnymi przesłankami, wynika jedynie z przyjętej umowy. Umowy, z którą inżynierom niełatwo się zmierzyć. Problem bowiem polega na tym, że nieosłonięte koła generują bardzo duży opór (stąd Cx samochodów F1 przekraczający często jedność) oraz, jakby tego było mało, powstaje na nich tak przecież niechciana siła nośna. Z konieczności przestrzegania regulaminu możliwości stosowania rozwiązań aerodynamicznych są mocno ograniczone, za to ostatnio zaczęto stosować opony z czterema nacięciami zamiast stosowanych wcześniej bezbieżnikowych. Rowki umożliwiają przepływy powietrza pod oponą i tym samym zmniejszają nieco powstającą na nich siłę nośną.
Podobnie niedoskonałe są samochody sportowe. Poprzednia wersja Audi TT charakteryzowała się na tyle znaczącą siłą nośną, że przy większych prędkościach odciążone opony nie pozwalały przenosić dużych obciążeń bocznych. W rezultacie samochód przy dużych prędkościach był podatny na zrywanie przyczepności i poślizgi w zakrętach, a styliści nie godzili się na zastosowanie odpowiednich płatów dociskowych, ponieważ bali się zeszpecenia linii nadwozia. Dopiero śmiertelny wypadek bardzo doświadczonego kierowcy doprowadził do zamontowania niewielkiego płata dociskowego tylnej osi.
Jak widać, aerodynamika jest nauką o ogromnym znaczeniu. Jest jednak również dość nieobliczalna z powodu bardzo skomplikowanych zależności między pozornie niezależnymi elementami. Te problemy można symulować, korzystając z numerycznych metod mechaniki płynów, jednak przy bardzo złożonych obiektach pakiety komputerowe dają wyniki niestety dość znacznie odbiegające od doświadczenia. Dlatego niejednokrotnie projektowanie aerodynamiczne jest oparte na metodzie prób i błędów, w której znajomość zasad aerodynamiki, wyczucie i zrozumienie praw rządzących przepływami, a wreszcie umiejętność właściwego wnioskowania są naukowcom nieodzowne, a badania tunelowe są podstawową techniką eksperymentu niezbędną do stworzenia poprawnej aerodynamicznie konstrukcji.
EKSPERYMENT
Osobom, którym równanie Bernoulliego wydaje się niezgodne z intuicją, polecam następujący eksperyment, który bez problemu można wykonać w domowym zaciszu. Potrzebna będzie piłeczka pingpongowa oraz suszarka lub odkurzacz, w którym rurę można podłączyć do wylotu powietrza (tak, aby powietrze z rury wylatywało, a nie było do niej zasysane). Doświadczenie jest banalnie proste: należy włączyć suszarkę i w kilkucentymetrowej odległości nad wylotem powietrza umieścić piłeczkę pingpongową. Z pozoru wydawałoby się, że piłeczka powinna zostać wyrzucona do góry gdzieś w bok i spaść na podłogę. Tymczasem ona stabilnie utrzymuje się we wnętrzu przepływu! Dzieje się tak właśnie dlatego, że w jego wnętrzu prędkość powietrza jest największa, a tym samym ciśnienie najniższe. Kiedy piłeczka przesunie się w którąkolwiek stronę, prędkość powietrza jest na brzegach przepływu mniejsza, a tym samym ciśnienie wyższe. Z tego powodu wyższe ciśnienie działające z zewnątrz popycha piłeczkę do wnętrza nawiewu i utrzymuje ją w stanie trwałej równowagi. W ten oto prosty sposób można się przekonać, że istotnie w przepływie o wyższej prędkości panuje niższe ciśnienie!
Tekst w oparciu o książkę dr. hab. inż. Janusza Piechny „Podstawy aerodynamiki pojazdów”
Autor: Bartosz Górecki
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz